氫氣定容燃燒的實驗研究＊

暴秀超，劉福水，陳 超

（1.西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都610039；2.北京理工大學機械與車輛工程學院，北京100081）

氫氣作為21世紀理想的替代能源，在工業(yè)發(fā)展中起著越來越重要的作用。但由于氫氣點火能量低、燃燒速度快、著火范圍廣等特性，很容易在運輸和存儲的過程中被引燃，也就是發(fā)生定容燃燒（定容爆炸），這是制約氫氣利用的一個很嚴重的安全隱患［1－2］。此外，對于氫氣內燃機而言，氫氣定容燃燒特性是氫內燃機設計和性能預測的基礎，因此，研究氫氣定容燃燒非常必要。國內外研究者對此也做過一定的研究，但他們主要的研究內容是常溫常壓下不同濃度氫氣燃燒極限及燃燒爆壓，而對于較高溫度、較高壓力、大范圍燃空當量比（燃燒前氫氣的配比）下的氫氣定容燃燒特性數(shù)據(jù)不足，燃燒過程的整體分析還處于空白［3－5］。本文中擬在大范圍調節(jié)初始壓力、初始溫度、燃空當量比的條件下，分析氫氣定容燃燒時的壓力變化過程，揭示爆壓及爆炸常數(shù)的變化規(guī)律。

1 實驗設備

實驗設備由球形定容燃燒彈、紋影光路系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)等6個部分組成，如圖1所示。其中球形定容燃燒彈的內徑為400mm，在相對應的兩側安裝有直徑100mm的精加工的光學石英玻璃，為紋影法提供必要的光學通道，其通道直徑為76mm，燃燒彈內布置中心電極由點火系統(tǒng)來點燃可燃氣。紋影光路系統(tǒng)布置成Z形，2個主反射鏡直徑為100mm，焦距為100cm。利用低壓傳感器來較精確的測量配氣分壓，其量程可調，精度達100Pa。高速攝像機為TRI公司的Phantom v7.3，拍攝速度最高為2×105s－1。壓力數(shù)據(jù)采集使用Kistler公司的石英壓電傳感器和NI公司的PCI－6133數(shù)據(jù)采集卡。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 壓力變化過程

火焰在定容燃燒時，如果假設系統(tǒng)絕熱，火焰燃燒時的壓力升高比即為燃燒質量比。因此，壓力數(shù)據(jù)可以一定程度上反映燃燒的過程。理論上，在氣體絕熱定容燃燒過程中隨著燃燒的不斷進行壓力也不斷穩(wěn)步升高，而當燃燒結束時壓力將保持不變［6］。在實際的定容燃燒系統(tǒng)中傳熱是不能避免的，在火焰沒有到達壁面以前，傳熱過程都是從未燃氣傳向壁面，因此傳熱量很小，且由于未燃區(qū)的溫度隨著燃燒的進行不斷的升高使得傳熱量也相應有所增加，當火焰到達壁面后已燃氣直接向壁面?zhèn)鳠幔捎谝讶細鉁囟雀撸詡鳠崃枯^大。

實際定容燃燒的壓力變化過程如圖2所示，圖中顯示了初始溫度為300K、初始壓力為0.3MPa、燃空當量比為0.6工況下氫氣定容燃燒過程的壓力曲線。變化過程可總體概括為：壓力先保持不變，而后不斷增加，在達到峰值前后壓力升高量較小，最后壓力較線性的降低，并且在壓力升高的中后期出現(xiàn)壓力波動。結合燃燒過程對此燃燒壓力曲線分析得：火花跳火后可燃混合氣開始燃燒，由于點火擊穿電壓較高對壓力信號會有短暫的干擾；在火焰燃燒初期（圖上時間軸0～6ms對應的壓力線），燃燒鋒面從點燃源不斷的向外增大，并且邊燃燒邊膨脹，但由于此時已燃混合氣占總氣體的比例很小使得未燃氣體被壓縮量幾乎可以忽略不計，壓力也幾乎不變，因此可以看作等壓燃燒階段；隨后，壓力不斷增加（圖上時間軸6～25ms對應的壓力線），火焰也是邊燃燒邊膨脹，但由于已燃氣體占總體積的比重加大，使得未燃氣體在燃燒前被壓縮，即未燃氣體的壓力和溫度得到了增加，此外還可以很明顯的看出此壓力線大約在19ms時刻不再光滑而是出現(xiàn)了高頻振蕩，且隨著燃燒的進行有振幅加強的趨勢；而后，壓力曲線經(jīng)歷了峰值附近變動較小階段，此時火焰的膨脹速度很小，在燃燒完成時膨脹速度降為零，如果不考慮傳熱，壓力的峰值點便為燃燒的終止點。但由于火焰不穩(wěn)定的影響，火焰鋒面不能同時到達壁面，使得最后的火焰燃燒面積越來越小，再加上此時的傳熱量很大，所以通常會使得燃燒終點在壓力峰值點之后；最后，在燃燒完以后，壓力曲線出現(xiàn)了線性的降低階段（圖上時間軸大約37ms以后對應的壓力線），這是由于已燃氣的向外傳熱而使自身受到冷卻引起的。

圖2 氫氣定容燃燒時燃燒壓力隨時間的變化Fig.2 Combustion pressure varied with time under constant volume of hydrogen

圖3 不同體積分數(shù)的氫氣燃燒壓力隨時間的變化Fig.3 Combustion pressure varied with time under different volume fractions

圖3顯示了初始溫度為300K、初始壓力為0.2MPa工況下不同體積分數(shù)氫氣燃燒的壓力曲線。由于體積分數(shù)的不同，相應的火焰燃燒速度有很大不同，反應在壓力曲線上表現(xiàn)為燃燒持續(xù)時間（忽略傳熱，燃燒持續(xù)時間為從燃燒開始到升高到壓力最大值的過程）的不同，但發(fā)展趨勢是較一致的，都是從開始的火花跳火干擾到平穩(wěn)的等壓燃燒，再到壓力的慢速和快速增加，在燃燒的中后期會出現(xiàn)壓力振蕩，最終達到完全燃燒，因此也可以稱為中心點火定容燃燒的壓力變化過程，在不同工況壓力振蕩的起始點相對于其本身的燃燒階段有所差異。

3 爆壓變化規(guī)律

燃燒爆壓是指在燃燒過程中壓力達到的最大壓力值，圖4所示為燃燒爆壓隨燃空當量比φ的變化曲線。在非燃燒極限工況下，隨著燃空當量比的增加燃燒爆壓先增加后減小，常溫常壓下最大燃燒爆壓約為0.74MPa，出現(xiàn)在約為理論燃空當量比的工況下，且不隨初始壓力溫度的變化而變化。這是因為在相同初始壓力和溫度情況下只有在理論燃空當量比時可燃的氫氣量最大。隨著溫度的增加燃燒爆壓和最大燃燒爆壓都減小，這同樣也可以從燃燒氫氣量上來解釋，對于壓力和體積相同的可燃氣，溫度越高氣體質量越少，燃燒放出的熱量也就越少，所以燃燒爆壓也就越低。隨著壓力的增加燃燒爆壓隨之增加，且隨著初始壓力的升高燃燒爆壓幾乎線性增加，這主要還是因為初始溫度不變的情況下可燃氫氣量隨著壓力的增加線性增加。

圖4 燃燒爆壓隨燃空當量比的變化曲線Fig.4 Combution－explosion pressure varied with equivalence ratio

圖5 實驗值與計算值對比Fig.5 Comparison of combution－explosion pressure between experiment and calculation

圖5所示為初始溫度為300K、初始壓力0.1MPa下燃燒爆壓的實驗值與絕熱化學平衡法計算值的對比，在燃空當量比為0.8～4.0之間兩者的比值為約90%，最大值出現(xiàn)在燃空當量比為約1.4，這說明此燃空當量比下燃燒與放熱的損失（燃料的不完全燃燒與傳熱的和）相對于理論燃燒放熱總量較小；反之，在實驗值與計算值的比值較小時，說明對應工況的燃燒與放熱損失相對于總放熱量較大。

4 爆炸常數(shù)變化規(guī)律

燃燒爆炸常數(shù)K定義為壓力上升速率與燃燒容積立方根的乘積，所以燃燒爆炸常數(shù)與壓力上升速率的變化規(guī)律一致，只是數(shù)值上相差固定的倍數(shù)而已，因此可以用爆炸常數(shù)來反應壓力上升的變化規(guī)律。圖6為燃燒爆炸常數(shù)的變化曲線。

圖6 爆炸常數(shù)隨燃空當量比的變化曲線Fig.6 Explosion constant varied with equivalence ratio

隨著燃空當量比的增加，燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）先增加后減小，最大燃燒爆炸常數(shù)（最大壓力上升速率）出現(xiàn)在燃空當量比約為1.4的工況下，幾乎不隨初始壓力和溫度的變化而變化。這是因為在只改變體積分數(shù)的情況下，壓力上升速率主要由火焰速度和可燃氫氣密度決定。文獻［7］已經(jīng)介紹過氫氣的最大層流火焰速度出現(xiàn)在燃空當量比約為1.7左右，但由于火焰在燃燒過程中達到胞狀不穩(wěn)定以后火焰將出現(xiàn)不斷的自加速，且在本文中定容燃燒爆炸特性實驗所測工況內隨著燃空當量比的減小加速作用增強，所以最大火焰速度對應的燃空當量比要較1.7小。另外，可燃的氫氣密度（單位體積內可燃的氫氣質量）也對壓力上升速率有影響，可燃的氫氣密度加大會使得燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）有所增加，在理論燃空當量比附近可燃的氫氣密度最大，所以最大燃燒爆炸常數(shù)會出現(xiàn)在比火焰速度最大工況稍偏向理論燃空當量比的時候，所以最終表現(xiàn)為最大燃燒爆炸常數(shù)（最大壓力上升速率）出現(xiàn)在燃空當量比為1.4的工況下。

隨著溫度的增加可燃氫氣密度線性下降，火焰速度隨溫度的升高而升高，兩者共同作用的結果為：在燃空當量比小于2.5時，燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）隨溫度升高而減小，即火焰速度的升高作用不足以抵消可燃氫氣密度的下降作用；在燃空當量比大于2.5時，則正好相反，表現(xiàn)為燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）隨著溫度的升高而增加，即火焰速度的升高作用大于可燃氫氣密度下降的作用。

火焰速度隨壓力的變化比較復雜。在實驗所測范圍內，文獻［7］得出氫氣的層流燃燒速度在燃空當量比介于1.2～2.2之間時隨著壓力的增大而增大，其它工況隨著壓力的增大而減小。文獻［8］中得出隨著壓力的增加火焰自加速特性增強。因此，綜合兩因素的影響可得：火焰速度隨著初始壓力的增加而增加的燃空當量比范圍大于1.2～2.2。再加上隨著壓力的升高可燃氫氣密度線性增加，使得燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）隨初始壓力增加而增加的范圍大大超于火焰速度如此變化的范圍，最終表現(xiàn)為約在燃空當量比小于4.0各工況的燃燒爆炸常數(shù)（壓力上升速率）隨初始壓力的升高而增加，而燃空當量比大于4.0的工況隨著初始壓力的升高而有所下降。

將常溫常壓下燃燒爆炸常數(shù)的實驗結果與D.J.Young等［4］、V.Schroeder等［9］的研究結果進行對比對比，如圖6（c）所示，在較低和較高體積分數(shù)時三者的結果一致，在中等濃度時本文的實驗結果與D.J.Young等［4］的較一致，只是在最大燃燒爆炸常數(shù)值上有稍稍的不同，本實驗測得的最大燃燒爆炸常數(shù)約為91MPa·m／s，對應的燃空當量比約為1.4。V.Schroeder等［9］的測量值在中等燃空當量比時偏低，對應的燃空當量比也偏大。

5 結 論

通過定容燃燒彈和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研究了氫氣定容燃燒時的壓力變化過程，可彌補氫氣定容燃燒過程整體分析的空白；揭示了爆壓及爆炸常數(shù)的變化規(guī)律，為更好利用氫能提供一定的依據(jù)及基礎數(shù)據(jù)。其得出的主要結論如下：

（1）中心點火定容燃燒的壓力變化過程為：從開始的火花跳火干擾到平穩(wěn)的等壓燃燒，再到壓力的慢速和快速增加，在燃燒的中后期會出現(xiàn)壓力振蕩；

（2）在非燃燒極限工況下，隨著燃空當量比的增加氫氣的燃燒爆壓及爆炸常數(shù)都是先增加后減小；

（3）隨著初始壓力的升高氫氣燃燒爆壓幾乎線性增加；爆炸常數(shù)在燃空當量比小于4.0時隨初始壓力的升高而增加，而燃空當量比大于4.0時隨著初始壓力的升高而有所下降；

（4）隨著溫度的增加氫氣燃燒爆壓和最大燃燒爆壓都減小；在燃空當量比小于2.5時，燃燒爆炸常數(shù)隨溫度升高而減小，在燃空當量比大于2.5時，則正好相反。

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