正高電壓對(duì)CH4/O2/N2稀燃火焰?zhèn)鞑ズ腿紵匦缘挠绊?

孟祥文，吳筱敏，苗展麗，何 燕，焦 煜

(1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266061；2.西安交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，陜西西安 710049)

1 引 言

在稀燃條件下(即氧氣充足時(shí))，燃料可以完全燃燒，降低CO、NOx等氣體的排放，改善燃燒效率。但是，稀燃條件會(huì)導(dǎo)致燃燒速率降低，增大燃燒不穩(wěn)定性。由于甲烷燃燒的速度較低，甲烷稀燃情況更差。為了改善甲烷的稀燃特性，研究者提出了一些解決措施，主要包括天然氣摻氫燃燒[1]、優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)[2]、增強(qiáng)缸內(nèi)湍流[3]以及增加點(diǎn)火能量[4]等。

甲烷燃燒時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)有較高的電離度，火焰周圍會(huì)產(chǎn)生一些帶電粒子(正離子、負(fù)離子和電子)，使得火焰呈現(xiàn)電特性[5-6]。因此，可以通過電場影響火焰的燃燒和傳播特性。目前，研究電場輔助燃燒所使用的火焰主要為擴(kuò)散型的本生燈、平面火焰等[7-10]，而對(duì)預(yù)混擴(kuò)展火焰的研究則很少。Moriya等人[11]研究表明，當(dāng)加載均勻電場時(shí)，預(yù)混膨脹火焰呈對(duì)稱快速傳播；加載非均勻電場后，在電場強(qiáng)度大的地方，火焰的傳播速率也較快；當(dāng)加載電壓幅值大于12 kV時(shí)，由于產(chǎn)生電暈放電，火焰前鋒面出現(xiàn)強(qiáng)烈的湍流，因此火焰燃燒強(qiáng)度顯著地增強(qiáng)。Cha等人[12]研究了交流電場對(duì)甲烷預(yù)混擴(kuò)展火焰燃燒的影響，結(jié)果顯示，交流電場引起火焰面裂紋，增大火焰的傳播速率和不穩(wěn)定性。孟祥文等人[13-14]通過研究負(fù)直流電場對(duì)CH4/O2/N2預(yù)混擴(kuò)展火焰?zhèn)鞑ズ腿紵匦缘挠绊懙贸觯?fù)電場可以促進(jìn)火焰?zhèn)鞑?，并且火焰?zhèn)鞑ズ腿紵匦允茈妶鲇绊懙某潭入S著加載電壓幅值的增大而增強(qiáng)。

上述研究結(jié)果表明，高壓電場可以明顯改善火焰燃燒特性，但是對(duì)正高壓電場情況的研究則較為缺乏。本工作采用低于電暈放電閾值的正高壓，在定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，通過在預(yù)混CH4/O2/N2稀燃火焰上加載正高壓直流電場，探究正高壓電場對(duì)CH4/O2/N2稀燃火焰特性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)處理方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，研究正高壓電場對(duì)稀燃火焰特性影響的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架由定容燃燒彈、配氣機(jī)構(gòu)、點(diǎn)火電路、紋影攝像系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)和高壓電路組成。圖2為高壓電路和網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)圖。定容燃燒彈由45鋼鑄成，其圓柱形內(nèi)腔的尺寸為?130 mm×130 mm，內(nèi)部安裝聚四氟乙烯絕緣套、點(diǎn)火電極和網(wǎng)狀電極。燃燒彈兩側(cè)裝有為攝像系統(tǒng)提供光學(xué)通道的石英玻璃。由聚四氟乙烯包裹的點(diǎn)火電極垂直安裝在燃燒彈中心，作為電場的地極。一對(duì)網(wǎng)狀電極水平對(duì)稱地安裝在距點(diǎn)火中心35 mm處，電極的外徑為60 mm，網(wǎng)格大小為8.5 mm×8.5 mm。實(shí)驗(yàn)所用高壓直流電源在0～15 kV范圍連續(xù)可調(diào)，甲烷純度為99.99%體積純，空氣由體積分?jǐn)?shù)為21%的O2和79%的N2組成。實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，即初始溫度為298.15 K、初始?jí)毫?.1 MPa。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

圖2 定容燃燒彈和網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structures of constant-volume combustion chamber and mesh electrode

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

利用ANSOFT軟件進(jìn)行仿真，得到定容燃燒彈內(nèi)電場強(qiáng)度的空間分布如圖3所示?？梢钥闯?，兩網(wǎng)狀電極間電場強(qiáng)度的方向幾乎是水平的，都是由正高壓網(wǎng)狀電極指向燃燒彈中心的地極(點(diǎn)火電極)，并且電場強(qiáng)度的大小也基本一致。由于電場強(qiáng)度僅與電壓幅值大小有關(guān)，且兩者近似成正比，因此可以用電壓幅值的大小來描述燃燒彈腔內(nèi)電場強(qiáng)度幅值的大小，詳細(xì)分析可參閱文獻(xiàn)[13-14]。

圖3 U=10 kV對(duì)應(yīng)的電場分布Fig.3 Distribution of the electric field strength at U=10 kV

由圖4可知，與未加電場時(shí)相比，加載正高壓電場后，電場將誘導(dǎo)火焰前鋒面形態(tài)在水平方向上產(chǎn)生變化，而在垂直方向上變化很小。因此，為了清晰地描述火焰變形和定量地研究電場對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀仨氈匦露x有效火焰半徑和火焰變形率。根據(jù)ANSOFT仿真計(jì)算得到的網(wǎng)狀電極間電場強(qiáng)度分布和電場誘導(dǎo)火焰前鋒面形態(tài)的變化情況，主要取水平方向上火焰?zhèn)鞑プ鳛榉治鰧?duì)象。

如圖5所示，水平方向火焰半徑定義為極角為0°、±15°、±165°和180°時(shí)火焰半徑的平均值，垂直方向火焰半徑定義為極角為90°、±75°、±105°和270°時(shí)火焰半徑的平均值，即

(1)

圖4 未加電場與施加電場時(shí)的火焰前鋒面Fig.4 Schiliren photos of flame front under the influence of high-voltage electric fields

圖5 火焰半徑定義示意圖Fig.5 Schematic diagram of the redefined flame radius

選取兩對(duì)稱網(wǎng)狀電極間火焰?zhèn)鞑ミ^程作為分析對(duì)象，并且設(shè)水平方向(即與電場分布平行方向)的火焰?zhèn)鞑グ霃絩h為有效火焰半徑。根據(jù)水平方向火焰半徑rh和垂直方向火焰半徑rp，定義火焰變形率α為二者之比，即

(2)

同時(shí)，定義規(guī)范化火焰變形率αN為αN=αU/α0，其中αU為輸入電壓為U時(shí)的火焰變形率，α0為未加電壓時(shí)的火焰變形率。則未加電場時(shí)，αN=1。

火焰?zhèn)鞑ニ俾蕍定義為有效火焰半徑rh對(duì)傳播時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)，即

(3)

定義平均火焰?zhèn)鞑ニ俾蕍m為有效火焰半徑由t0時(shí)刻對(duì)應(yīng)的火焰半徑r0=6 mm發(fā)展到t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的火焰半徑rt=30 mm發(fā)生的位移Δr與發(fā)生這段位移所用時(shí)間Δt的比值，即

(4)

此外，通過采集的壓力曲線，還可以獲得壓力峰值pm及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻tp等與燃燒相關(guān)的信息。

3 結(jié)果與討論

3.1 火焰紋影圖片

圖6給出了正高壓電場對(duì)過量空氣系數(shù)λ為1.6和1.8的預(yù)混CH4/O2/N2稀燃火焰前鋒面的影響?？梢钥闯?，未加電場時(shí)，火焰前鋒面呈光滑的球形緩慢地向外擴(kuò)展。對(duì)稀燃火焰加載正高壓電場后，過量空氣系數(shù)λ為1.6和1.8的稀燃火焰前鋒面在水平方向上被顯著地拉伸，而垂直方向的變化則很小。即在正高壓電場的影響下，火焰前鋒面因水平和垂直方向上傳播特性的不同而呈現(xiàn)狹長形。由圖6還可以看出，當(dāng)過量空氣系數(shù)λ一定時(shí)，正高壓電場對(duì)稀燃火焰前鋒面的拉伸效應(yīng)隨著加載電壓幅值的增大而增強(qiáng)；當(dāng)加載電壓一定時(shí)，正電場對(duì)火焰前鋒面的拉伸效應(yīng)隨著λ的增大(即混合氣中CH4所占比例減小)而增強(qiáng)。

圖6 不同過量空氣系數(shù)和電壓時(shí)典型火焰擴(kuò)展紋影圖片F(xiàn)ig.6 Typical flame propagation images with different excess air ratios and applied voltages

3.2 規(guī)范化火焰變形率

圖7 不同加載電壓下，規(guī)范化火焰變形率隨時(shí)間的變化Fig.7 Normalized flame deformation ratio vs. combustion time at various applied voltages

圖7為不同加載電壓下，規(guī)范化火焰變形率αN隨傳播時(shí)間的變化規(guī)律。加載正高壓電場后，αN均大于1，并且傳播時(shí)間越長，αN越大。對(duì)λ=1.6的稀燃火焰，當(dāng)加載電壓分別為2.5、5.0、7.5、10.0和12.0 kV時(shí)，相應(yīng)的平均規(guī)范化火焰變形率(所研究時(shí)間段內(nèi)αN的平均值)依次為1.10、1.29、1.38、1.57和1.67，相比U=0時(shí)分別增大了10.07%、28.81%、38.38%、57.05%以及67.22%；而對(duì)λ=1.8的稀燃火焰，相比U=0時(shí)，平均規(guī)范化火焰變形率則依次增大了22.10%、37.18%、51.75%、66.26%和101.77%。由此可知，對(duì)λ一定的預(yù)混CH4/O2/N2氣體，平均規(guī)范化火焰變形率隨著U的增大而增大；當(dāng)加載電壓一定時(shí)，正高壓電場對(duì)αN的增大效應(yīng)隨著λ增大(混合氣變稀)而增強(qiáng)。

3.3 火焰?zhèn)鞑ニ俾?/h3>

圖8給出不同加載電壓下，火焰?zhèn)鞑ニ俾蕍隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖8可知，對(duì)λ=1.6和1.8的稀燃火焰，在未加電場時(shí)，火焰半徑r1=20 mm處，火焰?zhèn)鞑ニ俾蕍(r1)分別為0.59和0.22 m/s；當(dāng)加載電壓U=5.0 kV時(shí)，v(r1)分別達(dá)到0.84和0.35 m/s，相比U=0時(shí)，分別增大了42.30%和59.9%；當(dāng)U=12.0 kV時(shí)，v(r1)則分別為1.59和1.15 m/s，相比U=0時(shí)，分別增大了170.61%和423.42%。即加載電壓對(duì)稀燃火焰?zhèn)鞑ニ俾视忻黠@的促進(jìn)作用。對(duì)λ一定的稀燃火焰，火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著U的增大而增大。此外，正電場對(duì)火焰?zhèn)鞑サ拇龠M(jìn)效應(yīng)隨著λ的增大而增強(qiáng)。

圖8 不同加載電壓下，火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S火焰半徑的變化Fig.8 Flame propagation speed vs. flame radius at various applied voltages

圖9給出了λ為1.6和1.8的CH4/O2/N2稀燃火焰在水平方向上的平均火焰?zhèn)鞑ニ俾蕍m及其變化率Δvm隨加載電壓U的變化規(guī)律。由圖9可知，當(dāng)過量空氣系數(shù)一定時(shí)，稀燃火焰在水平方向上的平均火焰?zhèn)鞑ニ俾蕍m和Δvm均隨加載電壓的增大而增大，即正電場對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俾实拇龠M(jìn)效應(yīng)隨著電壓幅值的增大而逐漸增強(qiáng)。例如，對(duì)λ=1.6的CH4/O2/N2稀燃火焰，當(dāng)加載電壓為5、10和12 kV，與未加電場時(shí)相比，火焰?zhèn)鞑ニ俾实淖兓史謩e為35.85%、98.26%和133.41%；而對(duì)于λ=1.8的CH4/O2/N2稀燃火焰，則依次為54.83%、230.28%和369.97%。該結(jié)果也說明，正電場對(duì)火焰促進(jìn)效應(yīng)隨著λ的增大而明顯增強(qiáng)。

圖9 不同過量空氣系數(shù)下，平均火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S加載電壓的變化Fig.9 Mean flame propagation speed vs. applied voltage at different excess air ratios

電場方向上的火焰前鋒面形變效應(yīng)依賴于加載電場的極性。實(shí)驗(yàn)過程中，加載對(duì)稱的正高壓電場后，火焰前鋒面在逆著電場線方向上明顯被拉伸，說明正電場能夠促進(jìn)稀燃火焰的傳播。這是由于反應(yīng)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子在正高壓電場作用下經(jīng)過未燃區(qū)向正高壓電極加速遷移，在遷移途中被未燃區(qū)內(nèi)電負(fù)性物質(zhì)吸附產(chǎn)生負(fù)離子。負(fù)離子在正電場作用下獲得動(dòng)量并在與中性分子碰撞過程中將其傳遞給后者，引起流場變動(dòng)產(chǎn)生負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)。

3.4 正電場對(duì)稀燃燃燒特性的影響

圖10給出了不同過量空氣系數(shù)時(shí)CH4/O2/N2稀燃火焰的燃燒壓力隨加載電壓的變化情況。正高壓電場對(duì)稀燃火焰燃燒特性參數(shù)的影響見表1，其中pm為稀燃火焰的燃燒壓力峰值，tp為壓力峰值到達(dá)時(shí)刻，Δpm和Δtp分別表示燃燒壓力峰值及其到達(dá)時(shí)刻相對(duì)于未加載電場時(shí)的變化率。由圖10可知，加載正高壓電場后，稀燃火焰壓力曲線迅速升高，壓力峰值顯著增大，出現(xiàn)壓力峰值的時(shí)刻明顯提前。特別地，當(dāng)λ=1.8時(shí)，在未加電場情況下，火焰燃燒壓力的變化極其緩慢并且壓力峰值和初始?jí)毫ο嗖钶^小，但是，加載正電場后，稀燃火焰的燃燒壓力曲線迅速上升。

圖10 正高壓電場對(duì)稀燃火焰燃燒壓力的影響Fig.10 Influence of positive high-voltage electric fields on combustion pressure of lean flame

表1 當(dāng)過量空氣系數(shù)不同時(shí)，燃燒特性參數(shù)隨輸入電壓的變化情況Table 1 Combustion Characteristic parameters vs. applied voltage

由表1可以看出，在過量空氣系數(shù)一定的情況下，CH4/O2/N2稀燃火焰壓力峰值隨著加載電壓的增大而增大。對(duì)λ=1.8的稀燃火焰，當(dāng)加載電壓U=2.5、5.0、7.5、10.0和12.0 kV的時(shí)，相應(yīng)的壓力峰值分別為199.75、255.88、273.96、330.15和348.48 kPa，比未加電場時(shí)的壓力峰值(173.54 kPa)分別增大了15.10%、47.45%、57.87%、90.24%和100.81%。另一方面，當(dāng)λ=1.6時(shí)，出現(xiàn)壓力峰值的時(shí)刻隨著加載電壓的增大而逐漸提前。對(duì)于λ=1.8的稀燃火焰，當(dāng)U≤5 kV時(shí)，tp隨著加載電壓的增大而增大；而當(dāng)U>5 kV時(shí)，tp則隨著加載電壓的增大而減小。當(dāng)電壓由零增大到12 kV時(shí)，λ=1.6和1.8的稀燃火焰壓力峰值分別增加了13.07%和100.81%；壓力峰值的到達(dá)時(shí)刻分別提前了35.94%和18.09%。綜上所述，加載正高壓電場可以增大稀燃燃燒壓力，并且使壓力峰值的到達(dá)時(shí)刻提前。

4 結(jié) 論

(1) 正高壓電場可以引起稀燃火焰前鋒面在電場方向上顯著拉伸，使其以扁長型的幾何形狀向外傳播。稀燃火焰的規(guī)范化火焰變形率隨加載電壓和過量空氣系數(shù)的增大而增大，當(dāng)加載電壓U=12 kV時(shí)，λ為1.6和1.8的稀燃火焰的規(guī)范化變形率分別為1.67和2.02。

(2) 正高壓電場能顯著促進(jìn)稀燃火焰的傳播。對(duì)于給定稀燃火焰，火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S著加載電壓的增大而增大。當(dāng)U=12 kV時(shí)，λ為1.6和1.8的稀燃火焰平均轉(zhuǎn)播速率依次為1.38和1.07 m/s，與未加載電場時(shí)相比，分別增大了133.41%和369.97%。

(3) 加載正高壓電場，可以顯著增強(qiáng)稀燃燃燒過程，增大稀燃火焰燃燒壓力并使壓力峰值的到達(dá)時(shí)刻提前。當(dāng)加載電壓由零增加到12 kV時(shí)，對(duì)于λ為1.6和1.8的混合氣，火焰燃燒的壓力峰值分別增加了13.07%和100.81%，壓力峰值的到達(dá)時(shí)刻分別提前了35.94%和18.09%。

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