O₂/CO₂气氛下CH₄/H₂/空气层流预混火焰传播特性

Flame Propagation Characteristics of CH₄/H₂/Air Laminar Flow Premix Under O₂/CO₂ Atmosphere

摘要

利用本生灯-纹影实验系统及Premix模型，系统研究了O₂/CO₂气氛下不同掺氢比掺氢燃气层流预混火焰传播特性.研究发现，GRI3.0机理能较准确预测高含氧量及高掺氢比下掺氢燃气层流火焰传播速度；在O₂/CO₂气氛下，掺氢燃气的层流火焰传播速度随着掺氢比的增加显著加快，且速度峰值向富燃侧移动；同时，预混燃气的绝热火焰温度及层流火焰传播速度随含氧量增加而逐渐升高；随着含氧量增加，火焰中大量存在的H自由基能够促进氧化反应H+O₂=O+OH的进程，进而提高了预混燃气层流火焰传播速度.

Abstract

The laminar premixed flame propagation characteristics of hydrogen-enriched gas with different hydrogen mixing ratios in an O₂/CO₂ atmosphere were systematically studied using a Bunsen burner-schlieren experimental system and the Premix model. The results show that GRI3.0 mechanism can provide accurate predictions of the laminar flame propagation velocity of mixtures under high hydrogen mixing ratios and high O₂ concentrations atmosphere. With the increase of hydrogen mixing ratios， the laminar flame propagation velocity of mixtures increase significantly at O₂/CO₂ atmosphere. The peak values of laminar flame propagation velocity slightly shift to the fuel-rich side. Meanwhile， the adiabatic flame temperature and laminar flame propagation velocity of mixtures gradually increase as the O₂ concentration increases. With the increase of O₂ concentrations， the large number of H radicals enhance the dominant promotion of H+O₂=O+OH， which contributes to the increase of the laminar flame propagation velocity of mixtures.

Graphical abstract

关键词

层流火焰 / 富氧燃烧技术 / 含氧量 / 化学动力学 / 掺氢比

Key words

laminar flame / oxygen-rich combustion technology / O₂ concentration / chemical kinetics / hydrogen mixing ratios

作为一种新型清洁替代能源，掺氢天然气能有效改善传统天然气可燃极限范围窄、燃烧速度慢等问题，且利用风电、光电生产富余电力制氢，送入天然气管道供给使用是改善能源利用率的重要途径^［1］.但由于氢气具有密度和点火能低、单位质量热值高等特征^［2］，使得掺氢燃气（掺氢燃气是指以天然气为基气，掺入氢气的混合气）在生产、运输及使用中的火灾爆炸危险性增大.O₂/CO₂燃烧技术作为近年极具应用前景的碳减排技术，其应用逐渐从燃煤、电站、锅炉扩展到钢铁、电力等燃气设备，有利于实现掺氢天然气的安全输运及稳定燃烧^［3］.O₂/CO₂燃烧技术利用纯氧作为氧化剂，循环烟气作为稀释气体，能够非常容易地从主要燃烧产物中分离出CO₂，完成CO₂的捕集，减少CO₂等温室气体排放并降低碳捕集成本.与空气助燃条件相比，O₂/CO₂燃烧过程中存在较高体积分数的CO₂，使燃料预混燃烧反应热力学、化学动力学以及质量输运过程等发生显著变化.有研究发现，在O₂/CO₂气氛下，氧气体积分数达到30%~40%时，燃料燃烧效率较高^［4］.为保障O₂/CO₂燃烧技术下掺氢燃气能源大规模安全储运，深入研究其预混燃烧特性具有重要意义，而火焰传播特性是其中最重要的内容.作为能够综合表征燃料热力学、扩散以及化学动力学特性的物化参数，层流预混火焰传播速度不仅可以作为用来防止燃料不完全燃烧，指导燃烧器安全高效设计的重要参数^［5］，还能够帮助研究、发展和校核燃料燃烧化学反应动力学机理.因此，开展掺氢燃气在O₂/CO₂气氛下预混火焰传播特性的研究，能为掺氢燃气能源燃烧利用及O₂/CO₂燃烧技术发展提供实验基础及科学依据.

近年来，学者们对空气条件下掺氢燃气预混燃烧特性进行了大量研究，Shang等^［6］研究了含有CO₂和N₂稀释组分的H₂/CH₄层流火焰速度，发现在低掺氢比下，掺氢燃气层流火焰速度随着掺氢比增加线性增长；Li等^［7］采用平焰法结合粒子图像测速（PIV）系统测量掺氢燃气层流火焰特性，研究了掺氢比对CH₄，C₂H₆和丙烷层流预混火焰传播速度的影响，发现随着掺氢比的增加，其层流火焰传播速度近似线性增加；Duan等^［2］利用Chemkin模拟软件研究稀释气体和氢气富集对预混CH₄/空气的影响，发现随着掺氢比的增加，CH₄/H₂的绝热火焰温度及层流火焰传播速度也都增加.此外，随着富氧燃烧技术的发展及应用，学者们对O₂/CO₂气氛下单组分燃气燃烧特性也开展了相关研究.Tan等^［4］通过实验和数值模拟研究发现高含量的CO₂降低了气体燃料的燃烧温度，提高CO₂气氛下燃烧的含氧量得到了与N₂气氛下相同的燃烧温度；Wang等^［8］使用热通量法测量高压下CH₄/O₂/N₂和富氧下CH₄/O₂/CO₂火焰的层流燃烧速度，发现当CO₂体积分数变化时，绝热火焰温度对层流燃烧速度有主要影响，当压力增加时，绝热温度与层流燃烧速度之间的相关性减弱；Konnov等^［9］选取了C₂H₆和CH₄在O₂/CO₂气氛下进行燃烧实验，发现含氧量与火焰传播速度呈正相关；Song等^［10］对富氧条件（CO₂体积分数为50%~80%）下的CH₄层流火焰传播速度进行了实验，认为CH₄在氧气体积分数为36%条件下的绝热火焰温度与在空气氛围下的绝热火焰温度一致；Xie等^［11］测试了CH₄在O₂/CO₂气氛下的层流火焰传播速度，认为O₂/CO₂气氛通过改变火焰温度改变了层流火焰传播速度；Liu等^［12］通过Chemkin模拟计算了CH₄在O₂/CO₂气氛下的燃烧过程，发现与O₂/N₂气氛相比，在O₂/CO₂气氛下燃烧火焰传播速度显著变慢.

综上，虽然对富氧燃烧技术下掺氢燃气火焰传播特性进行了大量研究，但燃料掺氢范围较小，且富氧条件下的研究多集中在单组分燃气燃烧特性上.为此，本文利用本生灯-纹影系统，研究了常温常压下，O₂/CO₂气氛下不同掺氢比掺氢燃气层流预混火焰速度变化规律，其中含氧量（X{}_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}）为0.21~0.5，掺氢比（X{}_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}）为0~0.75，当量比为0.6~1.8；并利用Chemkin模拟计算，探究O₂/CO₂气氛下含氧量对掺氢燃气层流火焰传播特性的影响机制.

1 实验及数值模拟方法

1.1 实验系统

本文利用本生灯-纹影系统研究不同条件下掺氢燃气层流预混火焰传播速度.实验系统主要由纹影成像系统、配气系统及本生灯燃烧器等组成.具体实验系统图见文献［6］.其中，配气系统主要由燃气瓶、混气罐、质量流量计和球阀组成.实验中CH₄，H₂，CO₂和O₂的纯度均为99.99%，质量流量计控制器均为D07系列，该系列流量计具有较高的精确度，流量分别为1，2，5和10 L/min.与质量流量计控制器配套的D08系列流量显示仪控制气体流量，该显示仪上设有调节旋钮、数字显示屏，以及调零、关阀和开启3个功能控制开关.实验前需保证整个配气系统的密闭性良好，各气体计算公式如下.

掺氢比X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}计算式为

X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}=\frac{x_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}}{x_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}+x_{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}}}.

式中：x_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}表示混合燃料中H₂的摩尔分数；x_{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}}表示混合燃料中CH₄的摩尔分数.

含氧量X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}计算式为

X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}=\frac{x_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}}{x_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}+x_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}}.

式中：x_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}表示混合气体中O₂的摩尔分数；x_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}表示混合气体中CO₂的摩尔分数.

当量比ϕ表示为

ϕ=r/r_st.

式中：r为燃空比，r=m_F/m_A，m_F表示燃料的质量，m_A表示氧化剂（通常是空气）的质量；r_st表示标准状态下燃空比.

层流火焰传播速度为

v_{\mathrm{u}}^{\mathrm{0}}=\frac{Q}{A_{\mathrm{u}}}.

式中：Q为气体总流量，L/min；A_{\mathrm{u}}为未燃侧火焰表面积，m².

未燃侧火焰表面积A_u由MATLAB计算得到.具体图像处理过程及详细的实验系统描述可参考文献［6，13］.

为保证能在各工况下得到火焰高度合适且准确的锥形火焰，本文使用的本生灯管采用内径为6~8 mm，长度为800 mm的内外壁均光滑的不锈钢管.经计算，本生灯管的长度大于管径的50倍以上^［14］，实验工况下预混燃气雷诺数（Re）均在800~1 400之间，可以保证管内气体的充分预混并能变为层流状态^［13］.为保证实验的安全，预防回火等危险事故发生，特在本生灯管下端不同位置连接了3个单向阀.纹影成像系统主要由光源、凹面镜和摄像机构成，采用的凹面镜直径为200 mm，焦距为2 000 mm.纹影技术是将气流密度的变化转化为该流场中相对光强的变化，将流场中气流密度变化梯度较大的区域转变为可进一步观察测量的图片.测试系统将光源射出的平行光，通过凹面镜折射成“Z”字型光路，将本生灯火焰放置在“Z”字型光路中央，“Z”字型光路终端通过刀口将部分折射光遮蔽后，调整成像的明暗分布，使摄像机能拍摄出清晰的火焰纹影图片.火焰图像测量及详细处理过程见文献［13］.

为了验证实验系统的可靠性，利用本实验方法，在初始温度为300 K、初始压力为1 MPa的条件下测量了纯CH₄在O₂/CO₂气氛下的层流火焰传播速度，并与文献［11，15］有效数据进行了对比.

图1给出了实验工况下，纯CH₄层流火焰传播速度实验测试结果以及先前文献报道的纯CH₄的层流火焰传播速度数据，ϕ为0.6~1.4.从图中可以看出，先前文献中报道的纯CH₄层流预混火焰传播速度峰值在15.02~19.76 cm/s.在本实验中，测得纯CH₄的层流火焰传播速度在当量比为1.0的条件下达到峰值，为16.95 cm/s，在文献报道的范围内，说明本实验所测得的数据与已有文献数据具有良好的一致性.

1.2 数值模拟方法

本文采用Chemkin模拟软件的Premix模型^［13］模拟计算不同初始条件下掺氢燃气层流预混火焰传播特性.模型假设火焰传播过程是稳态、绝对、准一维的，其控制方程主要有一维自适应连续性方程、能量守恒方程、组分守恒方程以及理想气体状态方程.

由于掺氢燃气中的主要组分H₂扩散系数远大于其他碳氢燃料，为保证高掺氢比工况计算结果的准确性，扩散速度的计算使用完整的Multi-component模型，并选用Soret效应.为提高计算速度并使其收敛，数值模拟过程中的火焰反应区域内网格数设置为800~3 000，自适应网格计算区域范围为10 cm.GRI3.0和USC2.0是本文使用的两个重要机理，两者都可用于模拟C/H化合物的燃烧特性，但后者更适用于H₂/CO/C₁~C₄（C₁~C₄代表含1~4个碳原子的碳氢化合物）燃气研究，基于H₂/CO燃烧、GRI1.2/GRI3.0机理、C₂H₄/C₂H₂综合反应和C₃燃料燃烧等，对CO+OH，OH+HO₂，CO+HO₂的速率参数进行了更新，共包含112个组分、784个化学反应.GRI3.0机理被公认为是解决CH₄和合成气燃烧问题最权威的机理，其可捕捉混合气在974~1 160 K和0.11~0.26 MPa下的燃烧参数，包含35个组分和217个化学反应^［16］.

2 结果与讨论

2.1 掺氢燃气在O₂/CO₂气氛下的层流预混火焰传播速度

利用实验系统研究了O₂/CO₂气氛下，不同掺氢比掺氢燃气的层流火焰传播速度.图2给出了常温常压下纯CH₄在当量比为0.6~1.8，X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}为0.21~0.5的层流火焰传播速度，并选用GRI3.0和USC2.0机理模拟计算对应工况下的掺氢燃气层流预混火焰传播特性.从图2可以看出，纯CH₄在X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}为0.3，0.4及0.5时层流火焰传播速度随着当量比的增大呈现先增大后减小的趋势，层流火焰传播速度的峰值分别为16.99，43.72，76.24 cm/s.

图3测试了常温常压条件下X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}为0.3时，当量比为0.6~1.8，X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}在0~0.75的层流火焰传播速度.从图3中可以看出，X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}为0.3时，在同一X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}下，预混燃气层流火焰传播速度随着当量比的增大而先增大后减小，且层流火焰传播速度峰值向当量比较大的方向偏移；当X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}分别为0.25和0.75时，预混燃气层流火焰传播速度分别在当量比为1.0和1.2时达到峰值，分别为20.82和52.48 cm/s；此外，预混燃气的层流火焰传播速度还随着X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}的增大而增大，当掺氢比较小（X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}<0.5）时，在相同当量比条件下，预混燃气的层流火焰传播速度随X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}的变化不显著，如当量比为1.0时，当掺氢比从0.25升至0.5时，层流火焰传播速度由20.82 cm/s升至29.12 cm/s，增幅为39.87%；而当掺氢比较大（X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}>0.5）时，在当量比相同的条件下，随着X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}的变化预混燃气的层流火焰传播速度提高更显著，如当量比为1.0时，当X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}从0.5升至0.75时，层流火焰传播速度由29.12 cm/s升至48.52 cm/s，增幅为66.62%.

通过将实验数据与GRI3.0机理和USC2.0机理模拟数据对比可以发现，当X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}为0.3时，GRI3.0机理的误差为0~13%，USC2.0机理的误差为3%~25%；当X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}为0.4时，GRI3.0机理的误差为1%~17%，USC2.0机理的误差为0~26%；当X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}为0.5时，GRI3.0机理的误差为1%~4%，USC2.0机理的误差为0~15%.因此，实验数据与GRI3.0机理模拟所得到的数据吻合得更好.

绝热火焰温度（T_f）作为重要的热力学参数之一，可用来分析整体燃料的燃烧特征，也会影响层流火焰传播速度^［8］.经计算，发现实验工况下掺氢天然气的绝热火焰温度随X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}的增加而增加，在相同X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}、不同X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}条件下（0~0.75），绝热火焰温度均会随着当量比在0.6~1.8范围内增加而呈现先增加后减小的趋势，最大值出现在当量比1.0~1.2之间，与层流火焰传播速度变化趋势相同.此外，X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}的变化也会显著影响掺氢燃气预混燃烧化学动力学过程.随着X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}的增加，体系中H自由基的摩尔分数逐渐增加，在富燃时（ϕ>1）燃料较多，氧化剂较少，在贫燃时（ϕ<1）燃料较少，氧化剂较多，主导氧化反应H+O₂=O+OH促进作用和H+O₂+H₂O=HO₂+H₂O，H+HO₂=O₂+H₂反应的抑制作用与X{}_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}分别呈正相关，体系内的CH₃自由基在贫燃时逐渐减少，H+CH₃（+M）=CH₄（+M）（反应式中M代表第三体，本身不直接参与化学反应的化学计量过程，但通过与反应物分子碰撞，起到传递能量的作用）反应的反应速率会降低.因此，在当量比不变的情况下，预混燃气层流火焰传播速度随着X{}_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}的增加呈现出上升的趋势.此外，体系中的含氧量也会显著影响预混燃气的绝热火焰温度和层流火焰传播速度.

2.2 O₂/CO₂气氛下含氧量的影响

O₂/CO₂气氛下燃烧与传统空气燃烧相比存在较大差异，这是因为空气主要由O₂和N₂组成，因此两者的主要区别是CO₂与N₂对预混燃气有着不同的稀释作用.在相同稀释比例条件下，与N₂相比，CO₂稀释时，预混燃气绝热火焰温度下降得更显著.N₂对预混燃气的稀释作用主要是受热力学效应影响，而CO₂对预混燃气的稀释作用，不仅受热力学效应影响，还会受化学动力学效应的影响.火焰中重要的H自由基的摩尔分数随着CO₂体积分数的增加而减少，进而抑制了氧化反应H+O₂=O+OH对燃烧的主要促进作用，使得预混燃料的层流火焰传播速度显著降低^［17］.图4给出了常温常压条件下，当量比为1.0时X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}为0~0.5，X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}为0.21~0.5条件下的层流火焰传播速度.

由图4可以看出，在不同当量比和不同X{}_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}的条件下，预混燃气层流火焰传播速度都随着X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加而增加.在当量比为1.0，X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}=0的条件下，当X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}由0.3升至0.4时，层流火焰传播速度由16.99 cm/s升至43.72 cm/s；当X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}由0.4升至0.5时，层流火焰传播速度由43.72 cm/s升至76.24 cm/s；在X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}=0.5的条件下，当X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}由0.3升至0.4时，层流火焰传播速度由29.19 cm/s升至68.96 cm/s.同一工况条件下，在当量比为1.0时，当X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}由0上升至0.25，在不同的含氧量条件（X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}分别为0.3，0.4和0.5）下，层流火焰传播速度的增幅在20%附近；当X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}由0.25上升至0.5，在不同的X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}条件下，层流火焰传播速度的增幅在30%~40%.

观察实验数据可以发现，在不同X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}条件下预混燃气层流火焰传播速度随X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}变化符合二次函数变化规律，因此对数据进行了二次函数拟合.表1给出了当量比为1.0时，不同X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}条件下，层流火焰传播速度随X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的二次函数拟合关系式及拟合优度R²计算值.

从表1中可以看出，实验工况的二次函数拟合R²计算值均为0.99，说明层流火焰传播速度与X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}具有较高的二次函数相关性.由此可见各工况下的预混燃气层流火焰传播速度呈现二次函数上升趋势.

2.2.1 含氧量对预混燃气绝热火焰温度的影响

为研究X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}对预混燃气层流火焰的热力学效应影响，图5给出了常温常压下，X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}=0.5时预混燃气在不同X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}下的绝热火焰温度；图6给出了常温常压下在当量比为1.0时，X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}在0~0.75条件下绝热火焰温度随X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的变化.

从图5可以看出，不同当量比条件下预混燃气的绝热火焰温度均随着X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加而增加：当X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}由0.21升至0.5，当量比为0.8时，预混燃气的绝热火焰温度由1 594 K升至2 513 K；在当量比为1.0时，预混燃气的绝热火焰温度由1 809 K升至2 596 K；在当量比为1.6时，预混燃气的绝热火焰温度由1 515 K升至2 441 K.由图6可知，不同X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}预混燃气绝热火焰温度随X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加也呈现出上升的趋势：在当量比为1.0，X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}=0条件下，X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}由0.21升至0.5时，预混燃气绝热火焰温度升高了45.27%；在X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}=0.5时，预混燃气绝热火焰温度升高了43.50%；在X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}=0.75时，预混燃气绝热火焰温度升高了41.91%.不同X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}条件下，绝热火焰温度均随着X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加而增加，在X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}为0.21~0.35时，绝热火焰温度增长趋势较快，在0.35~0.5时其增长趋势减缓，且X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}越大，绝热火焰温度越高.

对比图4和图5可以发现，绝热火焰温度和层流预混火焰传播速度均随着X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加而呈现出上升的趋势，但是其上升趋势却不尽相同.预混燃气的层流火焰传播速度随X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}变化呈现二次函数变化规律，而绝热火焰温度随X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的变化则较缓.因此，除了热力学影响，还要考虑O₂对燃气层流预混火焰传播特性的化学动力学影响效应.

2.2.2 不同含氧量下化学动力学效应特征

为深入研究O₂对燃气层流预混火焰化学动力学效应的影响，对不同X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的掺氢燃气预混燃烧的质量燃烧速率敏感性系数进行了模拟计算.图7为常温常压下当量比为0.8和1.2，掺氢比为0.5条件下，X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}在0.21~0.5的预混燃气质量燃烧速率敏感性分析.敏感性系数的正负值与绝对值大小分别用来表示化学反应变化速率对整体燃烧的促进或抑制作用，以及作用效率的高低.

从图中可以看出，无论在贫燃还是在富燃时，反应H+O₂=O+OH和HO₂+CH₃=OH+CH₃O都起主要的促进作用，且当从贫燃变为富燃状态后，占前2位主导反应没有改变，而占第三位和第四位的反应则由贫燃时的OH+H₂=H+H₂O和OH+CO=H+CO₂变为富燃时的H+C₂H₄（+M）=C₂H₅（+M）和OH+CH₃=CH₂（S）+H₂O，S表示单线态；在起抑制作用方面，贫燃时，反应对燃烧的抑制作用比较均衡，没有显著的差异；富燃时，相较于其他几个反应，H+CH₃（+M）=CH₄（+M）对整体的抑制作用则变得更为突出，成为主要的抑制反应.随着X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加，无论是贫燃还是富燃，反应H+O₂=O+OH和HO₂+CH₃=OH+CH₃O的促进作用都显著增强，其中H+O₂=O+OH始终都起主导的促进作用；无论是贫燃还是富燃，起抑制作用的反应都随着X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加，抑制作用有所增强，其中在富燃时，随着X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加，反应H+CH₃（+M）=CH₄（+M）的抑制作用增加得最为显著.

通过上述敏感性分析可以发现，H自由基在整体反应中参与的次数最多，其对关键反应的重要程度也最大.因此，分析H自由基摩尔分数随X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的变化显得尤为重要.图8为不同X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}下掺氢燃气预混火焰H自由基摩尔分数.图9给出了当量比为0.8和1.2，掺氢比为0.5时，H+O₂=O+OH反应速率随X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}在0.21~0.5范围内变化图.

从图7可以看出，氧化反应H+O₂=O+OH的敏感性系数随着X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加而增大；另外，火焰中逐渐增加的H自由基摩尔分数促进了燃烧反应的进程，从而提升了预混燃料的层流火焰传播速度.特别是当X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}≥0.3时，火焰中H自由基摩尔分数增加得更为显著，此时随着X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加，不仅起主导抑制作用的反应H+CH₃（+M）=CH₄（+M）的敏感性系数逐渐增大，且氧化反应H+O₂=O+OH的敏感性系数也在增大，即反应H+CH₃（+M）=CH₄（+M）随着X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加抑制了整体反应，此时火焰中会剩余大量H自由基，进而促进了反应H+O₂=O+OH的进程.

此外，由图9可知，随着含氧量（X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}≥0.3）的增加，反应H+O₂=O+OH的反应速率不断增大，此时，火焰中还存在大量的H自由基（由图8可知），促进了起主导反应H+O₂=O+OH的反应速率，显著地提高H自由基摩尔分数及H+O₂=O+OH反应速率.使掺氢燃气层流预混火焰传播速度随着X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的增加不断增大，并且比绝热火焰温度随X_{{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}的变化更为显著.

3 结 论

1） 实验数据与模拟结果对比可知，在实验工况下，USC2.0机理计算获得的掺氢燃气火焰传播速度预测值与实验数据间误差较大；GRI3.0机理能较准确预测高含氧量及高掺氢比下掺氢燃气层流火焰传播速度.

2） 在O₂/CO₂气氛下，掺氢燃气的层流预混火焰传播速度及绝热火焰温度均随掺氢比的增加而逐渐增大，且其速度峰值对应当量比向富燃侧移动；在高掺氢比下，预混火焰中H自由基摩尔分数显著增加，CH₃自由基减少，H+CH₃（+M）=CH₄（+M）的反应速率逐渐减小.

3） 实验工况下，掺氢燃气绝热火焰温度和层流预混火焰传播速度均随着含氧量的增加逐渐增加，且层流火焰传播速度与含氧量间存在较强的二次函数相关性；随着含氧量的增加，火焰中大量H自由基促进氧化反应H+O₂=O+OH的进程，且反应HO₂+CH₃=OH+CH₃O的促进作用显著增强，使得掺氢燃气层流预混火焰传播速度逐渐加快.

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(51804065)

中国博士后科学基金资助项目(2018M631811)