負電場下點電極和網狀電極對預混稀燃火焰的影響

康嬋，楊星，劉杰，孟祥文，房建峰，吳筱敏

（西安交通大學能源與動力工程學院，710049，西安）

20世紀90年代初，國內外的學者開始對電場與火焰的關系進行廣泛的研究，通過對本生燈、平板火焰、燭形火焰等在穩定工況下的火焰分析，發現電場在提高火焰速度［1-3］、增加火焰穩定性［4-6］、減少碳煙排放［7-8］等方面具有顯著的效果。定容裝置中的火焰作為一種基本的火焰類型，是一種燃燒機理較為復雜的瞬態火焰，因而在近年來才受到關注。Min等研究了定容燃燒彈中利用電場使得球形外擴火焰表面破裂，來縮短火焰初始時間，但對燃燒持續時間影響不大［9］；Shinichi等研究發現，在平板電極的非均勻電場下，當輸入電壓達到一定值時，定容裝置中火焰前鋒面出現了湍流，火焰底部的燃燒明顯增強［10］；Meng等通過實驗和數值模擬得出，平板網狀電極下直流電場對甲烷-空氣預混層流火焰的燃燒特性提升具有顯著的作用［11］。上述研究僅針對平板電極電場對當量比附近的混合氣火焰的影響，未涉及極限稀燃條件下不同電極的電場對火焰的影響。

本文在定容燃燒彈內，以點電極和網狀電極加載直流負電壓的方式，對過量空氣系數φa=1.6的甲烷-空氣稀燃火焰傳播和燃燒特性進行了定量分析，對比了在相同能耗下2種電極對火焰的作用，為電場對擴散的非穩定火焰的作用研究提供了數據，也為稀燃的性能指標研究提供了新的思路和方法。

1 實驗裝置和方法

圖1為實驗裝置，由定容燃燒彈系統、進排氣系統、點火系統、測量系統和高壓電供給系統組成。定容燃燒彈整體由碳鋼澆鑄而成，其內腔為Φ130mm×130mm的圓柱體，容彈內有聚四氟乙烯加工而成的厚度為8.5mm的絕緣套，容彈兩側裝有厚度為30mm的石英玻璃。

圖1 實驗裝置圖

容彈中心上下端對稱地分布著一對外裹聚四氟乙烯的針狀電極，在火花點火后充當地電極。圖2為容彈和電極結構。針狀電極直徑為2mm，兩電極的間距為2mm。測量系統由壓力采集系統、圖像采集系統組成。壓力傳感器為Kistler 4075A10壓電式低壓絕對壓力傳感器，采集頻率為20kHz，誤差小于±0.3%。數據采集儀為日本Yokogama公司的DL750型動態測試儀，采樣頻率為10kHz。攝像機為美國Redlake公司的HG-100K型高速攝像機，拍攝速度為5 000幀／s。

實驗中負電場采用Wisman DEL30N45負高壓電源（輸出電壓范圍為0～-30kV，最大輸出功率45W）提供，高壓電極是一對網狀電極和一對點電極。兩高壓電極對稱地布置在容彈中心的水平位置，間距為70mm。網狀電極為Φ20mm的45號鋼圓盤，點電極為Φ4mm的45號鋼實心柱體。

圖2 容彈和電極結構

實驗在常溫、常壓下進行，依次向燃燒彈中充入φa=1.6的甲烷和空氣，靜置90s以消除擾動，與此同時加載電壓。點火的同時觸發測量系統，得到壓力、火焰燃燒距離與時間的關系。每次實驗結束后的廢氣由真空泵抽出，并用空氣多次沖洗燃燒彈，以消除殘留廢氣對下次燃燒的影響。每個工況點至少重復3次，從而減小實驗誤差。

2 結果及分析

2.1 火焰傳播圖像分析

圖3為φa=1.6時點電極和網狀電極下加載不同電壓所對應的火焰傳播圖像。從圖中看出，2種電極下加載電壓后的火焰均出現了形變，變形的程度與加載電壓正相關。網狀電極時，火焰在橫向拉伸的同時縱向稍有壓縮；點電極時，火焰橫向、縱向均明顯拉伸。

圖3 φa=1.6時點電極和網狀電極下加載不同電壓所對應的火焰傳播圖像

加載電壓使得火焰變形的原因是，加載電壓后電極（高壓電極）與針狀尖電極（地電極）形成了方向為由地電極指向高壓電極的電場，在此電場的作用下，大量粒子沿電場方向定向遷移，該現象稱為離子風效應［11］。離子風會使得火焰前鋒面在橫向與未燃區的傳質和傳熱增強，從而促進了火焰的橫向發展。離子風效應與高壓電極加載的電壓幅值正相關，因此火焰橫向拉伸的程度隨著加載電壓幅值的增加而增大。

網狀電極和點電極對火焰縱向發展影響的差異可能來自于電暈放電效應［12］。電暈放電是指，高壓電極表面曲率半徑過大，在加載高壓時局部電場強度大于氣體的電離強度，使得氣體發生電離和激勵。以加載電壓-12kV為例，網狀電極的表面曲率半徑較小，其最高場強大致為0.518MV／m，而點電極附近的最高場強達到1.560MV／m［13］。本實驗中網狀電極的最高場強不足以使氣體電離，不會產生電暈放電，因此加載電壓后離子風效應使得燃燒產生的離子被牽引到橫向的火焰前鋒面，縱向火焰前鋒面的離子濃度降低且反應速度變慢，所以縱向火焰發展受到抑制。加載高壓（-10、-12kV）時，在點電極產生的電場中除了離子風效應外，還存在電暈放電效應，該放電產生的正離子主要分布在點電極附近的負高壓電場內，產生的電子將高速跑出包圍點電極的負高壓電場且速度大幅下降，并被中性粒子吸附而形成負離子。在電場的作用下，負離子加速向火焰前鋒面運動，局部火焰前鋒面與未燃區的傳質和傳熱得以增強，離子風效應加劇，火焰前鋒面在接近電極時發生強烈的皺褶和扭曲，形成湍流，使得更多未燃混合氣被卷吸到火焰區，從而促進了火焰的全局發展，所以火焰縱向拉伸。

2.2 火焰傳播距離和火焰傳播速度

火焰的發展在橫向和縱向存在差異，為了研究加載電壓對橫向和縱向火焰的影響，本文將火焰橫向和縱向的傳播距離Rh和Rv分別定義為火焰前鋒面橫向和縱向最遠處到容彈中心的距離，即Rh=（L1+L2）／2，Rv=（H1+H2）／2，如圖4所示。

圖4 2種電極下火焰橫向和縱向的傳播距離示意

火焰前鋒面相對于靜止的容彈壁面的運動速度定義為火焰傳播速度，對于火焰橫向和縱向的傳播速度分別記為Sh和Sv，則

為了消除點火和燃燒壓力對火焰的影響，本文研究了Rh=5～25mm內的火焰傳播特性［14］。圖5為φa=1.6，且在2種電極加載電壓U 分別為0、-5、-10、-12kV時火焰傳播距離與時間的關系。從圖中可以看出：2種電極加載電壓后，同時刻的Rh均比不加載電壓時大，即U可以促進火焰的橫向傳播，同時刻的Rh隨著加載電壓幅值｜U｜的增加而增大；網狀電極加載-5kV后，同時刻的Rv與未加載電壓時基本無差別，加載-10、-12kV電壓后，同時刻的Rv比未加載電壓時小；點電極加載電壓后，同時刻的Rv均比未加載電壓時有所增加，且在一定范圍內隨著｜U｜的增加也有增加的趨勢。

圖6為2種電極下加載不同電壓時火焰傳播速度與火焰傳播距離R的關系。從圖中可以看出：在2種電極下，未加載電壓時Sh和Sv差別不大，加載電壓后Sh有所增加且與｜U｜正相關；網狀電極下，Sv隨著｜U｜的增加而減小；點電極下，Sv在一定范圍內隨著｜U｜的增加而增大。

圖5 2種電極加載不同電壓時火焰的傳播距離與時間的關系（φa=1.6）

定義火焰橫向平均傳播速度ˉSh為在Rh=5～25mm下火焰的傳播距離與火焰在該距離內傳播所用時間t1之比；定義火焰縱向平均傳播速度ˉSv為時間t1內火焰縱向前鋒面傳播的距離與t1之比。圖7為2種電極下ˉSh、ˉSv與｜U｜的關系。從圖中可以看出：在2種電極下，加載電壓后火焰的ˉSh均有較大幅度的增加，且隨｜U｜的增大而增加；網狀電極下，加載-5kV電壓時ˉSv幾乎不變（見如表1），而當加載-10、-12kV電壓時，由于離子風使得火焰前鋒面的離子沿水平方向運動，縱向火焰面的離子數減少，所以U對ˉSv有明顯的抑制作用；點電極下，在離子風和電暈放電的作用下，U對ˉSv有促進作用，特別是加載-12kV電壓時，火焰縱向傳播速度增幅ΔSv小于加載-5、-10kV電壓時的情況，這是由于加載-12kV電壓時，離子風效應強烈導致縱向火焰前鋒面的離子濃度減小的緣故。由表1可以看出：加載-12kV電壓時，網狀電極下ΔSh為58.3%，ΔSv為-22.8%；點狀電極下，ΔSh、ΔSv分別為55.5%和4.67%。由此得出，加載高電壓時，點電極對火焰傳播速度的促進作用大于網狀電極。

圖6 2種電極加載不同電壓時火焰傳播速度與火焰傳播半徑的關系

圖7 火焰橫向、縱向傳播的平均速度與加載電壓的關系

表1 2種電極下平均速度及變化

2.3 燃燒壓力

圖8 加載電壓時火焰壓力與時間的關系

圖8為2種電極下U 分別為0、-5、-10、-12kV時火焰壓力與時間的關系。 從圖中可以看出：2種電極在加載電壓后的壓力峰值均比未加載電壓時高，峰值到達的時間縮短，說明2種電極下U對燃燒具有促進作用。另外，網狀電極下，雖然加載電壓后壓力峰值均大于未加載電壓，但當｜U｜大于5kV時，壓力峰值隨著｜U｜的增加而降低。其原因是，網狀電極下加載高電壓，火焰初期的橫向傳播速度明顯提高，使得火焰更早地與網狀電極接觸而導致傳熱損失增大，所以壓力峰值比加載-5kV電壓時小。點電極下，壓力峰值隨著｜U｜的增大而增大，峰值到達的時間縮短，這是離子風效應和電暈放電效應共同作用的結果。其原因是，點電極下離子風效應使得Sh明顯增大，但是點電極的表面積很小，火焰橫向發展加快所增加的傳熱損失比較小，點電極下加載高電壓會產生電暈放電，使得火焰發生褶皺和湍流，這進一步促進了火焰的全局發展。

表2是2種電極下U 分別為0、-5、-10、-12kV時火焰壓力峰值和峰值到達時間與加載電壓的關系。表中顯示：當加載-5kV電壓時，2種電極下壓力峰值增加幅度相當，但點電極下峰值到達時間更早；當加載-10、-12kV電壓時，網狀電極的壓力峰值增幅分別為2.4%、1.3%，峰值提前到達的時間分別為21.0、10.6ms，而點電極下壓力峰值增幅分別為9.8%、11.2%，峰值提前到達的時間分別為49.6、59.7ms。由表中結果得出，點電極下加載高電壓對火焰燃燒有促進作用。

3 結 論

（1）2種電極下，火焰橫向傳播速度隨著加載電壓幅值的增大而增加。加載-5、-10、-12kV電壓時，網狀電極下火焰橫向傳播速度分別提高了28.3%、34.6%、58.3%，點電極下分別提高了25.1%、44.0%、55.5%。

（2）加載-5、-10、-12kV 電壓時，網狀電極下ΔSv分別為0.62%、-20.9%、-22.8%，點電極下 ΔSv分別為9.32%、17.20%、4.67%。

表2 火焰壓力峰值和峰值出現時間與加載電壓的關系

（3）2種電極下加載電壓后的壓力峰值均有所增大。當加載-5、-10、-12kV電壓時，網狀電極下壓力峰值增幅分別為5.6%、2.4%、1.3%，點電極下壓力峰值增幅分別為6.4%、9.8%、11.2%。

（4）加載電壓后，2種電極對火焰燃燒都有明顯的促進作用，加載高電壓（-10、-12kV）時，點電極的促進作用較網狀電極更明顯。

［1］ JAGGERS H C，ENGEL A V.The effect of electric fields on the burning velocity of various flames ［J］.Combustion and Flame，1971，16（3）：275-285.

［2］ WON S H，CHA M S，PARK C S，et al.Effect of electric fields on reattachment and propagation speed of tribrachial flames in laminar coflow jets［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2007，31（1）：963-970.

［3］ WON S H，RYU S K，KIM M K，et al.Effect of electric fields on the propagation speed of tribrachial flames in coflow jets ［J］.Combustion and Flame，2008，152（4）：496-506.

［4］ ALTENDORFNER F，KUHL J，ZIGAN L，et al.Study of the influence of electric fields on flames using planar LIF and PIV techniques［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2011，33（2）：3195-3201.

［5］ CALCOTE H F，PEASE R N.Electrical properties of flames-burner flames in longitudinal electric fields［J］.Industrial and Engineering Chemistry，1951，43（12）：2726-2731.

［6］ MEMDOUH B，PASCAL D，PIERRE V.Direct numerical simulation of the effect of an electric field on flame stability［J］.Combustion and Flame，2010，157（12）：2286-2297.

［7］ MASAHIRO S，MASAYUKI S，SAWADA K.Variation of flame shape and soot emission by applying electric field ［J］.Journal of Electrostatics，1997，39（4）：305-311.

［8］ XIE L，KISHI T，KONO M.Investigation on the effect of electric fields on soot formation and flame structure of diffusion flames ［J］.International Symposium on Combustion，1992，24（1）：1059-1066.

［9］ MIN S C，LEE Y.Premixed combustion under electric field in a constant volume chamber［J］.IEEE Trans on Plasma Sci，2012，40（12）：3131-3138.

［10］ MORIYA S，YOSHiDA K，SHOJI H，et al.The effect of uniform and non-uniform electric fields on flame propagation［J］.Journal of Thermal Science and Technology，2008，3（2）：254-265.

［11］MENG Xiangwen，WU Xiaomin，KANG Chan，et al.Effects of direct-current（DC）electric fields on flame propagation and combustion characteristics of premixed CH4／O2／N2flames［J］.Energy Fuels，2012，26（11）：6612-6620.

［12］GOLDMAN M，GOLDMAN A，SIGMOND R S.The corona discharge，it’s properties and specific uses［J］.Pure &Appl Chem，1985，57（9）：1353-1362.

［13］徐學基，諸定昌.氣體放電物理 ［M］.上海：復旦大學出版社，1996：243-261.

［14］蔣德明.內燃機燃燒與排放學 ［M］.西安：西安交通大學出版社，2001：165-167，186-187.