Jet-A 表征燃料/乙醇掺混燃料层流燃烧特性研究

何旭，江正晖，桑正，刘泽昌，冯光远，杨青，蒋厚实

（1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081）

随着我国能源需求的不断上涨、能源进口依赖程度的不断加深以及双碳行动方案的印发[1−2]，对传统燃料清洁化、可再生化已是迫在眉睫.航空煤油作为传统的碳氢燃料，燃烧会产生大量的CO、NOx、碳烟等污染物[3−4].乙醇作为传统的生物质含氧燃料可通过生物质发酵等方式获得具有可再生性，具有较高的火焰速度和较低的未燃HC、NOx等污染物排放，但其较低的能量密度和较高的水溶性限制了其完全替代航空煤油的潜力，因此在航空煤油中掺混乙醇是一种较为实际有效的方案[5].

由于航空煤油通常为C7-C16烃类混合物[6]，不同产地、不同批次的煤油组分都会存在很大差异；另一方面，实际航空发动机在工作过程中，涉及到几百种组分、成千上万种基元反应，同时还伴随剧烈的流动、传热等物理和化学变化，直接模拟其真实燃烧过程、构建全面的反应动力学是非常复杂且不切实际的.对于上述问题，使用简单可靠的表征燃料来替代真实复杂的航空煤油来开展相关基础研究已经得到广泛的认可.另外，作为湍流燃烧基础的层流燃烧特性，不仅体现了燃料的放热能力等基本燃烧性能；而且可以用于验证燃料的化学反应机理，为湍流燃烧的深入研究提供重要数据.因此，燃料的层流燃烧特性是目前进行燃烧基础研究的一个重要课题.

近年来国内外众多学者对航空煤油的表征燃料开展了大量的试验研究.肖保国等[7]在张若凌等[8]对航空煤油冷却模拟的基础上提出了摩尔分数为79%正癸烷、13%三甲基环己烷和8%乙基苯的三组分RP-3 表征燃料.有研究提出以摩尔分数为14%正癸烷、10%正十二烷、10%甲苯、30%异十六烷、36%甲基环己烷五组分RP-3 表征燃料并研究了其与乙醇掺混对预混火焰的影响，发现乙醇的化学效应对层 流 燃 烧 速 度 的 影 响 最 大[9−12].DAGAUT 等[13−14]使用正癸烷、正丙苯、正丙基环己烷来表征航空煤油，提出了209 种组分与1 673 种反应的氧化机理成功还原了煤油-氧气-氮气的火焰结构.DOOLEY 等[15−16]基于实际航空煤油的碳氢比和辛烷值，提出了一种以摩尔分数为42.67%正癸烷、33.02%异辛烷、24.34%甲苯的三组分表征燃料，并通过试验对该三组分替代燃料的熄灭极限和点火特性进行了验证.

由此可见，针对航空煤油的表征燃料层流燃烧特性已有大量的研究基础，但针对乙醇与其表征燃料掺混的研究尚较缺乏.因此，文中的目标是开展乙醇掺混航空煤油表征燃料的层流燃烧特性研究.

1 试验系统与分析方法

定容燃烧弹是目前最广泛使用的层流燃烧速度测量装置[17−19]，和其它装置相比仅需少量的反应物，且能承受更高的试验压力.通过高速纹影摄像系统，可以获取预混层流火焰半径随时间的变化规律，并且更容易捕捉球形火焰受拉伸效应的影响.文中将选用定容燃烧弹进行相关试验.

1.1 试验装置

文中使用的测试系统如图1 所示，由容弹主体、温度控制系统、配气系统、点火系统、高速纹影摄像系统组成.容弹主体由不锈钢制成，呈球形，密封性能良好，容弹设计可承受4 MPa 压力、可耐受650 K 温度，容弹的内部容积为33.5 L.两根直径为1.5 mm 的钨钢电极间隔1.5 mm，对称布置在容弹上下两侧.数据采集所使用的高速相机的帧率设置为10 000 fps，采集图像分辨率为1 024×1 024.

图1 层流燃烧测试系统示意图Fig.1 Schematic diagram of laminar combustion test

1.2 试验工况

为了便于分析验证，文中采用Dooley 的表征燃料配比（42.67%正癸烷、33.02%异辛烷、24.34%甲苯）与乙醇掺混来开展混合燃料的层流燃烧特性研究[15−16].

液体燃料在实际试验研究中多使用体积参数，便于燃料的配制和使用，因此本研究中混合燃料乙醇的添加含量以体积参数为基准，乙醇掺混比 β的定义：

式中：Vethanol和Vkerosene分别为配置燃料时乙醇和三组分表征燃料的体积.文中将用E0、E30、E60 分别表示掺混比为0%、30%、60%.试验工况参数如表1所示.

表1 试验工况表Tab.1 Experimental initial condition

1.3 试验过程

试验中所用到的合成空气为实验级（21% N2；79% O2）纯度大于99.99%，液体燃料（乙醇；甲苯；正癸烷；异辛烷）纯度大于99.5%.

试验操作如下：首先利用真空泵将容弹内部抽至6 kPa 以下.使用微量进液器抽取该工况下所需体积的燃料，开启容弹上的燃料注入阀门，将燃料通过阀门注入容弹内腔，然后迅速关闭阀门.静置约5 min，待液体燃料充分汽化后打开空气进气阀门，向容弹内腔缓慢地充入空气至预设压力值.静置10 min，待混合物混合均匀后，使用点火系统同时触发电极点火和相机拍摄，记录预混火焰发展图像.拍摄结束后，打开排气阀门，用新鲜空气冲洗容弹，重复3 次以保证容弹内部无燃料与废气残留.检查测试结果有效后存储数据，每个工况点重复3 次.

1.4 数据处理

利用高速相机拍摄得到的火焰纹影图像，通过将火焰原始图像与背景图像相减，得到火焰轮廓，利用canny 算子[20]对其进行边界扫描并通过球形火焰面积拟合得到火焰半径Rf.如式(2)所示，通过求得的Rf求导即可得到拉伸火焰传播速度Sb.

式中，t为火焰传播时间.火焰的拉伸率K定义为

对应的，火焰的曲率 κ为

拉伸火焰传播速度和火焰拉伸率之间的关系可以通过曲率模型[21]和准稳态模型[22]的非线性拟合公式外推得到无拉伸火焰传播速度.相关公式如下：

式中：Lb为马克斯坦长度，马克斯坦长度反映的是火焰速度对拉伸的敏感性.

文中通过拟合曲线与试验数据的吻合度选取拟合方法中较为合适的一种.

根据火焰前缘的质量守恒定律，层流燃烧速度SL可以表示为

式中：ρb为易燃气体密度；ρu为未燃气体密度.

文中使用ChemKin17.0 中PREMIX 模块，分别结合LI 等[23]提出的一种四组分燃料（正庚烷、异辛烷、甲苯、乙醇）的简化机理，KELLEY 等[24]提出的正癸烷骨架机理来实现试验预测.通过对上述两种机理的整合，初步形成了包含73 种组分和289 步基元反应的正癸烷、异辛烷、甲苯、乙醇的四组分燃烧反应模型，以匹配层流燃烧速度.计算中考虑Soret 效应，允许最大网格点数为1 000，自适应网格数量设为50，求解梯度与曲率均设为0.03.

1.5 误差分析

在本研究的层流火焰速度测量过程中，存在以下不确定性来源，包括：燃料与空气纯度、注射器、压力表精度、温控系统精度、点火能量、热辐射与压力波、火焰数据后处理等因素，这些因素对层流火焰速度测量的不确定性的贡献度可使用一维模型得到评估[25].

本研究中层流燃烧速度的不确定性由Moffat 理论[26]计算得到：

式中：M为试验的总次数；t(M−1)为自由度为M−1 的t分布在置信区间为95%所对应的值；SSL为SL的标准差；系统不确定度GSL可以通过下式计算：

式中：xi为任何一个影响SL不确定度的变量；Oi为变量xi的误差（包含当量比，初始温度和压力[27]）.对此，燃料与空气的纯度均在99%以上，压力表精度为±0.1 kPa，热电偶精度为±1 K，燃料当量比误差范围为±1.0～2.4%；火焰图像最小像素点为1，后处理程序对每帧图像的半径计算值误差约为0.11 mm，同时考虑到重复试验过程中的随机误差与系统误差，层流火焰速度的试验测量的不确定度≤5%.

2 结果与讨论

2.1 不同掺混比对火焰特性的影响

图2 显示了初始温度为470 K、初始压力为0.1 MPa、当量比为1.0 时，乙醇的掺混比分别为E0、E30、E60 时的层流火焰发展图像.对比掺混乙醇时的燃料火焰图像和未掺混乙醇时的火焰图像，可以明显地观察到添加乙醇时同一时刻的火焰半径更大，反映出乙醇这种含氧燃料的添加提升了航空煤油表征燃料的燃烧效果，使火焰传播速度加快.同时，在火焰的发展初期，乙醇的添加不会使火核发生显著变化，随着燃烧过程的不断进行，乙醇对燃烧的促进作用更加明显.

图2 不同掺混比下火焰传播图像（p=0.1 MPa，T=470 K，Φ=1.0）Fig.2 Flame propagation images under different blending ratios (p=0.1 MPa, T=470 K, Φ=1.0)

图3 为在初始温度为470 K、初始压力为0.1 MPa时，掺混比分别为E0、E30、E60 下的火焰传播速度与火焰拉伸率的关系.图中扇形面积（两条虚线中间所夹的区域）表示所选择的火焰半径范围为8−25 毫米.将规定范围内的数据通过拟合度最高的外推法得到无拉伸火焰传播速度.由图可知，随着乙醇掺混比的提升，未拉伸火焰传播速度总体呈现上升趋势.E30 与E60 的未拉伸火焰传播速度相较E0 分别平均提升了5.59%与10.63%.在当量比为1.1 时，拉伸率为0 的情况下，E30 与E60 的未拉伸火焰传播速度分别为4.5 m/s 与4.67 m/s，相较E0 分别提高了4.9%与8.9%.由此可见，乙醇的加入使火焰传播速度提升显著.

图3 不同掺混比时的火焰传播速度与火焰拉伸率的关系Fig.3 The relationship between stretched flame propagation speed and stretch rate

通过式（7）即可将火焰传播速度转化为层流火焰燃烧速度，如图4 所示，在试验误差范围内，试验结果与仿真结果的发展趋势基本相同，即在当量比为0.7～1.4 之间时，层流火焰燃烧速度先增大后减小，层流火焰燃烧速度最大值出现在略微高于化学计量数一侧，本试验中的速度最大处为 ϕ=1.1时，不同的乙醇掺混比不影响这一变化趋势.随着乙醇掺混比例的提高，层流火焰燃烧速度增大.然而仿真结果与试验结果在数值上存在较大偏差，模型计算值整体偏低，低当量比的数据相差最大.为进一步分析原因，文中将对层流火焰燃烧速度进行敏感性分析.由于模型计算值与试验值之间的差异主要反映在不同的当量比上，因此文中需要确定不同当量比下影响多组分燃料的层流火焰燃烧速度的关键基元反应.

图4 T=470 K、p=0.1 MPa 时不同掺混比下的层流火焰燃烧速度随当量比的变化Fig.4 Laminar burning velocities with equivalent ratio of various blending ratios when T=470 K、p=0.1 MPa

文中需要确定不同当量比下影响多组分燃料的层流火焰燃烧速度的关键基元反应.

2.2 敏感性分析

在仿真软件中通过对层流燃烧速度的敏感性分析，（即为通过给某一初始参数以微小变量∆x，研究目标参量（本研究为层流燃烧速度）的变化量∆y），可以评价不同的基元反应对温度、压力、掺混比等参数的敏感性，从而发现主导层流燃烧速度的关键基元反应，并对主要基元反应进行修订.无量纲质量流量的敏感系数如下：

式中：ki为第i个元素反应的化学反应速率；mo为质量燃烧流量.

文中使用敏感性分析方法，来确认不同当量比下影响E0 的层流火焰燃烧速度的关键基元反应，结果如下图5 所示.

图5 初始机理的敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of the initial mechanism

其中：反应R67、R86、R162 的正敏感性系数最大，表明这3 个反应对燃烧过程的影响作用最为显著，这主要是因为R67 和R162 是非常重要的链式分支反应，对反应的起始阶段有着极大的影响.相反，R84 是一个典型的链终止反应，该反应通过消耗反应过程中的H 自由基，降低了反应中H 自由基的浓度，对反应起抑制作用.R203、R32 同样会消耗H 自由基进而抑制反应的进程.R89 这类反应通过将自由基转化为稳定的产物如CH4，抑制了层流火焰燃烧速度.

随着当量比的增加，R67、R190、R36 的正敏感系数逐渐增大，说明其对层流火焰燃烧速度的影响作用在增强，高当量比下对层流火焰燃烧速度能产生更大的影响；相反，R86 基元反应在低当量比下对层流火焰燃烧速度的影响作用更加显著.对于负敏感系数下的反应，R84 能抑制低当量比下层流燃烧速度，高燃料浓度时的抑制效果明显减弱.R203、R89、R32 这三个反应在高当量比时对层流火焰燃烧速度的抑制作用最为显著，在低当量比时几乎不对火焰速度产生影响.R68 和R242 对燃料的浓度不敏感，不同当量比下的负敏感性系数基本相同，对层流火焰燃烧速度的抑制作用无明显变化.

2.3 机理修正

机理模型的修改参数主要是基于化学动力学中用来定量地描述基元反应过程速率的阿伦尼乌斯公式三参数阿伦尼乌斯公式为

式中：K为速率常数；R为摩尔气体常量；T为热力学温度；Ea为表观活化能；A为指前因子（也称频率因子）.

综合上述敏感性分析，结合不同当量比下试验值与仿真的拟合结果，可以得知需要提升部分正敏感系数的反应，使得层流火焰燃烧速度得到提升.同时，需要对部分负敏感系数的基元反应进行修正，使得整体层流火焰燃烧速度控制在合理范围.

对此，参照多位学者[28−32]的相关研究，对原始整合机理中的部分反应的系数（A，n，Ea）进行了修正，表2 显示了主要基元反应的参数.如图6 所示，修正后的模型整体上有效提升了各工况下的层流火焰燃烧速度，低当量比时的火焰速度提升幅度最大，但随着乙醇掺混比的增高吻合度有所下降，高当量比下的速度提升微弱，在当量比处于化学计量数附近时，火焰速度的仿真结果略微高于试验值.总的来说，修正后的新模型计算得到的层流火焰燃烧速度与试验数据的拟合度更高，这与前文中有关基元反应的敏感性分析一致，符合预期结果.

表2 修正前后主要基元反应系数的对比Tab.2 Comparison of Modified Primitive Response Coefficients

图6 修正后的机理与试验数据的对比Fig.6 Comparison of the revised mechanism with experimental data

3 结 论

文中讨论了采用定容燃烧弹测量初始温度470 K，初始压力0.1 MP，掺混比为E0、E30、E60，当量比0.8～1.4 下航空煤油表征燃料与乙醇掺混的层流火焰.通过分析发现：

①乙醇的加入显著提升了航空煤油的层流火焰燃烧速度.

②通过现有的整合的机理发现仿真值与试验数据的吻合度较差，通过对当量比的敏感性分析，对4 个基元反应进行参数调整，修改得到新机理模型，新机理模型计算得到的层流火焰燃烧速度与试验数据的拟合度更高.