摘要
天然气是一种清洁能源，广泛应用于民用和工业领域，其主要成分为甲烷。但甲烷燃烧速率慢，以及未完全燃烧会造成热效率降低。为此，许多研究学者利用掺氢和富氧技术提高甲烷燃烧效率，而且预混气体较高的反应活性将增加安全评估难度。 本文结合掺氢和富氧甲烷燃烧技术，利用实验研究和数值模拟等手段，通过改变当量比、掺氢比和富氧比等三个初始条件，对36 L定容燃烧弹内甲烷/氢气/二氧气化碳/氧气预混气体的爆燃特性进行广泛研究。分析了火焰传播过程中爆炸超压、超压上升速率、最大超压及超压上升速率对应特征时间等爆炸参数；利用定容燃烧弹法测量了层流燃烧速度，验证了动力学模型（FFCM-1），并考虑了关键自由基生成速率ROP以及主要基元反应的敏感性系数；采用图像处理技术获取了火焰表面裂纹信息，计算了胞状火焰定量特征，并建立火焰不稳定性与胞状结构特征之间的联系。通过研究获得以下主要结论： 首先，研究了预混气体的层流燃烧特性，及不同燃料类型对宏观爆炸参数的影响。结合实验和理论模拟，分析了氧气分数和氢气分数增加对层流燃烧特性的影响，以阐述预混气体中氢气和氧气浓度对层流燃烧速度的作用。结果表明，更高氧气（氢气）分数下氢气（氧气）分数导致层流燃烧速度增长更快，表明两者具有相互促进效果。另外，相对于氢气分数，氧气分数对层流燃烧速度促进效果更显著，动力学分析表明，关键自由基ROP对氧气分数增加更敏感，意味着氧气分数增加对自由基池的影响更显明显，进而导致层流燃烧速度上升速率更快。 随后，研究了氧气分数和氢气分数对甲烷爆炸特性影响规律，发现氧气和氢气分数同时增加对最大超压上升速率和火焰传播速度的影响具有相互促进作用。例如，氧气分数λ=0.30和λ=0.50下氢气分数θ=0.00增加到0.60，最大超压上升速率分别增加了18.4MPa·s-1和71.5MPa·s-1，而平均火焰传播速度分别增加了0.88 m/s和4.8 m/s。 最后，分析了富氧条件下掺氢甲烷的火焰不稳定性，发现较小火焰厚度下热扩散不稳定对火焰表面破坏能力更强。如：当θ=0.60时λ=0.35增加到0.50导致最大平均细胞面积（主要有热扩散不稳定引起）下降了46.8mm2，而氧气分数增加会导致热扩散不稳定减弱，火焰厚度减小，表明较小火焰厚度有助于热扩散裂纹的生成。此外，较低氧气分数下氢气分数增加对裂纹的影响较弱，此时火焰不稳定。
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