臭氧助燃条件下二乙醚冷焰传播速度的首次测量与动力学机制验证

本刊推荐：为解决二乙醚(DEE)冷焰传播速度数据缺失及动力学机制验证难题，研究团队采用滞流平板燃烧器结合粒子图像测速技术(PIV)，首次实现了臭氧(O3)助燃DEE冷焰在常压条件下的速度测量。通过非线性外推法获得无应变冷焰速度Su0（0.15-0.18 m·s-1），验证了Serinyel机理的准确性，为生物燃料安全应用提供了关键实验数据。

　　

在燃烧科学领域，二乙醚(Diethyl Ether, DEE)因其显著的低温反应活性而备受关注。自19世纪汉弗莱·戴维爵士发现冷焰现象以来，DEE就一直被视为研究低温氧化过程的典型燃料。近年来，随着生物燃料研究的深入，DEE作为潜在生物燃料的价值日益凸显，但其易自燃特性也带来了安全隐患。尽管已有研究对DEE的低温反应性进行了多方面探索，包括在石英反应室、射流搅拌反应器(JSR)和快速压缩机中的实验，但始终缺乏对其冷焰传播速度的精确测量。这种数据缺失严重制约了DEE燃烧动力学模型的完善，也限制了其在清洁燃烧技术中的应用。

为了解决这一难题，来自法国里尔大学的研究团队开展了一项创新性研究。他们采用臭氧(O₃)助燃的滞流平板燃烧器配置，结合先进的粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术，首次实现了大气压下DEE冷焰传播速度的精确测量。这项研究不仅填补了实验数据空白，还为验证现有动力学机制提供了重要依据。

研究团队采用了多学科交叉的技术方法：首先搭建了滞流平板燃烧器系统，通过精确控制当量比(φ=0.3-0.5)和臭氧摩尔分数(x_O3=1.4%-1.6%)创造稳定的冷焰条件；其次利用改进的PIV系统（包括双脉冲Nd:YAG激光器和sCMOS相机）测量轴向速度剖面，空间分辨率达到14.61μm/像素；最后采用数值辅助非线性外推法，结合Cantera软件中的ImpingingJet一维反应流模型，从实验数据中提取无应变冷焰速度S_u⁰。

2.1. 实验装置与方法的优化

研究团队对原有实验装置进行了重要改进：采用新的粒子播种策略提高空间分辨率，优化激光片光减少板面反射，并完善了粒径表征。燃烧器系统包含两个同轴会聚喷嘴，内喷嘴出口直径10mm，外喷嘴20mm，不锈钢板加热至700±0.1K并保持恒定。硅油粒子(d_p=0.8μm)在50°C条件下生成，用于流场示踪。

2.2. 速度剖面测量与数据分析

通过PIV系统获得了38×13mm的视场，记录4000对双帧图像，时间间隔Δt=250μs。采用快速傅里叶变换互相关多通多网格算法处理图像，最终网格间距146×146μm，处理不确定度约1%。通过分析轴向速度剖面，提取了参考速度S_u,ref和应变率K的关键数据。

3.1. 轴向速度剖面的实验与模拟对比

研究发现，随着入口速度u_in的增加（0.87-1.07 m·s^-1），火焰应变率K相应增大，参考速度S_u,ref位置向滞流板移动。弱应变火焰中粒子因热膨胀重新加速的现象更加明显。通过对比实验数据与三种Tran机理及Serinyel机理的模拟结果，发现Serinyel机理能最准确地预测参考速度的值和位置。

3.2. 无应变冷焰速度的确定

采用数值辅助非线性外推法，通过绘制S_u,ref=f(K)关系曲线并外推至K=0 s^-1，获得了无应变冷焰速度S_u⁰。实验值为0.155-0.177 m·s^-1，模拟值为0.158-0.169 m·s^-1，两者在实验不确定度范围内吻合良好。这些值略高于先前测量的DME冷焰速度(14-17.5 cm·s^-1)。

本研究首次实现了O₃助燃DEE冷焰传播速度的精确测量，填补了该领域长期存在的实验数据空白。通过系统研究不同当量比(φ=0.3-0.5)和臭氧浓度(x_O3=1.4%-1.6%)条件下的火焰特性，获得了可靠的S_u⁰数据，为验证和优化DEE燃烧动力学模型提供了重要依据。研究发现Serinyel机理在预测冷焰行为方面表现优异，而Tran机理则明显低估了参考速度。

这项研究的重要意义在于：首先，建立了常压下冷焰速度测量的实验方法学，突破了传统冷焰研究只能在微重力或亚大气压条件下进行的限制；其次，获得的实验数据为生物燃料安全应用提供了关键参数，有助于评估DEE在储存和使用过程中的火灾风险；最后，验证的动力学机制不仅适用于DEE，其方法学也可推广到其他燃料的低温氧化研究，对发展清洁燃烧技术和提高能源利用效率具有重要推动作用。该研究成果发表在《Fuel》期刊，为燃烧科学领域提供了宝贵的数据和方法学参考。