1试验装置与原理
在定容燃烧弹中，对三种不同组分比例的沼气火焰特性进行测试，以其发展特性获得三种沼气的层流燃烧速度与稳定性。分析沼气主要组分比例，并以此配置了三种试验配气，在配气中，对沼气中组分比例含量通过改变沼气中甲烷体积分数来进行改变，以此来对沼气层流燃烧特性在不同组分比例中的影响[1]。
2结果与分析
2.1火焰发展特性受组分比例的影响
图1位当量比为1，初始温度为46.85℃，初始压力分别为0.1MPa、0.2MPa以及0.3MPa时的火焰形状。
图1沼气组分对火焰形状的影响
碳氢燃料在燃烧中会有浮力不稳定、流体动力学以及扩散等三种[2]。当混合气当量较小，马克斯坦长度为负或者是比较小时，优先扩散不稳定性会出现，火焰前锋面有不规则火焰与胞状结构突起。流体动力学不稳定性在火焰半径大于30mm时能够观察到。而本文只对半径在6-25mm部分进行考虑，所以这种不稳定性不会显示出来。当燃烧速度低于0.15m/s时，会有浮力不稳定性出现，火焰会出现下半球小上半球大。当初始温度为46.85℃，初始压力为0.1MPa和0.2MPa时，沼气燃烧速度都在0.15m/s之上，当初始压力为0.3MPa时，沼气燃烧速度都在0.15m/s之下。在一些工况下，试验中会有浮力不稳定的情况出现。
通过上述图1能够看出，当初始压力为0.1MPa时，火焰前锋面都是比较光滑的，呈现出准球形发展。在该工况下，沼气燃烧速度都0.15m/s之上，所以不会出现浮力不稳定性与优先扩散。当压力为0.2MPa时，火焰前锋出现火焰突起和裂纹，显示优先扩散。当压力来到0.3MPa时，明显出现优先扩散不稳定性，另外，该工况下，沼气燃烧速度都在0.15m/s之下，初步显示浮力不稳定性。
在当量比为1，初始压力分别是0.1MPa、0.2MPa以及0.3MPa，初始温度为46.85℃时，沼气组分比例对火焰半径的影响如下图2所示。通过图2能够看出，火焰半径在不同甲烷体积分数和不同初始压力下随时间增长而出现增长。火焰发展速度在压力为0.1MPa与0.2MPa时，随着甲烷体积分数增加而加快。但压力为0.2MPa时，甲烷体积为55.5%时，火焰发展有着显著的加快，当体积升到59%时，火焰发展加快逐渐变小。另外，在甲烷体积分数一样，随着升高压力，火焰发展速度会降低。
图2不同组分比例的火焰半径随时间的变化
拉伸火焰传播速度可通过公式Sn=dr/dt获得，拉伸火焰传播速度在不同的甲烷体积分数和压力下，随半径增加而升高。另外，拉伸火焰传播速度会随着压力升高或甲烷体积降低而逐渐降低。
马克斯坦长度可通过公式SI-Sn=Lbα获得，其中α表示火焰拉伸率。拉伸火焰传播速度在不同的甲烷体积与压力下，随着增加火焰拉伸率而出现降低，由此能够得出马克斯坦长度为正值。另外，无拉伸火焰传播速度随着压力升高或甲烷体积降低而逐渐的降低。
2.2组分比例对火焰稳定性的影响
马克斯坦长度能反映火焰前锋面是否稳定，其为正值时，随着拉伸率增加，火焰发展速度降低，火焰前锋面有凸起出现时，凸起部分的发展速度会受到抑制，使得火焰趋于平稳[3]。
马克斯坦长度会随着当量比增加，甲烷体积增加或压力降低而逐渐增大。当甲烷体积分数为47%，当量比为0.8，初始压力为0.2MPa时，马克斯坦长度为负值，这时火焰为不稳定状态，而马克斯坦长度在其他工况下为正值，这时火焰是稳定状态。
2.3组分比例对层流燃烧速度的影响
在当量比为1，初始压力分别是0.1MPa、0.2MPa以及0.3MPa，初始温度为46.85℃时，沼气组分比例对无拉伸火焰传播速度的影响如下图3所示。对各工况下层流燃烧速度UI可根据火焰前锋面质量守恒AρuUI=AρbSI获得，沼气组分比例对层流燃烧速度随当量比的影响如下图4所示。
图3无拉伸火焰传播速度随着当量比的变化
图4层流燃烧速度岁当量比的变化
通过上述图3和图4能够看出，层流燃烧速度和无拉伸火焰传播速度在不同甲烷体积和压力下，随当量比增加而现出现增加后逐渐降低。另外燃烧速度与传播速度在不同甲烷体积下随着压力升高而降低，而在不同压力下，随着甲烷体积增加而出现提升。
3结论
对沼气火焰发展特性在初始温度为46.85℃，初始压力为0.1MPa到0.3MPa，当量比在0.8到1.3，甲烷体积在59%，55.5%以及47%的范围内进行了测量，并对火焰层流燃烧速度、火焰稳定性以及发展特性在不同组分比例下进行了分析，得出：
（1）当初始压力为0.1MPa时，火焰前锋面都是比较光滑的，呈现出准球形发展。当压力为0.2MPa时，火焰前锋出现火焰突起和裂纹，显示优先扩散。当压力来到0.3MPa时，明显出现优先扩散不稳定性，另外，初步显示浮力不稳定性。
（2）火焰半径在不同甲烷体积分数和不同初始压力下随时间增长而出现增长。火焰发展速度在压力为0.1MPa与0.2MPa时，随着甲烷体积分数增加而加快。但压力为0.2MPa时，甲烷体积为55.5%时，火焰发展有着显著的加快，当体积升到59%时，火焰发展加快逐渐变小。另外，在甲烷体积分数一样，随着升高压力，火焰发展速度会降低。马克斯坦长度会随着当量比增加，甲烷体积增加或压力降低而逐渐增大。当甲烷体积分数为47%，当量比为0.8，初始压力为0.2MPa时，马克斯坦长度为负值，这时火焰为不稳定状态，而马克斯坦长度在其他工况下为正值，这时火焰是稳定状态。
（3）层流燃烧速度和无拉伸火焰传播速度在不同甲烷体积和压力下，随当量比增加而出现增加后逐渐降低。另外燃烧速度与传播速度在不同甲烷体积下随着压力升高而降低，而在不同压力下，随着甲烷体积增加而出现提升。
参考文献
[1] 胡家龙,任航,聂晓康,楚化强.氧浓度、压力对甲烷/空气层流扩散燃烧特性影响的数值模拟研究[J].东北电力大学学报,2021,41(03):10-18.
[2] 朱晓宇,杨卫娟,张兴,姚彦伊,苏佳乐,周俊虎.带压环境中CO_2/H_2O/N_2气体稀释对合成气层流火焰速度的影响[J].化工进展,2020,39(11):4357-4366.
[3] 张尊华,杜睿恒,熊晋影,梁俊杰,李格升.ABE燃料成分变化对其预混层流燃烧特性的影响[J].大连海事大学学报,2020,46(03):109-116.
