农业机械．学报２００９生

图１试验系统示意图

Ｆｉｇ．１Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔ－ｕｐ

１．高压气瓶组２．减压阀３．高精密数字压力表４．火花塞

５．电荷放大器６．数据采集器７．计算机８．高速摄影仪

９．时序同步电路１０．点火系统１１．压力传感器１２．定容燃

烧弹

大ＭＲＥＬＧｒｏｕｐｏｆＣｏｍｐａｎｉｅｓ生产的ＴＳＨＲＣＳ型

高速摄影仪，最高拍摄速度为１０００００ｆｐｓ。燃烧压力

采集系统由ＫＩＳＴＬＥＲ的６１１７ＢＦＤｌ７型压电传感

器和ＤＥＷＥ２０１０型高速数据采集器组成。煤层气一

空气混合气由甲烷、二氧化碳、氮气和氧气４种气体

配制，利用数字压力表测量每种气体的分压，根据气

体的分压定律配制不同燃空当量比的混合气。主要

试验条件如表１所示。

表１主要试验条件

Ｔａｂ．１Ｍａｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ

参数数值

当量燃空比口

初始压力ｐｏ／ｋＰａ

初始温度１’ｏ／Ｋ

煤层气０组分（简称：ＣＢＭ０）煤层气１组分（简称：ＣＢＭｌ）煤层气２组分（简称：ＣＢＭ２）

０．８～１．２

３００～６００

２９８

１００％ＣＨ＜

７０％ＣＨ＋。１０％Ｃ０２，２０％Ｎ２５０％ＣＨ４，２０％Ｃ０２，３０％Ｎ２

２计算方法

根据采集的数字图像可得出火焰半径，由于已知拍摄每帧照片的时间间隔，而摄影仪上的起始帧即为电极跳火时刻，这样就可以求得火焰半径与时间的关系，进而得到火焰传播速度与时间以及与火焰半径的关系。

火焰传播速度为。一．’

ｓ；＝警（１）式中Ｒ——火焰半径ｆ——时间

层流燃烧速度Ｓ。的表达式为［８】

ｓ６＝＇ｐ（２）式中氏——未燃气密度舶——已燃气密度

ｍ由混合气初始状态决定，即可由燃烧系统的准维双区燃烧模型［９］计算获得。３试验结果与分析

３．１燃空当量比对煤层气燃烧的影响

图２是初始压力为３００ｋＰａ、燃空当量比为１时，ＣＢＭｌ一空气层流火焰传播过程。从第一张照片中可以清晰看到点火电极，刚开始电极周围形成绿色离散的光团，这就是跳火瞬间，然后光团凝聚，颜色变亮，可认为此刻燃料着火，随着火焰的传播，光团呈近似球形逐渐向外扩大，大约在５０ｍｓ时，火焰几乎圆满地占据了整个定容弹，此时火焰中段呈大面积亮白色，边界呈黄色，最外层呈红色，清晰的表征了火焰温度梯度场。由此可见，煤层气具有良好的可燃性。

图２ＣＢＭＩ一空气层流火焰发展过程Ｆｉｇ．２ＦｌａｍｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆＣＢＭｌ一ａｉｒｍｉｘｔｕｒｅ图３是初始压力为３００ｋＰａ，不同燃空当量比时，ＣＢＭｌ～空气混合气的燃烧压力变化曲线。由图可知：①＝１．１时，燃烧最高压力值最大，这是因为此时为燃料稍浓时，化学反应存在不完全性以及燃烧产物的离解和二次反应等因素，导致偏富氧时燃烧速度快。垂＝１和西＝０．９时，燃烧最高压力值略低，并且二者燃烧压力较接近。西＝１．２和西＝０．８时，即浓混合气和稀混合气时最高燃烧压力较低，这是因为稀混合气单位容积内可燃混合气量减少，化学反应速率降低所致，而浓混合气是由于单位容积内氧气量减少，化学反应速率降低所致。

２Ｉｏｏ

臭２０００

．Ｒ

幽

攫１９００

鬟

幄

皤１８００

图３最高燃烧压力随燃空当量比变化曲线“Ｆｉｇ．３Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ

ｏｆｍａｘｉｍｕｍｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｒａｔｉｏｓ

图４是初始压力为３００ｋＰａ，不同燃空当量比时，火焰传播速度随火焰半径的变化曲线。可以看出：在点火初期不管燃料与空气配比如何，其火焰传播速度相差都不大，燃烧情况比较接近，但随着火焰半径的增大，燃空当量比与化学当量较接近时，火焰传播速度较大。①＝１．１时火焰传播速度最大；而混

合气过浓或过稀时火焰传播速度明显降低，这是因

第８期部斌等：煤层气一空气预混层流火焰特性试验

为无论是过剩的空气还是过剩的燃料都不能再继续燃烧。反而在升温时要吸收热量，从而降低了火焰的传播速度。

Ｏ．８Ｏ．９１．０１．１１．２

火焰半径／ｍｍ

图４不同燃空当量比时火焰传播速度

随火焰半径的变化曲线

Ｆｉｇ．４

Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆ

ｌａｍｉｎａｒｆｌａｍｅｓｐｒｅａｄｖｅｌｏｃｉｔｙｗｉｔｈｆｌａｍｅｒａｄｉｕｓ

ａｔ

ｖａｒｉｏｕｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｒａｔｉｏｓ

图５是初始压力为３００ｋＰａ，不同燃空当量比时，层流燃烧速度随火焰半径的变化曲线。由图可知：燃空当量比与化学当量较接近时，火焰传播速度较大，西＝１．１时层流燃烧速度最大；而混合气过浓或过稀时层流燃烧速度明显降低。对一定燃空当量比的混合气，其层流燃烧速度随火焰半径的增加而缓慢增加，但当接近其最大火焰半径时，层流燃烧速度会迅速降低。这是因为随着火焰半径的增加，已燃混合气质量增加，未燃混合气受已燃混合气的压缩后，其压力和温度逐渐增加，未燃混合气压力增加使层流燃烧速度减小，而未燃混合气温度升高使层流燃烧速度增大，在未燃混合气压力和温度变化两者的共同作用和影响下，使得层流燃烧速度表现出缓慢增加但变化不大的趋势。但当火焰半径增加至接近定容弹壁面时，燃料已基本燃烧完，同时已燃区传给壁面的热量增加很快，因而已燃区温度下降很快，所以燃烧速度也由原来的缓慢上升趋势变为迅速下降趋势。

３．２初始压力对煤层气燃烧的影响

图６是初始压力为４００ｋＰａ，燃空当量比为１时，ＣＢＭｌ一空气层流火焰传播过程。刚开始电极周围形成淡绿色离散的光团，然后光团凝聚，颜色变

燃空当鼍比０．８

燃空当量比０．９燃空、’量比１．０燃空、’量比１．１

燃窄当量比１．２

火焰中径＿／ｍｍ

图５不同燃空当量比时层流燃烧速度

随火焰半径的变化曲线

Ｆｉｇ．５

Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ

ｏｆｌａｍｉｎａｒｂｕｒｎｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｗｉｔｈｆｌａｍｅ

ｒａｄｉｕｓ

ａｔ

ｖａｒｉｏｕｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｒａｔｉｏｓ

亮，随着火焰的传播，光团呈近似球形逐渐向外扩大，大约在４０ｍｓ时，火焰几乎圆满地占据了整个定容弹，此时火焰中段呈大面积亮白色，边界呈黄色，最外层呈红色。清晰的表征了火焰的温度梯度场。与初始压力为３００ｋＰａ时对比可得，随着初始压力增加，煤层气的燃烧更剧烈，火焰性能也随之增加。

图６ＣＢＭｌ一空气层流火焰发展过程

Ｆｉｇ．６

ＦｌａｍｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆＣＢＭｌ－ａｉｒｍｉｘｔｕｒｅ

图７是燃空当量比为０．８，不同初始压力时，ＣＢＭｌ的最高燃烧压力变化曲线。结果表明，混合气的初始压力对最高燃烧压力影响很大，随初始压力的增大，最高燃烧压力显著增加。

重Ｒ

出璎蓑姆皤

初始压力／ｋＰａ

图７最高燃烧压力随初始压力的变化曲线

Ｆｉｇ．７

Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ

ｏｆ

ｍａｘｉｍｕｍｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ

ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｉｔｉａｌ

ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ

图８和图９是燃空当量比为０．８，不同初始压力时，ＣＢＭｌ的火焰传播速度和层流燃烧速度随火焰半径的变化曲线。结果表明：火焰半径小于

４０

ｍｍ时，随着初始压力增加，相应的火焰传播速度

和层流燃烧速度反而减小，这是因为压力增加，离解作用减少，较少的离解作用导致活性根的减少，使层流燃烧速度下降。当火焰半径大于４０ｍｍ后，层流

火焰半径，ｍｍ

图８不同初始压力时火焰传播速度随

火焰半径的变化曲线

Ｆｉｇ．８

Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆｌａｍｉｎａｒｆｌａｍｅｓｐｒｅａｄｖｅｌｏｃｉｔｙ

ｗｉｔｈ

ｆｌａｍｅｒａｄｉｕｓ

ａｔ

ｖａｒｉｏｕｓｉｎｉｔｉａｌ

ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ

０８６４

２Ｏ

ｌＯ０ＯＯ趟磺爨啦磐≮

４

３

２

，

Ｏ

０ＯＯＯ

煤层气-空气预混层流火焰特性试验

作者：郑斌， 刘永启， 李萍， 刘瑞祥， 高振强， Zheng Bin， Liu Yongqi， Li Ping， Liu Ruixiang， Gao Zhenqiang

作者单位：山东理工大学交通与车辆工程学院,淄博,255049

刊名：

农业机械学报

英文刊名：TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY FOR AGRICULTURAL MACHINERY

年，卷(期)：2009，40(8)

引用次数：0次

参考文献(9条)

1.Seref S Examination of combustion characteristics and phasing strategies of a natural gas HCCI engine 2005(1)

2.Papagiannakis R G.Hountalas D T Combustion and exhaust emission characteristics of a dual fuel compression ignition engine operated with pilot diesel fuel and natural gas 2004(18)

3.Nwafor O I Effect of advanced injection timing on emission characteristics of diesel engine running on natural gas 2007(14)

4.李萍.刘永启.王海凤.李莹浅谈变组分燃料燃烧特性研究进展[期刊论文]-内燃机与动力装置 2007(6)

5.滕勤.马标.左承基.谈建煤层气发动机稳态空燃比前馈控制脉谱生成[期刊论文]-农业机械学报 2008(11)

6.滕勤.杨瑜.左承基.谈建煤层气发动机混合气充量系数模型的辨识[期刊论文]-农业机械学报 2007(3)

7.张勇.黄佐华.廖世勇.王倩.蒋德明天然气/氢气燃烧特性研究[期刊论文]-内燃机学报 2006(3)

http://www.wendangku.net/doc/cc574cd084254b35eefd345f.htmlw C K.Kwon O C Effects of hydrocarbon substitution on atmospheric hydrogen-air flame propagation 2004(8)

9.廖世勇.井明科.程前.黄佐华.蒋德明乙醇-空气预混层流火焰特性的试验研究[期刊论文]-内燃机学报 2007(5)相似文献(0条)

本文链接：http://www.wendangku.net/doc/cc574cd084254b35eefd345f.html/Periodical_nyjxxb200908005.aspx

下载时间：2010年4月20日