甲烷燃料的燃燒特性

1、第三章 甲烷燃料的燃燒特性在層流預混燃燒理論中，層流火焰燃燒速度是描述燃料燃燒特性的最重要、最基本的物理化學特性參數，它能夠綜合反映出燃料的擴散性、 放熱能力以及化 學反應速度；在一些湍流燃燒模型中，作為量化基準的層流燃燒速度可以用來表 征湍流流動是否對燃燒起到促進作用； 燃料的層流燃燒速度對自身著火極限、 著 火延遲時間等參數也有一定影響。因此，在研究甲烷燃料的燃燒特性中有必要準 確獲得甲烷燃料燃燒過程中層流燃燒速度。本章將采用定容燃燒反應器實驗裝置對甲烷燃料著火后的層流預混燃燒特 性進行研究。分析實驗初始壓力、初始溫度以及混合氣當量比對甲烷燃料著火延 遲期的影響。實驗裝置定容燃燒反應器的實

2、驗裝置結構簡圖如圖 3.1所示。實驗裝置由四大部分組 成，分別為定容彈、加熱系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)以及紋影與高速攝影系 統(tǒng)。圖中左下方的三個氣瓶分別裝滿甲烷、空氣、氮氣或二氧化碳（本實驗該氣 瓶閥門關閉），通過控制閥門開關大小來調節(jié)氣體的流出量。圖中左上方的水銀壓力計是用來測量各個組分氣體分壓的， 不同燃空當量比的混合氣就是通過控制 甲烷和空氣的分壓來配置的。通過電感放電點火方式將甲烷/空氣混合氣點燃， 同時利用壓力傳感器采集燃燒彈中的壓力，再通過高速攝像機記錄火焰發(fā)展的紋理照片，IK Jr.f -E：|由犍在 將出.空格1AMmi54X1W=38HAMAH-人也.；!+.氣1 戈附好，

3、支圖3.1實驗裝置結構簡圖圖3.2為實驗系統(tǒng)中定容燃燒反應器的結構示意圖。定容彈的內徑為180mm、容積為0.0055m2,整個定容彈體采用中碳鋼粗鍛再精加工的工序制成。定容彈內置的中心電極用以放電而產生電火花來點燃甲烷 /空氣混合氣，定容彈 外部安裝了溫度傳感器和壓力傳感器， 可以測量混合氣的初始溫度和壓力。 定容燃燒反應器的兩端為直徑80mm的石英玻璃窗口，該窗口可以為紋影系統(tǒng)的采集工作提供光學通路。當實驗混合氣的初始壓力大于0.1Mpa時，使用壓力變送器測量各個組分的分壓；當實驗混合氣的初始壓力小于0.1Mpa時，使用水銀柱壓力計測量各個組分的分壓。該定容燃燒反應器所能承受的最大爆發(fā)壓力

4、設計值為10.0Mpa ,最大初始壓力和初始溫度設計值分別為 1.0Mpa和500K圖3.2定容燃燒反應器結構示意圖本實驗采用紋影法來測量火焰的發(fā)展特性。 紋影法可以將空間的相位分布轉 換為可見圖像，因此可用該方法來顯示溫度、密度、折射率等物理量的不均勻性。 采用該方法所得到的火焰發(fā)展特性的照片反映的是密度梯度的變化情況，而變化率最大的火焰密度是在前鋒面上，因此采用紋影法可得到非常清晰的火焰前鋒 面，其光路原理見圖3.3。圖3.3紋影光路原理簡圖實驗原理在甲烷氣體燃燒特性的研究中最重要的待測參數是燃燒氣體的馬克斯坦長 度和層流燃燒速率。馬克斯坦長度是一個能定量表征燃燒速率對作用在火焰前鋒 面上

5、局部拉伸的敏感程度的無量綱物理量，它可以解釋火焰淬熄和表征火焰穩(wěn)定 性。在工程應用中，層流燃燒速率是研究有害物質生成機理及理論預測燃燒過程 的基礎。通過研究定容燃燒反應器內球形膨脹火焰的傳播過程能夠確定出甲烷氣體 的馬克斯坦長度和層流燃燒速率的方法。如果甲烷氣體著火后能形成穩(wěn)定的火焰核心，那么該火核會向四周逐步膨 脹。本實驗觀測到，當甲烷/空氣混合氣在定容燃燒反應器中心被點火成功后， 由于已燃混合氣的浮力和電極對火核拉伸的作用，火核形狀并不是標準球形，而是呈準球形向未燃區(qū)膨脹。對于準球形膨脹火焰，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢灾苯佣x為火焰半徑對時間的 變化率：&=強(3.1)dt其中，ru為火焰半徑，

6、t為混合氣被點火成功后的時間。用火焰前鋒面上一個無限小的面積 A的對數對時間t取導數可得到火焰拉伸 率Q ,即：a轉化成與拉伸火焰d ln A dAa =dt A dt對于球形火焰，可以運用球形的面積公式將火焰拉伸率 傳播速度&的關系式:a=4空ru dtru對于表面光滑的穩(wěn)定火焰，通常采用馬克斯坦理論來求解層流火焰的燃燒速率，而此方法對求解火焰前鋒面有胞狀結構的火焰層流燃燒速率不奏效。 比如在 混合氣特別稀和初始壓力比較高時，火焰半徑在未達到25mm時就會出現(xiàn)胞狀結 構，對于出現(xiàn)胞狀結構的點，采用胞狀結構出現(xiàn)之前的最大半徑作為求解該點層流燃燒速率的火焰半徑。因此，在火焰發(fā)展初期定容燃燒反應器

7、內壓力變化非常 小的階段，與火焰前鋒面出現(xiàn)胞狀結構前，球形火焰的拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?和火焰拉伸率a之間存在如下線性關系：S=S-Lba(3.4)其中，Si為無拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俾剩?Sn-a直線在&軸上的截距；Lb為 馬克斯坦長度，它是Sn-a直線的斜率取相反數。當Lb為正值時，則直線斜率為 負值，說明拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S拉伸率的增加而減小， 這將會使火焰鋒面出現(xiàn)凸 起(拉伸增加)部分的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊玫揭种疲鹧鎸②呌诜€(wěn)定；當Lb為負值時，則直線斜率為正值，說明拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S拉伸率的增加而增加， 這將會 使火焰鋒面出現(xiàn)凸起(拉伸增加)部分的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M一步增加，火焰將趨于 不穩(wěn)定。由于火

8、焰前鋒面上滿足質量守恒，有：AfPWi =AfPbS(3.5)其中，Af為火焰前鋒面的面積，Ui為無拉伸層流燃燒速率，Pu為未燃混合氣的 密度，由混合氣初始狀態(tài)得，也為已燃混合氣的密度，通過熱平衡計算可以得到。將式(3.5)整理可得層流燃燒速率的計算式：Uu?1(3.6), u層流燃燒速率是甲烷/空氣混合氣狀態(tài)參數的函數，其特性受未燃氣體溫度、 壓力、當量比以及燃氣物性等變量的影響。 在燃燒過程中，定容彈內的壓力和溫 度必然會升高，因此，要獲得某條件下層流火焰的燃燒速率， 只能在未燃區(qū)氣體 壓力和溫度變化都很小的情況下進行。經過測量封閉空間內球形火焰的燃燒壓力 發(fā)現(xiàn)，當火焰半徑小于25mm時，

9、未燃區(qū)的溫度和壓力變化很小。當火焰半徑大 于6mm時，點火能量對火焰的發(fā)展和傳播不產生影響。因此，要向消除火焰發(fā) 展后期壓力升高的影響和火焰發(fā)展初期點火能量的影響以達到最佳實驗條件，本實驗將選擇火焰半徑G在6mm-25mm范圍內的實驗點對層流燃燒速率進行測量研究。在該火焰范圍內，火焰的輻射損失很少，未燃區(qū)混合氣體近似保持初始狀 態(tài)，已燃混合氣體經歷的是準定壓絕熱燃燒過程。火焰發(fā)展特性典型的火焰發(fā)展特性甲烷/空氣混合氣在定容彈內通過火花點火方式的燃燒過程是非常復雜的， 想要點火成功，必須滿足兩個條件，缺一不可。第一是點火系統(tǒng)提供的能量必須 使小部分的混合氣體迅速升溫，到足以產生連續(xù)火焰。這一過程

10、中火核向外界的 散熱量顯然小于燃燒放出的化學能， 才有可能克服熄火。第二是點火能量要足夠 大以使已經形成的火核具有相當的傳播速度， 并確保火焰能克服作用在火焰前鋒 面上的拉伸應力的影響，從而逐步向外傳播。在初始壓力PU為0.1Mpa、初始溫度Tu為290K、當量比為1.0時，實驗拍攝了一組典型的能夠反映火核成長的紋影照片，見圖3.4。通過照片我們可以看到，混合氣在定容彈內被點火成功后，火核逐漸長大，并以準球形向四周傳播。圖3.4甲烷/空氣混合氣燃燒過程中典型火焰發(fā)展紋影照片火焰的不穩(wěn)定性火焰的不穩(wěn)定性有三種，分別為優(yōu)先擴散不穩(wěn)定性、流體動力學不穩(wěn)定性、 浮力不穩(wěn)定性?；鹧嬖趥鞑ミ^程中受到這三種

11、不穩(wěn)定性的影響會使火焰前鋒面產 生胞狀結構，如圖3.5。由圖可見，由優(yōu)先擴散不穩(wěn)定性引起的火焰胞狀結構和 突起是不規(guī)則的，通常在稀混合氣且馬克斯坦長度小于 0的情況下當火焰半徑較 大時會產生這種現(xiàn)象，而火焰半徑比較小時火焰前鋒面是比較光滑的，通過這些 光滑的點可以得到層流燃燒速率。由流體動力學不穩(wěn)定性引起的火焰胞狀結構是規(guī)則的，而且只有在火焰半徑大于 30mm時這種現(xiàn)象才能被觀察到。研究表明，當火焰半徑小于6mm時，點火能量才對火焰的發(fā)展和傳播產生影響，大于 6mm時，層流燃燒速率在不同點火能量下是基本趨于一致的，同時，當火焰半徑小于25mm時，未燃區(qū)的溫度和壓力變化很小。因此本實驗只選擇火焰

12、半徑幾在 6mm- 25mm范圍內的實驗點對層流燃燒速率進行測量研究，這將排除流體動力 學不穩(wěn)定性對測定層流燃燒速率的影響。 當層流燃燒速率的數值非常小時，已燃 混合氣的密度小于未燃混合氣的密度， 此時由于浮力的作用火核會向上飄， 導致 定容彈腔內上半部火焰大下半部火焰小，這種現(xiàn)象就是由浮力不穩(wěn)定性引起的， 當浮力不穩(wěn)定性很大時火焰還有可能會出現(xiàn) “蘋果”形狀，浮力不穩(wěn)定性在層流 燃燒速率大于0.15m/s不能被觀察出來，而本章所有實驗點所測定的層流燃燒速 率恰好都大于0.15m/s ,所以這也將排除浮力不穩(wěn)定性對測定層流燃燒速率的影響。(a)優(yōu)先擴散不穩(wěn)定性(b)流體動力學不穩(wěn)定性(c)浮力

13、不穩(wěn)定性圖3.5三種不穩(wěn)定性影響下的火焰圖像影響火焰發(fā)展特性的因素當量比的影響在初始溫度Tu為290K、初始壓力R為0.1Mpa、當量比中分別為0.6、1.0、1.4時，實驗拍攝了三組甲烷/空氣混合氣燃燒過程中火焰發(fā)展的紋影照片，如圖3.6所小。(a)=0.6(b)=1.0(c)=1.4圖3.6不同當量比下甲烷/空氣混合氣燃燒過程中火焰發(fā)展的紋影照片從圖中可以觀察到，當甲烷/空氣混合氣的當量比為1.0時，混合氣被點火 成功后火焰前鋒面非常光滑，并以準球形從已燃區(qū)向未燃區(qū)域逐漸傳播。當混合 氣為濃混合氣（9=1.4）或稀混合氣（9=0.6）時，照片中出現(xiàn)了浮力不穩(wěn)定 的現(xiàn)象。這是由于當層流燃燒速

14、率的數值非常小時，火焰?zhèn)鞑ズ苈?，又由于已燃混合氣的密度遠小于未燃混合氣的密度，已燃區(qū)域受到浮力的作用就有足夠時間 表現(xiàn)出來，也就是我們看到圖片中的火核上飄，導致定容彈腔內上半部火焰大下 半部火焰小。初始壓力的影響在初始溫度Tu為290K ,當量比為1.0,初始壓力 R分別為0.1Mpa、0.2Mpa和0.3Mpa的工況下，實驗拍攝了三組甲烷/空氣混合氣燃燒過程中火焰 發(fā)展的紋影照片，如圖3.7所示。(a) PU=0.1Mpa(b) Pu=0.2Mpa(c) PU=0.3Mpa圖3.7不同初始壓力下甲烷/空氣混合氣燃燒過程中火焰發(fā)展的紋影照片在初始溫度為290K、當量比為1.0、初始壓力為0.1

15、Mpa的工況下，火焰在整個發(fā)展過程中，火焰前鋒面始終保持光滑。當初始壓力為0.2Mpa時，從圖3.7(b) 可以看到，在火焰發(fā)展初期，火焰前鋒面是比較光滑的，隨著火核的不斷長大， 火焰表面開始出現(xiàn)一些褶皺和裂紋，并且火焰右表面較為嚴重。當初始壓力升高 至0.3Mpa ,與初始壓力為0.2Mpa的工況相比，胞狀結構提前出現(xiàn)。造成初始壓 力對火焰發(fā)展特性影響較大的因素是：當溫度、當量比為定值時，壓力的改變不會影響路易斯系數，因此熱擴散不穩(wěn)定性對壓力的改變不敏感；流體動力學不穩(wěn)定性與火焰厚度和熱膨脹系數相關，而壓力的升高對熱膨脹系數的影響不是很 大，因此導致流體動力學不穩(wěn)定現(xiàn)象產生的是火焰厚度，火焰

16、厚度隨著壓力的升高而減小，這使得流體動力學不穩(wěn)定性加強。初始溫度的影響在初始壓力R為0.1Mpa ,當量比為1.0,初始溫度Tu分別為290K、320K和350K的工況下，實驗拍攝了三組甲烷/空氣混合氣燃燒過程中火焰發(fā)展的紋影 照片，如圖3.8所示。(a) Tu=290K(b) Tu=320K圖3.8不同初始溫度下甲烷/空氣混合氣燃燒過程中火焰發(fā)展的紋影照片從圖3.8可以觀察到，當初始溫度逐漸升高后，火焰在整個發(fā)展過程中，火 焰前鋒面始終是光滑的，這說明火焰前鋒面的穩(wěn)定性對初始溫度的變化不敏感。 可以解釋為，當初始壓力、當量比為定值時，路易斯系數隨著溫度增加略有減小， 表明熱擴散不穩(wěn)定性對溫度

17、的變化不敏感。溫度升高會減小火焰厚度和熱膨脹系 數，流體動力學不穩(wěn)定性隨著熱膨脹系數的減小而減弱，又隨著火焰厚度的減小而增強，綜合影響的結果就是使溫度的變化對火焰的穩(wěn)定性影響不大。3.5火焰層流燃燒特性通過測量計算紋影照片中各個時刻下的火焰半徑，可以繪制出火核尺寸-時間的曲線，該曲線能夠很好的表征火焰的傳播特性。如前所述，當甲烷 /空氣被 點火成功后，所形成的火核會以準球形向外膨脹， 所以采用準球形的當量半徑作 為火核尺寸。火焰半徑隨著火時刻的變化趨勢當初始壓力PU為0.1Mpa ,初始溫度Tu為290K ,當量比9分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4時，火焰半徑隨著點火成功后著火時刻

18、的變化趨勢如圖3.9所示。=01.05 10 仆1.2=1.40 0102030Time after spark onset / ms圖3.9 Pu=0.1Mpa、Tu=290K時不同當量比下火焰半徑隨著火時刻的變化趨勢從圖可以看到，不同當量比下火焰半徑與著火時刻基本都呈線性增長關系。當量比小于1.0時，火焰半徑的增長速度隨著當量比的增加而迅速加快；當量比 為1.0時，火焰半徑隨時間的增長速度達到最快；當量比大于1.0時，火焰半徑的增長速度隨著當量比的增加而逐漸減慢；當量比為1.4時，火焰半徑的增長速度最慢。當初始溫度為290K ,當量比為1.0,初始壓力R分別為0.1Mpa、0.2Mpa和0

19、.3Mpa時，火焰半徑隨著點火成功后著火時刻的變化趨勢如圖3.10所示。25201510uu1012ppp0.1Mpa0.2Mpa0.3Mpam 嚴Time after spark onset / ms圖3.10 Tu=290K、=1.0時不同初始壓力下火焰半徑隨著火時刻的變化趨勢當初始壓力Pu為0.1Mpa ,當量比9為1.0,初始溫度Tu分別為290K、320K和350K時，火焰半徑隨著點火成功后著火時刻的變化趨勢如圖3.11所示。m252015105024681012Time after spark onset / ms圖3.11 Pu=0.1Mpa、=1.0時不同初始溫度下火焰半徑隨著

20、火時刻的變化趨勢從圖3.11可以看到，在不同初始壓力和不同初始溫度下火焰半徑與著火時刻基本都呈線性增長關系。當初始壓力不斷升高后，九一t直線的斜率有所降低,這說明火焰半徑的增長速度隨著初始壓力的增加而逐漸變緩，火焰?zhèn)鞑ニ俾首兟?；當初始溫度逐漸升高后，火焰半徑隨時間的增長速度稍微有所增加， 但增長 幅度不明顯，這說明火焰半徑隨時間的增長速度對溫度變化不敏感。 此現(xiàn)象從圖 3.8中初始溫度對火焰發(fā)展特性的影響也能看出來。3.5.2拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S火焰半徑的變化趨勢進一步分析火焰半徑對時間的變化率，可得到拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾蔛n ,它是能夠表達火焰半徑隨時間變化更為基礎的特性參數。當初始壓力R為0.1

21、Mpa、初始溫度Tu為290K、當量比中分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4時，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著火焰半徑的變化趨勢如圖3.12所示。6802/ 雪工.一 .一 一 口 ZVG E,101520ru / mm圖3.12 Pu=0.1Mpa、Tu=290K時不同當量比下拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著火焰半徑的變化趨勢從圖3.12可以看出，在甲烷/空氣混合氣當量比分別為1.0、1.2和1.4時， 拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著火焰半徑的增加而增加；當量比為 0.6時，則有所降低； 當量比為0.8時，基本保持不變；同時，當量比為1.0時，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾试诓煌鹧姘霃较碌臄抵稻鶠樽畲?，當量比?.4時其數值則

22、為最小。其中，當火焰半徑小于5mm時，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾示憩F(xiàn)出下降趨勢，這是由于點火能量 的影響。本實驗中，在火焰半徑大于 5mm以后點火能量的影響基本消失。當初始溫度為290K ,當量比為1.0,初始壓力Pu分別為0.1Mpa、0.2Mpa和0.3Mpa時，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著火焰半徑的變化趨勢如圖3.13所小0一 Pu= 0.1MPaP Pu= 0.2MPaPu=0.3MPa1011 15，20幾/ mm2.521s 1.5 . m Sn 10.50圖3.13 Tu=290K、=1.0時不同初始壓力下拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著火焰半徑的變化趨勢當甲烷/空氣混合氣的初始壓力為0.1Mpa和0.2M

23、pa時，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著火焰半徑的增加均略有增加，當初始壓力為0.3Mpa時則基本保持不變，也就是說，隨著初始壓力的增加，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著火焰半徑的增加而增加的 趨勢越來越不明顯，這說明低壓環(huán)境下膨脹火焰的拉伸程度大于高壓環(huán)境下的情 況，在高壓環(huán)境中，火焰?zhèn)鞑r要面臨高的未燃區(qū)域的壓力作用。同時，從圖3.13可以看出，在相同的火焰半徑下，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著初始壓力的升高而 逐漸減小。當初始壓力PU為0.1Mpa ,當量比9為1.0,初始溫度工分別為290K、320K和350K時，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著火焰半徑的變化趨勢如圖3.14所示。101520% / mmI 32.51 s . m

24、 2 n S1.51 1101520% / mm圖3.14 Pu=0.1Mpa、=1.0時不同初始溫度下拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S火焰半徑的變化趨勢從圖3.14可以看出，在不同初始溫度下，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著火焰半徑 的增加均有所增加，。當初始溫度從290K上升到320K時，在相同的火焰半徑下,拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾驶颈３植蛔?；但是，當初始溫度繼續(xù)上升至 350K時，在相 同的火焰半徑下，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾蕝s大幅度增加，同時，其數值在不同的火焰 半徑下均為最大。拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S拉伸率的變化趨勢通過球形火焰擴散理論，可以得到拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c火焰拉伸率之間的關系。在初始壓力R為0.1Mpa ,初始溫度 工為

25、290K ,當量比力分別為0.6、0.8和1.0時，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的變化趨勢如圖3.15所示。圖中直線斜率的相反數是馬克斯坦長度Lb,直線在y軸上的截距是無拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俾蔛l 。1s .1:./S圖3.15Pu=0.1Mpa、Tu=290K時不同當量比下拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的變化趨勢當甲烷/空氣混合氣的當量比為0.8和1.0時，0 a的直線斜率均為負值， 則馬克斯坦長度為正值，說明拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的增加而減慢，同時,當量比為1.0的S a直線的斜率比當量比為0.8的要陡的多，且在y軸上的截 距也大幅度升高，這也說明隨著拉伸率的增加，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆档幂^快，

26、 而無拉升層流火焰?zhèn)鞑ニ俾噬?；當量比?.6時，Sn a的直線斜率為正值，則馬克斯坦長度為負值，說明拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的增加而增加。在初始溫度Tu為290K ,當量比為1.0,初始壓力Pu分別為0.1Mpa、3.16所小。0.2Mpa和0.3Mpa時，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的變化趨勢如圖2.5P u = 0.1MPaPu = 0.2MPaPu = 0.3MPa1-s.m 2Sn1.5200300400500600?/s-1圖3.16 Tu=290K、=1.0時不同初始壓力下拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的變化趨勢從圖中可以看出，在混合氣當量比為1.0、初始溫度為290K時，各個初始

27、壓力下，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的增加均呈現(xiàn)出下降趨勢；初始壓力為 0.1Mpa時，& a直線的斜率最大，且在y軸的截距也最大；隨著初始壓力升 高，Sn-a直線的斜率均為負值且越來越小，在 y軸上的截距也越來越短，這說 明火焰前鋒面的不穩(wěn)定性隨著初始壓力的增加而逐漸增加。在初始壓力PU為0.1Mpa比9為1.0,初始溫度Tu分別為290K、320K和350K時，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的變化趨勢如圖3.17所示。圖3.17 Pu=0.1Mpa、01.0時不同初始溫度下拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的變化趨勢由圖可知，當甲烷/空氣混合氣的當量比為1.0、初始壓力為0.1Mpa時，在不同初始溫度下

28、，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的增加均呈現(xiàn)出下降趨勢，并且 三條Sn- a直線的斜率基本一致，說明火焰前鋒面的不穩(wěn)定性對初始溫度的變化 不敏感；當初始溫度為290K和320K時，兩條直線在y軸上的截距基本一致； 當初始溫度為350K時，其Sn a直線在y軸上的截距增大，這說明當初始溫度 突破某個值以后，甲烷燃料的化學反應速率將隨著初始溫度的增加而加快。馬克斯坦長度隨當量比的變化趨勢馬克斯坦長度Lb是反映火焰前鋒面穩(wěn)定性的參數。當Lb為正值時，S a直 線的斜率為負值，說明拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的增加而減慢，這樣，當火焰的前鋒面出現(xiàn)凸起現(xiàn)象時（拉伸率增加），火焰在凸起部位的傳播速度會被抑 制，

29、使得火焰趨于穩(wěn)定；反之，當Lb為負值時，Sna直線的斜率為正值，說明 拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著拉伸率的增加而加快，當火焰的前鋒面出現(xiàn)凸起現(xiàn)象時（拉伸率增加），火焰在凸起部位的傳播速度會被提升，這將導致火焰的不穩(wěn)定 性增加。在初始溫度Tu為290K ,初始壓力Pu分別為0.1Mpa、 0.2Mpa和0.3Mpa時, 馬克斯坦長度Lb隨當量比的變化趨勢如圖3.18所示。圖3.18 Tu=290K時不同初始壓力下馬克斯坦長度隨當量比的變化趨勢由圖3.18可以看出，在不同初始壓力下，當甲烷/空氣混合氣的當量比由0.6升至1.3時，馬克斯坦長度由負值逐漸變?yōu)檎?，且整體變化趨勢為越來越大，這說明甲烷/空氣混

30、合氣的火焰前鋒面在濃混合氣處比較穩(wěn)定。Markstein和Manton有關層流燃燒火焰穩(wěn)定性的理論可以解釋這一現(xiàn)象，該理論指出，在預 混層流燃燒中，反應物中具有最大擴散系數的組分決定了火焰的優(yōu)先擴散不穩(wěn)定 性，當具有最大擴散系數的組分缺乏時，受到優(yōu)先擴散不穩(wěn)定性影響的預混層流 火焰的前鋒面就會變得不穩(wěn)定。在甲烷/空氣混合氣中，甲烷對 此的擴散系數最 大，當當量比增加時，即混合氣為濃混合氣，此時優(yōu)先擴散不穩(wěn)定性便會減弱， 從而使火焰趨于穩(wěn)定。由此可得出結論：甲烷 /空氣混合氣為濃混合氣時，其火 焰前鋒面比稀混合氣的穩(wěn)定性好。在不同初始壓力下，以=0.9作為分界點，當甲烷/空氣混合氣的當量比大 于

31、等于0.9時，馬克斯坦長度均為正值，表明上述工況下火焰前鋒面的穩(wěn)定性較 好；當G =0.8時，初始壓力為0.1Mpa對應工況下的馬克斯坦長度為正值，此時火焰較為穩(wěn)定，而當初始壓力為0.2Mpa和0.3Mpa時則為負值，此時火焰穩(wěn)定性較差；當混合氣的當量比小于0.8時，不同初始壓力下的馬克斯坦長度均為負值， 且絕對值較大，表明對應工況下的火焰前鋒面的穩(wěn)定性較差；在當量比一定時， 馬克斯坦長度隨初始壓力的增加而逐漸減小，但明顯度不大，說明初始壓力的增加會使火焰前鋒面的不穩(wěn)定性略有增強。在初始壓力R為0.1Mpa ,初始溫度為290K、320K和350K時，馬克斯坦長度隨著當量比的變化趨勢如圖 3.

32、19所示。I10 Tu= 290KTu= 320K口 Tu= 350K8 6 m 4 m Lb 20-20.60.811.2*-4圖3.19 Pu=0.1Mpa時不同初始溫度下馬克斯坦長度隨著當量比的變化趨勢從圖3.19可以看出，與初始壓力的影響比較相似，在不同初始溫度下，當 甲烷/空氣混合氣的當量比由0.6升至1.3時，馬克斯坦長度由負值逐漸變?yōu)檎担艺w變化趨勢為越來越大，這說明甲烷/空氣混合氣的火焰前鋒面在濃混合氣 處比較穩(wěn)定。在不同初始溫度下，以 =0.8作為分界點，當甲烷/空氣混合氣的當量比大于等于0.8時，馬克斯坦長度均為正值，表明上述工況下火焰前鋒面的 穩(wěn)定性較好；當9 = 0

33、.7時，初始溫度為350K對應工況下的馬克斯坦長度為正值， 此時火焰較為穩(wěn)定，而當初始溫度為 290K和320K時則為負值，此時火焰穩(wěn)定 性較差；當6 =0.6時，不同初始溫度下的馬克斯坦長度均為負值，且絕對值較 大，表明對應工況下的火焰前鋒面的不穩(wěn)定性增加；同時，在混合氣為稀混合氣時馬克斯坦長度對初始溫度變化的敏感度較強，而在濃混合氣時則不明顯，這表明了在濃混合氣的條件下初始溫度的變化對火焰穩(wěn)定性的影響非常小。綜上分析可得，影響火焰前鋒面穩(wěn)定性的因素中最明顯的是混合氣的當量 比，初始溫度和初始壓力對火焰的穩(wěn)定性也有影響，但與混合氣的當量比相比， 其二者產生的影響要小得多。無拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S當量比的變化趨勢在初始溫度 工為290K ,初始壓力Pu分別為0.1Mpa 、 0.2Mpa和0.3Mpa時,無拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著當量比的變化趨勢如圖3.20