火焰前鋒面的影響因素及展望

王秉華 孫詠 吳宇超 曹建明

摘 要：火焰燃燒的好壞直接影響排放的高低，火焰前鋒面的影響因素十分復雜，且各因素之間相互關聯、互相影響。因此，研究火焰前鋒面的影響因素顯得十分重要。文章所涉及的影響因素包括：EGR率、湍流強度和火核半徑、混合氣的當量比、混合燃料、路易斯數和火焰前鋒面處密度梯度和火焰前鋒面厚度，并對日后發展做出展望。

關鍵詞：火焰前鋒面;影響因素

中圖分類號：U434+.13 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）10-256-02

Influence Factors and Prospect of Flame Front

Wang Binghua，?Sun Yong，?Wu Yuchao，?Cao Jianming

（?School of Automobile， Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064?）

Abstract：?The quality of flame combustion directly affects the level of emission. The factors affecting the front of flame are very complex， and the factors are interrelated and influence each other. Therefore， it is very important to study the influence factors of flame front. The influencing factors involved in this paper include： EGR rate， turbulence intensity and core radius， equivalence ratio of mixture， mixed fuel， Lewis number， density gradient at front of flame and thickness of front of flame， and the future development is prospected.

Keywords： Frame front; Influence factor

CLC NO.：?U434+.13 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）10-256-02

引言

在環境問題越來越嚴峻的今天，汽車的排放受到更多人的關注。而發動機作為汽車的動力源則是排放的根本所在，火焰燃燒的好壞直接影響排放的高低。汽車發動機絕大多數反應發生在火焰前鋒面處，火焰前鋒面將整個區域分成三部分，分別是已燃區、火焰前鋒面處（反應區）和未燃區，三者熱力狀態分化十分明顯。而火焰前鋒面厚度非常小，難以實際測量，并且火焰前鋒面具有很大的溫度梯度和密度梯度，更加增大了研究的復雜性。本文旨在指出發動機火焰前鋒面的影響因素，從而使發動機的燃燒反應盡力趨于理論的最優點。

1 火焰前鋒面的影響因素

1.1 EGR率

當EGR率為5%增加到10%時，火焰傳播速度減小，自燃現象減輕，自燃點減少。EGR率增加到15%時，火焰前鋒面被稀釋，火焰前鋒面密度減小，自燃點持續下降。EGR率增加到20%時，火焰前鋒面繼續被稀釋，火焰前鋒面密度進一步減小，末端混合氣自燃消失，基本無明顯爆震產生^[1]。因此，隨著EGR率增加，火焰前鋒面被稀釋，火焰前鋒面密度減小，從而減小自燃，降低爆震概率。

1.2 湍流強度和火核半徑

高的湍流強度和小尺寸的湍流能夠有效的促進火焰前鋒面的褶皺程度^[2]。在相同的湍流強度之下，隨著火核半徑的增大，火焰前鋒面的褶皺程度也隨之增大，而褶皺的火焰前鋒面可以增大火焰前鋒面積，從而增強火焰傳播速度。

1.3 混合氣的當量比

隨著混合氣當量比的增加，OH基高濃度分布區域由火焰前鋒面附近轉移到火焰邊緣。當混合氣較稀時，OH基主要分布在火焰前鋒面附近且向已燃區發展，濃度呈現逐步遞減趨勢，此時擴散作用較強，火焰前鋒面燃燒強度較低^[3]。化學當量比條件下，混合氣OH基在火焰前鋒面附近，火焰邊緣區域濃度較高。摻混N₂和CO₂會導致火焰前鋒面拉長，同時OH基濃度在火焰前鋒面處減小，在擴散燃燒區增強，說明火焰的預混燃燒減弱，擴散燃燒增強。

1.4?混合燃料

如麻風樹油替代燃料的混合，當量比為0.7～1.2時，火焰傳播穩定，火焰前鋒面較光滑;當量比增至1.3～1.5時，火焰前鋒面出現大量裂紋，胞狀結構和微型火團。并且火焰傳播速度隨當量比先增加后減小。原因是由于馬克斯坦長度的降低，影響了火焰的穩定性^[4]。而火焰的不穩定性是燃料化學性質的表現形式，會影響火焰前鋒面的結構和火焰前鋒面的傳播速度，也是層流燃燒向湍流燃燒轉變的一個重要原因。

1.5?路易斯數

當質量擴散系數大于熱擴散系數時，即當路易斯數小于1時，由于熱擴散的影響，燃燒會出現不穩定性^[5]。在火焰的傳播和燃燒過程中，原本光滑平整的火焰前鋒面上會出現裂紋、褶皺和微型火團。

1.6?火焰前鋒面處密度梯度和火焰前鋒面厚度

火焰前鋒面處密度梯度，與火焰前鋒面兩側的已燃氣和未燃氣的密度比成正相關關系^[6，7]。火焰前鋒面兩側的已燃氣和未燃氣的密度比越大，密度梯度越大，而火焰前鋒面處密度梯度增大會導致流體力學不穩定性的增大，進而使火焰的穩定性降低，火焰前鋒面會出現裂紋，當火核半徑比較大時，影響效果更加明顯。同時流體力學不穩定性與火焰前鋒面厚度成負相關關系，即火焰前鋒面厚度越小，密度梯度會越大，流體力學不穩定性的增大，進而使火焰的穩定性降低。

2?展望

經過前文的介紹相信讀者對火焰前鋒面的影響因素有了比較深刻的認識，但文中影響因素都是單一作用且沒有具體的量化，只對火焰前鋒面的發展趨勢加以描述。因此，接下來應該分為兩個方面：一者，制造合適的實驗條件，盡量降

低其它因素的影響，對單一因素對火焰前鋒面進行細致的研究，力求量化。二者，因為在實際汽車正常行駛過程中，是多種影響因素共同作用的結果，且影響因素之間也會互相影響。故在第一步的基礎上，綜合各因素全面考慮其對火焰前鋒面的影響，進行影響因素之間的耦合，從而得出可以指導實踐的有用理論。

3 結論

（1）隨著EGR率增加，火焰前鋒面被稀釋，火焰前鋒面密度減小。

（2）在相同的湍流強度之下，隨著火核半徑的增大，火焰前鋒面的褶皺程度也隨之增大，傳播速度增加。

（3）隨著混合氣當量比的增加，混合氣由較稀增加到化學化學當量比時，火焰前鋒面濃度和燃燒強度持續增加。

（4）混合燃料（如麻風樹油）的增多，火焰前鋒面由光滑變的出現大量裂紋，胞狀結構和微型火團。

（5）當路易斯數小于1時，燃燒會出現不穩定性，原本光滑平整的火焰前鋒面上會出現裂紋、褶皺和微型火團。

（6）火焰前鋒面處密度梯度越大，流體力學不穩定性的增大，進而使火焰的穩定性降低，火焰前鋒面會出現裂紋、胞狀結構和微型火團。當火核半徑比較大時，影響效果更加明顯。同時火焰前鋒面厚度越小，密度梯度會越大，流體力學不穩定性的增大，進而使火焰的穩定性降低。

參考文獻

[1] 謝天馳.EGR對高壓縮比汽油機爆震影響規律研究[D].吉林：吉林大學.2019.

[2] 蔣德明，劉亮，楊迪.定容燃燒彈中火核生成及初期發展的數值模擬[J].內燃機學報.Vol.16（1998）No.4.

[3] 衛之龍，王金華，舒新建，等.合成氣預混層流火焰結構的實驗和數值研究[J].西安交通大學學報.Vol.48No.4.Jul.2014.

[4] 吳宗霖，馬洪安，付淑青，劉宇，曾文.麻瘋樹油/RP-3航油混合燃料燃燒特性實驗研究[J].推進技術.Vol.40No.10.Oct.2019.

[5] 暴秀超，劉福水，孫作宇.預混火焰胞狀不穩定性研究[J].西華大學學報.Vol.33.No.1.Jan.2014.

[6] Darrieus G.?Propagation D'un Front de Flamme[J].La Tech-nique Moderne，1938，30： 18.

[7] Landau L D.On the theory of slow combustion[J].Acta Phys-?icochim，1944，19： 77 -85.