《Combustion and Flame》：Effect of pre-flame reaction extent on the dynamics of outwardly expanding dimethyl ether (DME) laminar flames in the NTC region
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DME/Ar/O?混合物在逆温区火焰动力学研究显示，通过调节火花点火时机，可控制预反应阶段程度，发现火焰曲率随温度变化呈现加速趋势，验证了预反应热效应对火焰扩展的主导作用，并指出现有DME燃烧模型难以准确预测逆温区温度演变。
郑凌志|米格尔·菲格罗亚-拉巴斯蒂达|魏楚宇|罗纳德·K·汉森
斯坦福大学机械工程系，452 Escondido Mall，520号楼，斯坦福，加利福尼亚州94305，美国
摘要
在0.8、1和1.2的当量比下，研究了预混DME-Ar混合物在反射激波后的NTC（负温度系数）区域内向外扩展的层流火焰的动态。通过系统地改变火焰点火时间与反射激波加热的时间关系，从而控制预燃反应的程度。采用双线CO温度诊断方法来监测未燃气体的反应程度。在所有研究的当量比下，从第一阶段点火前后的足够长时间内点燃的火焰显示出发焰曲率的线性趋势。对于在第一阶段点火附近点燃的火焰，观察到了显著的火焰加速现象。一个改进的线性-曲率火焰伸展模型将第一阶段点火期间未燃气体火焰速度与测量温度的幂律关系进行了处理，该模型很好地描述了实验观察到的火焰动态，表明第一阶段点火的热效应是导致火焰加速的驱动机制。与一维稳态模拟相比，现有的DME动力学模型在捕捉第一阶段点火期间的火焰动态方面存在很大不足，主要是因为它们无法准确预测第一阶段点火期间的温度升高。
创新性和重要性声明：本研究首次在NTC区域内实验性地研究了具有不同预燃化学反应程度的DME火焰动态。通过引入激光吸收光谱诊断技术，研究了驱动第一阶段点火期间火焰加速的热化学机制。新的实验数据不仅能够在没有预燃反应程度的传统条件下评估化学动力学模型，还能在第一阶段点火后混合物的热化学状态发生显著变化的情况下进行评估。这项工作进一步加深了对NTC区域内火焰动态的理解，这可能对先进发动机概念的建模产生影响。
引言
开发下一代先进发动机需要全面了解燃料在运行相关条件下的燃烧行为。在许多新兴的发动机概念中，如反应控制压缩点火（RCCI）[1]、均质充量压缩点火（HCCI）[3]和部分预混压缩点火（PCCI）[5]发动机中，火焰传播可能发生在非零预燃反应程度下，从而导致火焰动态同时受到自燃和火焰化学的影响[7]、[8]、[9]。对于表现出负温度系数（NTC）行为的燃料，第一阶段点火在未燃气体中的进展可能对火焰传播产生强烈影响。因此，准确建模火焰动态需要考虑燃料的火焰化学和低温化学（LTC）。最近，低温燃烧策略因其在提高内燃机热效率的同时减少排放方面的潜力而受到关注[2]、[11]，这使得理解关键燃料的LTC变得更加重要。
二甲醚（DME）是一种有前景的可再生替代燃料，适用于压缩点火发动机，并有望减少中型到重型车辆的排放[12]。由于DME的高LTC反应性，人们对其在预燃第一阶段点火化学影响下的火焰动态进行了大量数值研究。Krisman等人[9]研究了未燃气体停留时间的变化对DME火焰结构的影响，发现由于LTC反应在未燃气体中的进行，存在多种火焰传播模式。研究发现，预燃反应程度增加了火焰传播速度，并指出关于受预燃化学影响的层流火焰的实验文献普遍不足。Wang等人[13]研究了预燃第一阶段热释放对DME火焰的起始和传播的热和化学效应，得出结论认为DME第一阶段热释放的热效应是促进火焰传播的驱动力。Meier等人[14]研究了LTC辅助的DME火焰动态，发现LTC在高压下对增强火焰传播速度起着重要作用。
尽管这对实际DME发动机的爆震和排放建模具有重要意义，但传统实验装置（例如恒容燃烧室）将气体混合物加热到NTC区域所需的长时间尺度[15]阻碍了具有预燃第一阶段点火化学的DME火焰的实验研究，因为燃料/氧化剂混合物会在火焰点燃之前发生第二阶段点火。此外，还需要一个明确的混合物加热起始时间来获得已知反应程度的混合物。这种精确控制的时间零点的缺失进一步增加了使用传统技术实验研究受预燃化学影响的火焰的难度。
鉴于上述背景，冲击管方法[16]、[17]、[18]成为一种有利的实验方法，它可以在微秒级别内提高燃料/氧化剂混合物的温度和压力，为量化未燃气体中的反应程度提供了一个明确的时间零点。最近，在斯坦福大学的成像冲击管（IST）设施中成功测量了在反射激波后高达1320 K的各种燃料的层流火焰速度[19]、[20]、[21]。应用冲击管策略，进行了一项初步研究[15]，研究了在第一阶段点火期间点燃的n-庚烷火焰的向外扩展现象。特别是在火焰非常接近第一阶段点火时，未燃气体火焰速度在火焰曲率空间中表现出加速行为。然而，由于缺乏对未燃混合物热化学状态的足够诊断，第一阶段点火时观察到的火焰加速的主导机制无法确定。
在这项工作中，使用IST设施进行了冲击管实验，研究了在不同预燃第一阶段点火化学程度下向外扩展的DME火焰的动态。通过在第一阶段点火期间参数化改变火焰的点火时间，研究了未燃气体中受控反应程度的影响。为了进一步了解第一阶段点火期间火焰加速的机制，采用了一种非侵入式的双线CO温度诊断方法来测量温度-时间历史，从而提供了关于未燃气体热化学状态演变的额外信息。
节选内容
冲击管火焰实验
关于冲击管操作和IST设施尺寸的详细信息已在先前的出版物[15]、[18]、[22]中记录，因此在此不再重复。所有冲击管实验中使用的DME来自Sigma-Aldrich，纯度为≥99%；用于混合物制备的Ar气体来自Linde Gas & Equipment Inc.，纯度分别为99.999%、99.9%和99.995%。测试混合物在不锈钢混合器中通过压力测量法制备。
结果
为了便于参考，在所有关于预燃反应程度的参数研究中，第一阶段点火之前的区域被定义为区域1，火焰传播到正在经历第一阶段点火的未燃气体的区域被称为区域2，而第一阶段点火之后未燃气体的热化学状态相对稳定的区域被称为区域3。区域3的起始时间定义在两条线的交点处。
结论
在这项工作中，实验研究了在冲击管中预混DME火焰向未燃气体传播的动态，这些火焰具有不同的第一阶段点火反应程度。采用双线CO温度诊断方法监测了第一阶段点火期间的温度分布，并测量了第一阶段点火延迟时间（τ）。火焰点火时间在DME/(85% Ar-15% O+2% CO)混合物中的0.02至2.71 t/τ范围内变化。
CRediT作者贡献声明
郑凌志：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据管理。米格尔·菲格罗亚-拉巴斯蒂达：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。魏楚宇：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。罗纳德·K·汉森：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本材料基于美国国家科学基金会（National Science Foundation）在Grant No. 2136218项目下的支持。
