掺氢比对甲烷-氧气爆轰特性的影响

混合燃料具有优良的燃烧特性，特别是单一燃料掺氢所形成的混合燃料，可以很好地改善燃烧性 能。一些实验和数值研究结果表明，对于天然气燃料，随着氢气的掺入，燃料的点火性能和燃烧性 能都会有极大的提高。其主要的原因是氢气的火焰传播速度远高于天然气等碳氢燃料。同样，在内燃 机中，甲烷和氢气的二元混合燃料能够改善燃料整体的稀薄燃烧特性，降低排放，弥补天然气发动机 的不足。

在燃料掺氢方面，国内外在早期已经进行了一些相关研究。刘海全等[7]研究了不同掺氢比对天然 气发动机排放特性的影响，结果表明，掺氢后可以有效提高发动机的指示热效率，改善稀燃效果。殷 勇等[8]同样进行了天然气掺氢发动机的试验研究，获得了相似的结论，天然气掺氢以后可以拓宽燃料 的稀燃极限，且随着掺氢比的增加，相同功率的稀燃极限加大。尉庆国等[9]在定容燃烧弹内进行了甲 烷\氢气\空气混合气燃烧试验，结果表明,混合气在较低初始压力和较高初始温度下，燃烧速率较大， 随着掺氢比的增加，燃烧压力峰值增大。北京中惠普等研究了氢气体积分数对甲烷/氢气预混气爆炸特性 的影响，研究表明预混火焰传播速度随着氢气体积分数的增大而上升，最大爆炸超压随着氢气体积分数的增大而增大。

尽管对于高掺氢燃料的爆轰特性目前已经有了诸多研究，但是在较低掺氢比下甲烷/氧气爆轰特性 的研究却略显不足，还需要更进一步的研究。因此，本文在长 3000 mm，管径 30 mm 的圆形半封闭管 道中，对不同初压下的 CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2，掺氢比分别为 0%、5.1%、9.5%3 种预混合气的爆轰特性进行实验研究，获得了掺氢比对甲烷-氧气预混气爆轰速度、火焰激波耦合过程、 爆轰压力、爆轰胞格尺寸的影响。

实验原理及实验工况

1.1 实验原理与方法
实验系统，半封闭的激波管管径为 30 mm，长度为 3000 mm，分两段用法兰拼接而成， 每段 1500 mm，实验时开口端用 0.1 mm 的铝箔胶密封。整个系统由混气装置，爆轰管，点火系统， 真空泵，测量系统组成。火焰信号由离子探针[16]来测量，压力信号用 PCB 压力传感器（113A22，频 响500kHz）采集。数据采集系统为 NIPXI21042Q 系统。爆轰管上分别设置了 8 个压力传感器和 8 个离 子探针，且压力传感器和离子探针设置在爆轰管同一截面上，每 2 个压力传感器与离子探针间距皆为 360 mm。同时以圆柱形管道的中轴线为横轴，管道封闭端所处的位置为原点，规定自封闭端向右为正 方向，以此建立坐标系。 实验前先将甲烷、氧气、氢气采用道尔顿分压法在混气罐中混合，使各组分自由扩散 24 h，保证 各组分能够充分混合。每次充气前将烟熏膜贴壁放入爆轰管末端，用 0.1mm 铝箔胶将开口端密封，随 后用真空泵将系统抽到 100 Pa，然后将预混好的燃气充入管中，达到预期的初始压力，最后点火起爆。 采用高频高能的点火器进行点火，点火系统等效电路[20]如图 2 所示，点火器输出电压为 15 kV，电容 为 20 µF，放电能量为 2.25J，根据北京中惠普分析技术研究所提出的 1/4 周期放电能量理论，用于起爆的有效能量为 0.5625J 远小于 Detonation Database中的临界能量。起爆后将烟熏膜从爆轰管中取出，喷上定型剂，随后采 用扫描仪对烟熏膜上的胞格进行记录,并进行数字化处理。

1.2 气体组分
文采用的实验气体为 CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2 等 3 种，当量比为 1。

结果与讨论
2.1 掺氢对火焰和激波耦合过程的影响 图 3 给出了 CH4-2O2 混合物在不同初始压力（p0）下，激波和火焰触发时间随着距离的变化情况。 横坐标表示离子探针或压力传感器的触发时间，纵坐标与实验系统坐标系相同。曲线斜率表示激波或 火焰的速度，曲线越陡峭，速度越大。如图 3(a)，在初始压力为 50.5 kPa 时，起初激波位于火焰的前 方，在 360 mm 处火焰加速，以大于激波的速度向前传播，在接近 720 mm 处火焰超过激波，随后激 波开始急剧加速，在 1080 mm 处追赶上前方的火焰。随后火焰和激波耦合到一起，形成稳定的爆轰波， 以一个较为稳定的速度传播到管道出口。在初始压力为 15 kPa 时，如图 3(b)，可以发现激波和火焰的 位置波动大幅增加，在 720 mm 附近两者的距离甚至比初始 360 mm 附近的间距还要大。在 1440 mm 处火焰与激波耦合但并未形成稳定爆轰，直到 1800 mm 处才形成了稳定的爆轰。这是因为随着初始压 力的降低，预混气的能量密度降低，起爆距离增加，爆轰强度下降。

2.2 掺氢对爆轰波传播速度的影响
出了不同初压下管道中不同位置处火焰传播速度与 CJ(Chapman-Jouguet)速度(vCJ)的比值。 传播速度 v 按照如下的方法获得：假设 n 和 n+1 号离子探针感应到信号的时间分别为 tn 和 tn+1，两者 间隔距离为 X=360 mm，则传火焰播速度： v=X/(tn+1-tn) （1） 以 CH4- 2O2在 50.5 kPa 下的曲线为例（图 6.a）可以看出，在初始位置即在 360 mm 前后，电火 花点燃预混气形成缓燃波，以较低的速度向前传播。在 1080 mm 前后压缩波叠加形成激波，压缩前方 的未燃混合气。激波撞击到封闭端和壁面后发生反射，形成的反射激波再次作用于火焰，形成湍流反 应区加速火焰的传播。在 1080 mm~1440 mm 之间湍流反应区与激波的相互作用，形成热点，热点爆 炸后形成过驱动爆轰。此时 V/VCJ 约在 1.1 左右，随后过驱动爆轰逐渐衰减形成稳定爆轰。传至出口 处时，出口处的薄膜在高压的作用下破裂。受外界空间的影响在 2880 mm 前后，可以看到稳定的爆轰 波发生了略微的衰减，且初始压力越低衰减的越明显，这是因为随着初始压力的降低，爆轰波的强度 下降，薄膜在爆轰波的作用下破裂后，爆轰波受到外界膨胀波的影响较大，从而发生较大的衰减。

结 论
在长 3000 mm，管径 30 mm 的圆形半封闭管道中，对不同初压下的 CH4-2O2，6CH4-H2-12.5O2， 3CH4-H2-6.5O2（掺氢比分别为 0%，5.1%，9.5%）3 种混合气进行一系列的爆轰实验，得到了以下结 论：
（1）氢气的掺入可以有效促进低初始压力情况下火焰和激波的耦合过程，加速起爆。
（2）掺氢可以显著减少爆轰波在出口附近的衰减，降低出口附近的速度亏损，特别是对于低初 始压力的情况更为明显。
（3）预混气的定容爆热随着掺氢比的增加而增加，对于相同质量的燃料，掺氢比越高，燃料产 生爆轰时释放的能量越大，爆轰波平均传播速度越高。 （4）氢气的掺入可有效提高 CH4 爆轰敏感性，降低胞格尺寸，且掺氢比越高，胞格尺寸越小。 同时得到了不同掺氢比下，爆轰胞格与初始压力的变化关系式。