天然气作为发动机替代燃料,受到业界广泛关注。天然气是一种成分复杂的可燃混合气,主要含有甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷,并且不同气源开采出来的天然气,其成分会有差异。目前,国内外学者已经对特定组分的天然气以及天然气模拟燃料的预混层流燃烧特性展开了一些研究,但关于天然气成分变化对其层流燃烧特性影响的研究非常有限。因此,本文以不同成分的天然气为研究对象,采用试验和数值模拟相结合的方法,在常温常压、不同当量比初始条件下研究天然气成分变化对其层流燃烧特性的影响规律。本文分别以甲烷–乙烷、甲烷–乙烷–丙烷和甲烷–乙烷–丙烷–正丁烷的混合燃料模拟天然气,利用定容燃烧弹高速纹影摄像试验平台和CHEMKIN PRO气相化学动力学软件,通过改变天然气中组分烷烃的含量,研究天然气成分变化对其层流燃烧速度和火焰不稳定性的影响规律,并且通过火焰结构分析和敏感性分析等化学动力学分析方法,分析天然气成分变化时,引起其层流燃烧速度变化的本质原因。得到的主要结论如下:(1)当量比保持不变时,天然气的层流燃烧速度随乙烷、丙烷和正丁烷含量的增加而上升。相对于丙烷和正丁烷,乙烷含量变化对层流燃烧速度的影响更加明显。当天然气成分保持恒定时,随着当量比的增加,其层流燃烧速度先增加后减小,并且在当量比1.1附近达到最大值。(2)火焰结构分析表明,天然气的层流燃烧速度与火焰中OH基和H基浓度之和的最大值之间有较强的相关性,其成分变化时各主要活性基的浓度峰值均发生变化,其中H基浓度峰值的变化最为明显。H基浓度的改变是造成天然气层流燃烧速度变化的本质原因。(3)基元反应敏感性分析和净反应速率分析表明,成分变化会影响天然气燃烧过程中的重要基元反应,通过正影响的基元反应和负影响的基元反应之间的竞争,使火焰中H基的浓度峰值发生变化,乙烷含量变化对H基浓度的影响最大,因此乙烷含量变化对天然气的层流燃烧速度的影响最明显。(4)火焰不稳定性分析表明,在当量比1.0时,天然气–空气火焰随着乙烷、丙烷和正丁烷含量的增加越来越趋于稳定传播。天然气成分变化主要是通过改变热扩散不稳定性来影响天然气–空气火焰的综合不稳定性的,正丁烷对天然气–空气火焰综合不稳定性的抑制能力与丙烷的抑制能力近似相等,大于乙烷对天然气–空气火焰综合不稳定性的抑制能力。