高压甲烷射流对层流火焰作用的试验

雷 艳，丁梦竹，仇 滔，李 泳，刘佳星，赵 宁

(北京工业大学 环境与生命学部，北京 100124)

天然气是我国内燃机应用最广泛、技术最成熟的代用燃料．天然气缸内直喷技术有利于提高发动机效率并降低有害排放，是当前天然气内燃机的重要技术手段[1-2]，也成为了研究的热点和前沿[3]．

天然气直喷喷射方式(包括预喷的天然气量和喷射正时)对天然气燃烧影响很大．牛培铮等[4]研究发现，采用EGR率为25%耦合少量米勒循环并适当提前天然气喷射正时，能够降低NOx排放．王解托等[5]研究了不同天然气预喷策略对发动机燃烧特性及性能的影响，结果表明：预喷比例相较于预喷间隔对燃烧过程的影响更显著，预喷间隔在较大的预喷比例下才会显著影响缸内燃烧放热过程．Zeng等[6]研究了缸内直喷天然气发动机在不同燃料喷射正时和恒定喷射时间下的燃烧特性，验证了存在一个最佳燃料喷射正时使发动机热效率达到最高，且保持较低水平的HC和CO排放．Moon[7]研究了直喷天然气发动机在不同喷射时间下热效率、燃烧速度、燃烧稳定性和排放特性，并比较了直接喷射和端口喷射的燃烧特性，结果表明：低负荷条件下，天然气缸内直喷可以有效地提高发动机热效率．刘亦夫等[8]探究了点火时刻与喷射时刻对火焰发展周期和发动机排放特性的影响，验证了随着喷射时刻和点火时刻的提前，发动机颗粒物排放增多，NOx和HC排放增大．林学东等[9]研究了缸内直喷压缩天然气(CNG)发动机喷射方式对火焰传播特性的影响，证明了双点火时缸内气流对先形成的火焰有“牵引作用”，喷射时刻越推后，缸内混合气不均匀性越强，燃烧放热速率及其峰值越高，燃烧放热持续时间越短．刘亮欣等[10]研究了天然气缸内直喷发动机在不同喷射时刻下的燃烧特性，验证了燃料喷射太迟和过早都会对发动机性能和排放有较大影响．王金华等[11]研究了点火时刻对天然气掺氢缸内直喷发动机燃烧与排放的影响，结果表明：喷射结束时刻与点火时刻的间隔对直喷天然气发动机极为重要．

上述研究都是在发动机上开展，证明了天然气射流对缸内的燃烧影响很大，但是没有说明射流对火焰的作用规律，因而有必要在天然气高压射流如何影响火焰方面开展基础研究．Rengel等[12]研究了甲烷在不同环境压力下射流火焰的几何特性，证明了环境压力越低，射流火焰的升起距离越大，辐射火焰长度越短，总火焰长度基本保持恒定．翁武斌等[13]利用平面激光诱导氢氧基荧光(OH-PLIF)技术研究了甲烷/空气预混射流火焰在不同出口雷诺数下，不同氮气稀释比例对火焰前锋面结构特性的影响．覃建果等[14]对甲烷富氧燃烧层流同轴射流扩散火焰进行了数值研究，结果表明：提高喷射压力，射流扩散火焰半径变小，火焰长度基本保持不变，火焰温度先升高后降低．Gholamisheeri等[15]对甲烷湍流喷射点火系统的湍流流场进行了模拟和试验，证明了湍流能够显著减少反应器内的反应时间，促进稀薄燃烧．刘奕等[16]对甲烷-空气二维平面湍射流火焰进行了大涡模拟，指出射流扩散火焰的发展具有初始的“湍流控制”阶段和充分发展的“化学反应控制”阶段．Zheng等[17]研究发现，随着气缸内燃料从均质分布变为分层分布，火焰传播的比例增加，燃烧反应速率降低．Sankaran等[18]通过数值模拟分析了湍流搅拌对火焰结构和厚度的影响，结果表明：由于湍流的作用，火焰的热预热层变厚，湍流强度增加，火焰表面积增大．

综上可知，射流对火焰发展存在重要的影响．缸内直喷的天然气发动机，不管是柴油引燃还是火花点火，都会形成预混火焰，然后天然气高速射流进入气缸，在预混火焰的作用下燃烧．为了研究天然气直喷射流对预混火焰的影响，笔者搭建了定容燃烧弹光学测试台架，以甲烷作为气体燃料，采用点火针点燃甲烷射流，开展不同喷射延时工况条件下甲烷射流着火特性测试，研究甲烷射流对预混层流火焰的影响．

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

试验以甲烷为气体燃料，采用火花点火方式．图1为可视化试验系统示意，其中喷嘴到点火针的距离为40mm．可视化试验系统主要包括：定容燃烧弹、光学纹影系统和气体供给系统等．定容燃烧弹两端采用石英玻璃作为高速相机的光学通道，光可以透过视窗经反射后进入高速相机．表1为试验仪器参数．

图1 可视化试验系统示意 Fig.1 Schematic of visual experimental system

表1 试验仪器参数 Tab.1 Parameters of experimental instruments

1.2 试验方法

试验设计的两种甲烷喷射模式为预先喷射和射流喷射．试验首先采用压缩空气机向定容燃烧弹内充入空气，背景压力为0.1MPa，并将定容燃烧弹内温度加热至300℃；然后预先喷射甲烷，保持预制混合气的当量比为1.16，并静置一段时间后再控制点火针点火，高速相机同步开始拍摄．点火之后再次喷射甲烷，预先喷射和再次喷射的射流脉宽均为6.0ms．整个控制参数如图2所示，点火时刻与喷射时刻之间的间隔为喷射延时τ．为了研究甲烷对不同预混点燃火焰发展规律的影响，试验具体参数如表2所示．

图2 喷射过程的控制参数 Fig.2 Control parameters of injection process

表2 试验参数 Tab.2 Experimental parameters

1.3 参数说明

选定甲烷射流方向和垂直于甲烷射流两个方向进行研究，图3为火焰传播距离示意，点火中心沿射流方向的火焰传播距离为Ry，点火中心沿垂直于射流方向的火焰传播距离为Rx．火焰传播速度为

图3 火焰传播距离定义 Fig.3 Definition of flame propagation distance

火焰等效为球形，利用火焰等效半径R这一参数 来表征火焰大小，由于球形半径与面积、周长有关，因而S为射流刚好接触火焰边界时预混火焰的投影面积，L为具有相同投影面积的圆的周长，如图4所示．

图4 火焰等效半径示意 Fig.4 Schematic of equivalent flame radius

1.4 图像处理

为了保证预混火焰能够稳定点燃，将点火前定容燃烧弹内的背景气体加热并保持在300℃，甲烷点燃后迅速燃烧产生大量热量，弹内温度迅速升高，弹内气体受热产生热运动，导致纹影拍摄的扰动急剧增加．为了减少扰动对射流与火焰的影响，试验过程中降低了纹影系统的敏感度，来更好地捕获射流与火焰．但是预混层流火焰形成后，火焰内部与外部的密度梯度变化程度远大于甲烷与热空气的密度梯度变化，背景、火焰的拍摄效果较好，而射流却不容易被捕捉到．

因此，通过Matlab编程进行图像处理，对原始拍摄图像进行背景减除、阈值分割，在保持火焰边界清晰的基础上，最大限度地捕获了射流，并获得了火焰传播距离Rx、Ry和预混火焰的投影面积S等数据．

2 试验结果及分析

2.1 预混静置时间对预混层流火焰的影响

图5为不同预混静置时间的火焰传播距离对比．所有火焰传播距离与时间的关系呈线性，这表明燃烧是球形发展，为层流火焰．同时随着预混静置时间的不断增大，预混静置时间对预混层流火焰传播距离的影响越来越小．由于试验的甲烷喷射延时τ最大 为3.0ms，截止到5.0ms时，预混静置时间大于0.8s，火焰传播距离基本不变．因而为了保持预混层流火焰发展的一致性，笔者选取预混静置时间为0.8s．

图5 不同预混静置时间的火焰传播距离对比 Fig.5 Comparison of flame propagation distance under different premixed time

2.2 射流时刻对预混层流火焰的影响

图6为不同喷射延时τ下预混层流火焰等效半径R的变化．可以看出，随着喷射延时的增大，预混层流火焰R呈线性增加．这是因为喷射延时变长，预混层流火焰发展的时间更充足，导致等效半径也随之增大．同时，当喷射时刻在点火时刻(τ＝A2ms)之前，即在射流脉宽持续期内点火，未能形成层流火焰，射流也无法被点燃，预混层流火焰R为0．表明必须存在喷射延迟才会形成预混层流火焰，并进一步引燃射流．

图6 喷射延时对预混层流火焰等效半径的影响 Fig.6 Effect of injection delay time on the equivalent radius of premixed laminar flame

图7为喷射延时为0ms的火焰发展过程，点火时预混火焰的等效半径R为1.4mm．可以看出，未出现甲烷射流之前，火焰的发展过程与纯预混层流火焰相似，椭球状火焰前锋面平滑，火焰边界缓慢向外扩大．因为甲烷喷射与点火同步发生，层流火焰的椭球面较小，当射流接触火焰表面时，椭球状火焰开始发生变形．开始时层流火焰边界大部分能维持原状，部分边界受到射流的冲击而消失．随着射流继续向 前发展，受到甲烷射流卷吸的影响，火焰难以维持椭球状，开始大幅度变形．最后，甲烷射流所具有的能量远远大于预混层流火焰的能量，火焰边界难以维持，椭球面逐渐缩小，直至消失，火焰被射流吹熄．

图7 喷射延时为0ms时的火焰发展过程(R＝1.4mm) Fig.7 Development process of flame with injection delay time of 0ms(R＝1.4mm)

可知，当预混层流火焰发展不稳定或者强度较低时，高压射流会抑制层流火焰的发展，吹熄层流火焰．

图8示出喷射延时分别为1.0ms和3.0ms、点火时预混层流火焰R分别为2.6mm和6.1mm的火焰发展过程．可以看出，在未受到甲烷射流影响之前，预混层流火焰发展规律与纯预混燃烧相似．甲烷射流开始接触到火焰边界，火焰锋面开始变形．当射流达到沿射流方向火焰最外沿处，火焰无法保持椭球状，R为2.6mm的火焰边界几乎完全消失；但在预混层流火焰完全消失之前，射流被预混火焰引燃，开始迅速燃烧，其火焰锋面变得极度不平滑，射流火焰形成大量的褶皱．而R为6.1mm的火焰，其小部分边界消失；但同时预混层流火焰仍旧存在，在不受射流干扰的区域保持较为平滑的火焰锋面．此时，出现了层流燃烧火焰与湍流燃烧火焰共存的现象．随着射流火焰撞壁，火焰褶皱迅速增加．

图8 存在喷射延时的火焰发展过程 Fig.8 Development process of flame with injection delay time

因此，甲烷的喷射延时决定了预混层流火焰的发展，表现为预混层流火焰R不同．预混层流火焰R越大，层流火焰的稳定性更高，甲烷射流对预混层流火焰的抑制作用越小，更容易形成湍流燃烧．当预混层 流火焰有充足的时间发展、火焰强度足够大时，射流将不会抑制预混层流火焰的发展，还会增强预混层流火焰，促进层流燃烧向湍流燃烧转变，弹体内出现层流火焰与湍流燃烧火焰共存的现象．

2.3 喷射延时对火焰发展的影响

2.3.1 火焰传播距离的变化

由于甲烷射流对不同等效半径的预混层流火焰作用规律不同，笔者开展了不同预混层流火焰R下的甲烷射流燃烧测试，图9为不同R下火焰传播距离对比．预混层流火焰R＝0mm时，在甲烷喷射期间点火，出现火花，但未形成火焰．因而，Ry和Rx都瞬时增大，而后急剧减小到0．

图9 不同等效半径下火焰传播距离对比 Fig.9 Comparison of flame propagation distance under different equivalent radius

预混层流火焰R＝1.4mm时，在喷射与点火同时发生时，层流火焰出现，Ry缓慢增加．射流冲击预混点燃火焰，破坏了预混层流火焰的稳定性，Ry呈现出短暂的波动，火焰熄灭后，Ry迅速变为0，Rx的趋势与Ry一致．

预混层流火焰R＝2.6mm时，在未出现射流时，Ry和Rx都缓慢增加，趋势与纯预混火焰相似；随后，Ry迅速增加，而Rx先保持不变后逐渐减小(接近于0)，最终再次急剧增加．此阶段预混点燃火焰熄灭，导致Rx逐渐减小，而射流被引燃，使得Ry突增、Rx也迅速增加．当射流导致预混层流火焰熄灭时，当前预混层流火焰R即为临界火焰半径R0，即R0＝2.6mm．

预混层流火焰R＝6.1mm时，Rx和Ry先呈线性 增加，当射流被引燃之后，Ry急剧增加，Rx略微减小并保持稳定，随着射流的持续，射流燃烧火焰覆盖面积迅速增大，导致Rx继续增加，此时层流燃烧与湍流燃烧共存．射流被引燃后，湍流燃烧逐渐占主导地位．

2.3.2 火焰传播速度的变化

图10为不同R下火焰传播速度对比．可以看出，预混层流火焰R＝0mm时，由于点火与喷射同时发生，在射流脉宽内点火，点火火花出现后无法形成预混点燃火焰，vy和xv先变为负值，而后变为0．

图10 不同等效半径下火焰传播速度对比 Fig.10 Comparison of flame propagation speed under different equivalent radius

预混层流火焰R＝1.4mm时，由于预混层流火焰半径较小，火焰强度较低，在射流出现以后，预混层流火焰被射流吹熄，vy和xv都表现为短暂增大后迅速变为负值，并最终趋向于0．受到高速射流的影响，vy的变化趋势相较于xv更剧烈．

预混层流火焰R＝2.6mm时，在未形成湍流燃烧前，甲烷射流带动预混层流火焰向前发展，vy一直处于波动增大的状态，在射流被引燃形成湍流燃烧后，vy的峰值大约为13m/s．而射流向前发展的过程中，受到射流的卷吸作用，vx逐渐减小为负值，而后随着射流燃烧的产生，vx又逐渐增大，并保持为7m/s左右．

预混层流火焰R＝6.1mm时，由于预混层流火焰稳定性高，在射流穿过火焰后，vy先保持为3m/s不变，射流燃烧开始后，vy急剧增大到18m/s．在层 流燃烧阶段，vx在3m/s稳定不变，而后射流出现，破坏了层流燃烧火焰的边界，vx逐渐减小到负值．当层流燃烧转变为湍流燃烧后，vx迅速增加为13m/s．

综上可知，当预混层流火焰的R为2.6mm时，甲烷射流仍旧会导致层流火焰的熄灭，但与预混层流火焰R为0mm和1.4mm时不同，甲烷射流在吹熄层流火焰后仍旧被引燃，形成了湍流燃烧．因而存在一个临界等效半径R0＝2.6mm，甲烷射流仍旧会抑制预混层流火焰的发展，但能够被层流火焰引燃，形成湍流燃烧，进而促进预混层流火焰的发展．

3 结 论

(1) 甲烷的喷射延时决定了预混层流火焰的发展，表现为预混层流火焰的R不同；R越大，预混层流火焰强度越高．

(2) 随着预混层流火焰R的增大，层流火焰的稳定性更高，不易被吹熄，甲烷射流更易被预混层流火焰引燃，形成湍流燃烧．

(3) 存在一个临界等效半径R0，预混层流火焰被射流吹熄，但预混层流火焰成功引燃射流，射流成功着火，形成湍流燃烧；当R大于临界值R0后，甲烷射流更易被预混层流火焰引燃，同时，预混层流火焰未受射流干扰区域仍旧保持层流火焰，此时层流火焰、湍流燃烧火焰并存，火焰传播速度加快．