不同電極結構下電場對甲烷/空氣火焰的影響

段浩,房建峰,孫天旗,劉兵,劉杰,高忠權,吳筱敏

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

不同電極結構下電場對甲烷/空氣火焰的影響

段浩,房建峰,孫天旗,劉兵,劉杰,高忠權,吳筱敏

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

基于電場促進燃燒的理論,為了進一步研究不同電極結構對燃燒的影響,利用定容燃燒彈來模擬發動機氣缸內的燃燒,在常溫常壓不同當量比(0.8、1.0和1.2)下通過分別加載3種不同結構的電極對直流電場與甲烷/空氣火焰的關系進行了研究。結果表明:3種電極結構下電場對火焰橫向傳播均有明顯的促進作用,且網狀電極下火焰橫向傳播的促進效果最明顯,然后依次是柱狀電極和點電極;3種電極結構下燃燒壓力一開始均得到不同程度的提高,而網狀電極下電場對燃燒壓力的影響最為明顯。綜上所述:3種電極結構中,網狀電極下電場對火焰的促進作用最大,在今后的應用中較其他兩種電極有更為明顯的優勢。

定容燃燒彈;甲烷/空氣火焰;電極結構;火焰傳播;燃燒壓力

工業革命以來,能源的消耗呈現出井噴式的增長,而化石能源儲量的有限使得人們越來越多地意識到提高能源利用率的重要性。電場輔助燃燒已被研究多年,是提高能源利用率的有效思路。100多年來,國內外研究者分別針對交流或直流電場影響下的本生燈火焰等多種火焰行為和燃燒特性進行了探索和研究,結果表明電場對火焰的穩定性[1-3]、燃燒速率[4-7]及燃燒產物[8-9]均有顯著影響。

然而,國內外研究者在研究電場對燃燒的影響時,絕大多數針對本生燈火焰等駐定火焰,對于非駐定火焰如預混層流火焰的研究則少之又少。近年來,西安交通大學的吳筱敏教授及其團隊利用定容燃燒彈對發動機缸內燃燒進行了模擬,并開展了針對球形膨脹火焰的研究。孟祥文探究了電場作用下預混甲烷/空氣火焰的傳播規律,發現電場能夠有效促進火焰傳播、改善燃燒和提高燃燒穩定性[10]。為了更進一步探討不同電場對燃燒的影響機理,本文綜合研究了網狀電極、柱狀電極和點電極(簡稱網、柱和點)這3種不同電極結構產生的非均勻電場對預混球形火焰燃燒特性的影響,具體從火焰形狀、傳播距離、傳播速率及燃燒壓力等方面進行了分析和比較。

1 實驗裝置和方法

實驗裝置由定容燃燒彈系統、進排氣系統、點火系統、紋影系統、高速攝像系統、壓力采集系統和高壓電供給系統7部分組成,如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

定容燃燒彈是內腔為Φ113mm×130mm的圓柱體,由碳鋼整體澆鑄而成,其內襯為聚四氟乙烯加工而成的絕緣套,兩側為厚30mm的石英玻璃,給火焰燃燒紋影成像提供光學通路。高速攝像機是美國REDLAKE公司生產的HG-100K,用于記錄火焰傳播過程,拍攝速度為5000幀/s。壓力傳感器是型號為Kistler 4075A10的壓電式低壓絕對壓力傳感器,用于采集容彈內的燃燒壓力,誤差小于±0.3%,采集頻率為20kHz。高壓直流電源型號為Wisman DEL30N45,用于提供負高壓產生負電場,電源輸出電壓范圍為0～-30kV連續可調,功率范圍為1.5～45W,輸入電壓變化為±10%。

容彈中心豎直方向對稱地分布著一對外裹聚四氟乙烯的針狀點火電極,在火花點火后充當地電極。該點火電極直徑2mm,材料為碳鋼,兩電極尖端的間距為2mm。網狀電極為Φ60mm的網狀圓盤,點電極為直徑4mm的實心鋼棒,柱電極為內徑103mm、外徑113mm的空心圓柱體,3種電極材料均為45號鋼,結構及尺寸如圖2所示。分別將高電壓通過高壓電源加載到3種電極上形成高電勢,并與地電極產生不同結構的電場,高壓電極在容彈內的安裝位置如圖3所示。

圖2 不同電極結構

圖3 容彈和3種電極結構簡圖

實驗在常溫常壓下進行,實驗前向容彈里配置當量比λ分別為0.8、1.0和1.2的甲烷/空氣混合氣,靜置2min使其混合均勻,與此同時對各電極加載負高壓。點火同時觸發高速攝像機和壓力傳感器,從而得到火焰圖像和燃燒壓力。燃燒后廢氣由真空泵抽出,并用空氣沖洗燃燒彈至少2次以消除殘留廢氣對下次燃燒的影響。每個實驗工況至少重復3次,并取平均值以降低實驗誤差。對于火焰傳播距離的測量,相對誤差為±3%。

2 結果及分析

2.1 電場數值模擬結果

利用Maxwell 14.0軟件對3種電極在加載電壓后形成的空間電場分布進行了數值模擬。由于本實驗火焰燃燒持續期不超過60ms,短時間內空間電荷難以形成有效積累,因此本實驗在模擬靜電場時忽略了空間電荷的影響。模擬時,點火電極接地,在3種電極上分別加載-10kV直流電壓,容彈中心截面的模擬結果如圖4所示。

(a)網狀電極 (b)柱狀電極 (c)點電極

由圖4可發現,3種電極下容彈內電場強度大小有明顯的區別。圖5列出了容彈中心水平方向的電場強度E的值,可以發現:距容彈中心較近時網狀電極下電場強度最大,柱狀電極其次,點電極最小;隨著離容彈距離的增加,點電極下的電場強度迅速增加,在L=20mm左右時超過了柱狀電極,甚至在L=25mm時幾乎與網狀電極相等。

圖5 容彈中心水平方向電場分布圖

2.2 火焰傳播圖像

圖6為當量比為1.0時的火焰傳播圖像,可以看出:當加載電壓U為0kV時,火焰均呈球形由已燃區向未燃區傳播;當加載電壓為-5kV時,柱狀電極和點電極下的火焰在水平方向得到了輕微拉伸,而網狀電極下火焰橫向拉伸幅度較大;當加載電壓為-10kV時,3種電極下的火焰形狀均發生明顯改變,網狀電極下火焰橫向拉伸最為明顯,柱狀電極次之,點電極拉伸程度最小。

圖6 λ=1.0時3種電極對應的火焰傳播圖像

加載電壓后火焰形狀的改變主要是離子風效應造成的[10],正離子在電場作用下向網狀電極遷移,遷移過程中與其他粒子碰撞從而形成大量粒子沿電場方向大規模定向運動,即離子風效應,這使得沿電場方向的已燃區、火焰前鋒面及未燃混合氣之間的傳質和傳熱加強,最終促進了火焰前鋒區向未燃混合氣發展。離子風效應的影響因素包括電場強度、帶電粒子密度,以及帶電粒子隨火焰前鋒面在電場內遷移的時間。離子風效應隨著以上3個因素的增強而增強,這是因為它們均能提高電場作用下離子與中性粒子之間發生碰撞的頻率,從而促進離子風效應的發展。

3種電極下火焰橫向拉伸程度的不同是因為其電場強度不同造成的。隨著加載電壓絕對值增大,離子風效應增強,因而火焰橫向拉伸的幅度也隨之增大。對于不同電極結構誘導的電場,電場強度不同,因此離子風效應的發展程度也不同,對火焰的促進效果也有差異。在圖5中,取容彈中心兩側25mm范圍內的電場強度平均值EA進行比較可以發現,網狀電極下EA最大,為266.16 kV/m,而柱狀電極和點電極下EA分別為216.30kV/m和182.08 kV/m。因此,網狀電極下火焰橫向拉伸最明顯,其次為柱狀電極和點電極。

2.3 火焰傳播距離

本文定義的火焰傳播距離L指火焰在水平方向上左右兩邊火焰前鋒面到容彈中心距離的平均值,即L=(L1+L2)/2,L的值由紋影照片直接確定,如圖7所示。當L<6 mm時,點火能量對火焰發展的波動影響比較大;當L>25mm時,火焰發展又會受到來自容彈結構方面的顯著影響[11]。因此,在分析電場對火焰水平方向傳播速率的影響時,L的計算范圍選定為6～25mm。此外,該計算范圍下定容燃燒彈內壓力和溫度變化甚小,可以排除或忽略其對火焰發展的影響。由于豎直方向上火焰發展受電場影響較小,其縱向發展變化也不大,故本文僅討論水平方向上的火焰發展變化情況。

圖7 數據獲取示意圖

圖8示出了當量比為1.2時3種電極下火焰傳播距離隨時間的變化關系。由圖可知,加載電壓相同時,網狀電極下L-t曲線斜率最大,然后依次是柱狀電極和點電極,但均大于加載電壓為0kV時的曲線斜率。

圖8 λ=1.2時L隨t的變化

考察火焰傳播距離發展到25mm所需的時間t25來分析3種電極結構對火焰傳播距離的影響。表1給出了當量比為0.8、1.0和1.2時t25的值,其中Δt25為相比加載電壓為0kV時t25的相對變化量。

表1 3種電極結構對應t25和Δt25的值

根據表中的數據可以發現,網狀電極下t25最小,柱狀電極次之,點電極最大。例如當量比為1.2、加載電壓為-10kV時網狀電極對應的t25為10.69 ms,比加載電壓為0kV時提前了40.31%,而柱狀電極和點電極對應的t25分別為12.94ms和14.39 ms,分別僅提前了27.75%和19.65%。

2.4 火焰傳播速率

火焰傳播速率指火焰相對于靜止燃燒壁面的運動速度,可從高速攝影儀拍到的火焰傳播圖像中測出。本文主要研究水平方向上的火焰傳播,記水平方向火焰傳播速率為

圖9所示為當量比為1.2時3種電極的SL隨L的變化關系。由圖可知,加載電壓相同時,網狀電極下SL最大,然后依次是柱狀電極和點電極,但均大于加載電壓為0kV時的SL。

圖9 λ=1.2時SL隨L的變化

考察L=20mm時的火焰傳播速率S20來分析不同電場結構對火焰傳播速率的影響。表2給出了當量比為0.8、1.0和1.2時S20的值,表中ΔS20為相比加載電壓為0kV時S20的相對變化量。根據表中的數據可以發現,網狀電極下S20最大,柱狀電極次之,點電極最小。例如當量比為1.2、加載電壓為-10kV時網狀電極對應的S20為2.18m/s,比加載電壓為0kV時增大了87.93%,而柱狀電極和點電極對應的S20分別為1.76m/s和1.53m/s,分別增大了51.72%和31.90%。

為了直觀地表示出電場強度對燃燒速率的影響,建立了不同當量比下對3種電極分別加載-10kV電壓時,S20與EA之間的關聯曲線,如圖10所示。由圖可見,當量比一定時,隨著EA的增大,S20呈現出單調上升的趨勢。這進一步證明了隨著電場強度的增大,離子風效應變得顯著,火焰傳播速率加快,電場對火焰拉伸的促進效果也越大。

表2 3種電極結構對應S20和ΔS20的值

圖10 S20隨EA的變化

由圖6和表1、表2可知,當量比為0.8或1.2時,火焰形狀、傳播距離以及傳播速率的變化規律均與當量比為1.0時相同,但從3種電場對其影響幅度的差異上看,均較當量比為1.0時更加顯著。這是由于當量比為0.8或1.2時,火焰傳播相對較慢,火焰前鋒面中的帶電粒子在電場內遷移的時間增加,3種電極下電場作用于火焰所產生的離子風效應的累積差別也比較大造成的。

2.5 燃燒壓力

為了突出顯示3種電極下燃燒壓力相對未加電場時燃燒壓力的變化情況,本文考察了(p-p0)/p0隨時間t的變化規律,其中p0為未加電場時的瞬時壓力值,p為加載電場時的瞬時壓力值。峰值((p-p0)/p0)max體現了加載電壓時燃燒壓力相對未加載電壓時燃燒壓力的最大增加幅度,該值越大,有無電場時燃燒壓力的差別越大,電場對燃燒壓力的提高效果也越明顯。

圖11～13分別為當量比為0.8、1.0和1.2時(p-p0)/p0隨t的變化曲線。表3定量地給出了當量比為0.8、1.0和1.2時((p-p0)/p0)max的值,可以發現,對于不同的當量比,網狀電極下峰值總是最大的,其次為柱狀電極,點電極下峰值最小。這是由于網狀電極產生的電場強度最大,而柱狀電極和點電極產生的電場強度較小造成的。

(a)λ=0.8,U=-5kV

(b)λ=0.8,U=-10kV

(a)λ=1.0,U=-5kV

(b)λ=1.0,U=-10kV

(a)λ=1.2,U=-5kV

(b)λ=1.2,U=-10kV

表3 3種電極結構對應((p-p0)/p0)max的值

3 結 論

(1)利用Maxwell 14.0軟件對3種電極所產生的電場進行了模擬,結果發現網狀電極產生的電場強度最大,柱狀電極次之,點電極最小。

(2)3種電極作用下火焰形狀均發生改變,電場方向上火焰傳播得到了促進,火焰橫向傳播速率增大。當加載電壓相同時,網狀電極對火焰橫向傳播的促進作用最明顯,柱狀電極次之,點電極最弱。

(3)3種電極作用下相同時刻容彈內壓力均有所增大,網狀電極結構下的電場對燃燒壓力的影響效果最明顯,然后依次為柱狀電極和點電極。

(4)綜合來看,3種電極中網狀電極形成的電場對甲烷燃燒的促進效果是最好的,在今后的應用中較其他兩種電極有更大的優勢。

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(編輯 荊樹蓉)

EffectsofElectricFieldsinDifferentElectrodeStructuresonMethane/AirFlames

DUAN Hao,FANG Jianfeng,SUN Tianqi,LIU Bing,LIU Jie,GAO Zhongquan,WU Xiaomin

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

For the purpose of studying the effects of different DC electric fields on combustion, a constant volume combustion device was used to simulate the combustion process inside engine cylinder based on the theory of electric field assisted combustion. For the equivalent proportion of 0.8, 1.0or 1.2, the relationship between DC electric field and methane/air flames was studied by applying three different electrode structures at normal temperature and pressure. The results show that the electric fields produced by the electrodes in three different structures have significant effects on promoting flame propagation in the horizontal direction, and the electric field produced by mesh electrodes promotes the flame propagation most, followed by columnar electrodes and needle electrodes. The combustion pressures under three electode structures were enhanced differently at the beginning, and the electric field produced by the mesh electrodes raised the combustion pressure the most. To sum up: among the three electrodes, the mesh electrode has the most promotive influence on the flame, showing a greater advantage over the other two in future applications.

constant volume combustion device; methane/air flames; electrodes structure; flame propagation; combustion pressure

2014-01-22。

段浩(1991—),男,博士生;吳筱敏(通信作者),女,教授,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(51176150,51306143);清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室開放基金資助項目(KF14122)。

時間:2014-06-13

10.7652/xjtuxb201409011

TK431

:A

:0253-987X(2014)09-0062-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140613.1457.004.html