船用LNG燃料点火与火焰传播机制研究

Marine LNG fuel is a typical multicomponent fuel, and its fundamental combustion characteristics cannot be derived accurately from the linear combination of the combustion characteristics of each component involved in LNG fuel. To conduct a thorough study on the mechanism of ignition and flame propagation of LNG fuel is of great significance for the wide application of LNG fuel to marine power plants. In the present project, the experimental data for the outwardly expanding spherical flames of LNG fuel will be determined accurately using an experimental facility for spherical flames, which mainly consists of a constant-volume combustion bomb and a schlieren optical system, and a real-time measurement and control device for the ignition energy. The effects of the non-equidiffusion between mass and heat, the ignition energy and the fuel composition on ignition and flame propagation of LNG fuel will be investigated. Subsequently, the reaction mechanism for LNG combustion will be validated and improved in terms with the experimental data obtained, and then a theoretical model for ignition and spherical flame propagation of LNG fuel will be built. In this theoretical model, the coupling between the ignition thermodynamics and the flame dynamics based on detailed chemical kinetics is taken into consideration. By means of the theoretical model, the dynamic structure of the spherical flame front at molecular level will be investigated, and the evolution laws of some typical processes such as the formation and development of the flame kernel and the spherical flame propagation will be explored. Finally the mechanism of ignition and premixed flame propagation of LNG multicomponent fuel can be revealed. This project is expected to provide the required experimental data and the theoretical support for the optimization design of the ignition systems of marine LNG engines and for the LNG combustion in a safe, efficient and clean manner.

船用LNG燃料是一种典型的多组分燃料，其基础燃烧特性并非各单一燃料的简单线性叠加，深入研究其点火与火焰传播机制对LNG燃料在船舶动力装置中的推广应用具有重要指导意义。本项目将利用定容燃烧弹高速纹影摄像系统和点火能量实时测控装置，准确获取船用LNG燃料向外传播球形火焰的基础燃烧实验数据，阐明质量和热量间的非对等扩散、点火能量和燃料组分对LNG点火及火焰传播特性影响的内在规律。在此基础上利用实验数据验证并完善LNG燃料燃烧反应动力学机理，构建基于详细化学机理的火焰动力学与点火热力学耦合的LNG点火与火焰传播理论计算模型，以此研究球形火焰前锋面分子水平的动态精细化结构，探索火核的形成、发展与火焰传播等演变过程和规律，揭示船用LNG多组分燃料的点火与预混火焰传播机制。该研究可为船用LNG发动机点火系统的优化设计以及LNG燃料安全、高效和清洁燃烧提供重要基础数据和一定理论支撑。

船用发动机燃用LNG燃料有着较好的节能减排潜力，开展LNG燃料的基础燃烧特性研究对其在船舶动力装置中的推广应用具有重要意义。项目组围绕LNG燃料点火与火焰传播机制开展了以下三个关键科学问题研究。. 第一，利用定容燃烧弹高速纹影摄像系统和点火能量实时测控装置，深入研究了不同初始温度、压力、当量比和Leiws数下点火能量对火焰初期传播特性的影响规律，发现了点火能量对火焰传播影响过程中存在最小可靠点火能量（MRIE），即火焰初期传播速度随着点火能量的增加而增加，当点火能量达到MRIE后，继续增加点火能量，对火焰传播的影响变得不明显。同时，还发现若选取受MRIE影响的火焰半径（即参考火焰半径：RFR）为火焰稳定传播下限半径，可有效提高基于球形传播火焰测量层流燃烧特性参数的准确性。第二，研究了船用LNG燃料成分变化和稀释气体的添加等对其层流燃烧特性的影响规律，获得了大量船用LNG燃料层流燃烧基础数据，可为船用LNG燃料燃烧化学动力学机理的验证与优化提供重要参考依据。同时，结合一维平面火焰数值模拟，从自由基浓度分布、基元反应敏感性分析以及反应路径分析等多种化学动力学角度阐明了试验现象的内在原因，揭示了船用LNG燃料预混火焰传播机制。此外，项目组还构建了定容燃烧弹受限空间内LNG燃料点火与火焰传播数值计算模型，首次深入剖析了球形火焰前锋面温度、组分浓度分布等动态精细化结构特征，并以此分析了定容弹温度场分布对球形火焰传播过程和层流燃烧速度测量准确性的影响。研究表明，受定容弹内流体介质温度场不均匀性的影响，球形火焰在传播过程中，其形状呈现出一个不规则圆形，从而显著影响层流燃烧速度的测量。. 综上，本项目研究可为层流球形火焰特征参数的准确提取提供重要支撑，并为船用LNG发动机的点火系统优化设计及LNG燃料的高效清洁利用提供一定参考。