交流電場氣動效應對球形傳播火焰影響的數值研究

李超,張聰,吳筱敏,2,高忠權

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.陜西理工學院陜西省工業自動化重點實驗室,723001,陜西漢中)

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交流電場氣動效應對球形傳播火焰影響的數值研究

李超1,張聰1,吳筱敏1,2,高忠權1

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.陜西理工學院陜西省工業自動化重點實驗室,723001,陜西漢中)

為了驗證電場對球形傳播火焰的影響機理,通過采用給球形傳播火焰鋒面組分添加交變動量源項的方法,模擬了交流電場作用下火焰鋒面受力產生的氣動效應,以預測電場對球形傳播火焰影響的機理。在N-S方程中通過為火焰鋒面添加以流動時間t函數形式的水平方向動量源項并采用Fluent軟件,來模擬交流電場對甲烷-空氣球形傳播火焰的拉伸影響,模擬時過量空氣系數為1.6,體積力有效值恒為30 750 N/cm3,交變頻率分別為10 Hz、100 Hz和1 000 Hz。模擬結果表明:在交流電場下,低頻時電場對火焰的拉伸作用較為明顯,在此階段氣動效應是電場對火焰形變產生影響的主要因素;高頻時沒有發現火焰出現明顯的拉伸現象,可以推斷此時氣動效應不是電場對火焰影響的主要因素;氣動效應的界定頻率的數量級可以通過數值模擬來估計,約在102～103Hz左右。

電場;火焰拉伸;氣動效應;數值模擬

電場助燃技術和等離子體助燃技術,在近些年來逐漸成為內燃機以及航空發動機領域研究的重點。這項技術的原理,是將能量有選擇性地傳遞給燃燒場中的正離子、電子及中性粒子,從而起到促進燃燒的作用。國內外的研究表明,通過使用電場助燃技術,火焰的穩定性、傳播速度以及火焰燃燒速度明顯提升。此外,通過結合稀燃技術,還能有效降低NOx和煙灰等排放。

Calcote等在電場對燭形火焰的研究中發現,加載電場可以促進火焰面反應物的化學電離,通過調節加載電場的大小和正負極性,可以對火焰進行拉伸和壓縮調節[1]。Hu等在電場對燭形火焰形狀的影響研究中發現,在加載了3 kV的電壓后,某一固定高度下反應物、產物以及中性中間產物的質量分數差別并不大,而帶電離子的濃度變化卻因為電場的加載而出現明顯的差異[2]。Saito等在本生燈縱向加載電場時發現,火焰位置的上下火焰極限點發生了改變,鋒面及附近區域的湍流度增強,火焰溫度升高,火焰傳播速度增大[3]。Volkov等研究了直流電場對平面火焰的作用,結果表明電場對于平面火焰的絕熱火焰傳播速度最多能有12%的提升,激光誘導熒光檢測OH自由基的濃度和分布沒有明顯變化[4]。Belhi等使用簡化后的化學反應動力學模型,研究了本生燈層流火焰的離子濃度分布[5]。Wisman等在電場控制丙烷空氣預混熱擴散不穩定性的研究中發現,給本生燈火焰加載正電場后,化學反應中的帶電粒子,如H3O+、HCO+,趨于向未燃預混區遷移,預混區的預熱作用提升了燃燒的穩定性并降低了Le數[6]。

對于非穩態傳播火焰的研究,Cha通過實驗研究發現,電場對球形傳播火焰的影響不完全是“離子風”效應的作用,還存在其他因素的影響[7]。吳筱敏等通過實驗驗證了不同的過量空氣系數、初始壓力、交流電頻率、電場強度和高壓電極結構對球形傳播火焰的影響,同時發現在球形傳播火焰軸線方向上通過加載電場力對軸線上的火焰傳播具有促進作用,但是同時會抑制徑向上的火焰傳播,這種電場對火焰的影響在高頻交流電場下比直流更加明顯[8-9]。

綜上所述,電場對傳播火焰的影響機理與電場對駐定火焰的影響機理存在一定的差異,此外直流電場與交流電場對火焰影響的機理也存在一定的差異,目前也沒有新的理論和相關的數值研究驗證電場對球形傳播火焰的影響機理。因此,本文通過采用在球形傳播火焰鋒面組分添加交變動量源項的方法,模擬了交流電場作用下火焰鋒面受力產生的氣動效應,通過對相關的數值結果進行分析,預測了電場對于球形傳播火焰影響的機理。

1 理論研究

1.1 現有理論

現有的電場對火焰影響的主流理論大致分為兩種,一是以離子風理論為主的氣動效應,另一種是電場作用下化學反應動力學的電化學效應。

離子風效應[10-11]主要是指,對燃燒的火焰施加電場,火焰鋒面上由化學離子化產生的離子和電子受電場力的作用被分離、加速,并在加速和運動過程中與中性分子發生碰撞,在發生碰撞的同時將動量傳遞給中性分子。由于離子的質量遠大于電子的質量,而離子的平均自由程很短,所以發生碰撞后離子會再次被電場加速。這樣周而復始使得大量中性分子定向移動,由此形成了已燃區與未燃區動量和能量交換的理論。

電化學效應主要是指,電場加載到火焰之上,能量直接添加到了反應區的各組分之上,進而反應區的離子被活性化且發生電離,由此降低了反應時所需活化能的要求,使相同工況下該區域的化學反應更易進行,火焰穩定性、燃燒速率等得以提升。

1.2 現有理論存在的問題

離子風效應和電化學效應大多是基于駐定火焰的,如本生燈火焰、平面駐定火焰和燭形火焰等,駐定火焰實驗中最終觀察到的結果通常是一種累積效應,對加載電場后離子的真正遷移路徑和火焰面的能量密度分布等無法進行觀察和分析,因此從駐定火焰上得到的理論和實驗結果存在一定的局限性。

對于傳播火焰,由于火焰鋒面的位置會隨時間發生變化,因此離子的遷移過程等會受到該點離子存在時間的約束,在傳播火焰中的離子也不像駐定火焰那樣通過累積達到新的平衡點。所以,相比基于駐定火焰研究,通過研究傳播過程中電場對火焰的影響,可以得到更加合理的理論解釋。

2 數值研究

2.1 數值方法

正常情況下甲烷-空氣預混火焰鋒面帶正電的粒子主要是CHO+、CH3+、H3O+等,其中CHO+、CH3+出現時間較早,而H3O+出現時間較晚[5],但是為了保證數值計算的效率,采取火焰鋒面不區分物種且統一添加動量源項的簡化方法,可以模擬電場力對火焰鋒面內離子的作用。從化學反應動力學角度分析,帶電粒子對燃燒反應的影響很小,因此大多數燃燒簡化機理是將這些物質視為非敏感性物種。

本文主要是討論交流電場氣動效應對球形傳播火焰的影響,并通過在水平方向上添加交變的體積力來模擬交流電場氣動效應的影響。這種方法在不考慮電化學效應且只考慮氣動效應時是可行的。

2.2 數值模型

數值模擬使用Fluent軟件進行,模型采用二維封閉容彈燃燒模型,計算區域如圖1所示,尺寸、邊界條件和分區如表1所示。數值計算通過求解Navier-Stokes方程完成,燃燒模型為非穩態甲烷-空氣預混單步反應模型[12],過量空氣系數為1.6,反應式以及反應速率表達式如下

圖1 數值計算區域示意圖

參數參數描述計算域大小35mm×70mm點火區左部中心r=1mm半圓預混區除點火區外的空間網格總數39405網格最大尺寸小于1mm網格最小尺寸0.2mm,在點火區網格屬性三角形非均勻網格計算時間步長10-7s

CH4+3.2O2+11.97N2=CO2+2H2O+

1.2O2+11.97N2

(1)

(2)

層流燃燒采用兩部矯正的PISO算法進行隱式迭代,計算結果均為二階精度。體積力采用UDF法、通過向Navier-Stokes方程中特定粒子添加x向動量源項來實現,即

(3)

(4)

式中:Fconst是交變體積力的有效值;ω是交流頻率。

源項的添加是使用C語言通過編寫子程序完成的,火焰鋒面粒子的篩選通過當前粒子的溫度進行(見式(4)),體積力有效值的數量級通過David[13]等在駐定火焰中測量得到的離子濃度C(數量級約1011～1012cm-3)、實驗高壓電極上的加載電壓U(10 kV)、基元電荷電量e(1.602×10-19C)以及高壓電極與點火電極間的距離d(35 mm)通過F=eUC/d估算得到。由于采用在火焰面統一添加體積力的方法,因此本文對使用的交變體積力的有效值進行了放大,體積力大小始終為30 750 N/cm3,而主要變量是ω。

3 數值模擬結果

圖2～圖5列舉出了不添加交流體積力以及添加30 750 N/cm3體積力時頻率分別為10 Hz、100 Hz和1 000 Hz共4種情況下點火后0.002～0.008 s火焰鋒面傳播情況。

(a)0.002 s (b)0.004 s

(c)0.006 s (d)0.008 s圖2 不添加體積力的火焰鋒面傳播示意

(a)0.002 s (b)0.004 s

(c)0.006 s (d)0.008 s圖3 體積力30 750 N/cm3、交變頻率 10 Hz的火焰鋒面傳播示意

(a)0.002 s (b)0.004 s

(c)0.006 s (d)0.008 s圖4 體積力30 750 N/cm3、交變頻率 100 Hz的火焰鋒面傳播示意

(a)0.002 s (b)0.004 s

(c)0.006 s (d)0.008 s圖5 體積力30 750 N/cm3、交變頻率 1 000 Hz的火焰鋒面傳播示意

以不添加體積力的數值模擬結果(見圖2)為基準,通過將圖3和圖4與基準結果對比可以看出,在低頻情況下,火焰因受電場力的影響而被拉伸,且隨著交變頻率的增大而增大。由于加載的體積力是水平方向的,因此在水平方向上觀察到了明顯的拉伸作用,而在點火位置的豎直方向上火焰傳播受到了明顯的抑制,如圖3b～3d及圖4a～4b所示。當時間到達0.005 s后,10 Hz下電場方向依然保持著與初始時一致,100 Hz下電場方向開始掉轉,此時火焰發生變形且由于體積力始終作用于火焰面上方,所以出現了圖4c～4d中火焰面向左側拖拽的現象,這個結果與直流電場作用于球形傳播火焰所得到的結果相同,即在此階段氣動效應可以有效影響火焰。當交變頻率升高到1 000 Hz時,火焰的拉伸趨勢隨著頻率的增大而逐漸減小(見圖5),即在高頻情況下,給火焰鋒面加載交流體積力沒有產生氣動效應。

圖6為體積力為30 750 N/cm3、交變頻率分別為100 Hz和1 000 Hz且在0.008 s時的速度場矢量圖。通過對比可以發現,鋒面粒子的定向遷移在100 Hz下較為明顯,遷移路徑主要沿火焰面進行。由于遷移的存在,火焰鋒面內粒子濃度分布呈現出明顯的不均勻性,這種濃度差異引起的化學反應速率變化可以很好地解釋火焰受電場力后的變形現象。此外,伴隨著遷移過程,在火焰鋒面內外還出現了渦流,渦流對已燃區和未燃區的擾動會導致火焰面的形變進一步加劇。在1 000 Hz下,火焰鋒面內的離子沒有明顯出現遷移的現象,因此粒子沿火焰面的分布是均勻的,不同火焰面位置的化學反應速率不會因為粒子濃度的差異而不同,同時高頻交流電場下也沒有形成渦流,火焰可以持續維持圓形進行傳播。

(a)100 Hz (b)1 000 Hz圖6 體積力30 750 N/cm3下點火后0.008 s的速度場

4 數值模擬結果分析

根據Kim的理論[14],在加載電場力后,被加速的帶電正離子和電子碰撞中性粒子需要一定的響應時間,這個響應時間與電場強度、帶電離子濃度、交變頻率等因素有關。

按照理論計算,1 000 Hz頻率的交變電場下,盡管響應無因次時間非常短,約為0.02,但是由帶電離子與中性粒子間的碰撞而驅動的粒子只占該區域離子總量約4%,因此在相同的有效體積力和離子濃度情況下,高頻交流電場無法產生明顯的氣動效應,而且隨著頻率的進一步提高,這種影響力還會下降。100 Hz頻率的交變電場下,響應需要無因次時間約為0.2,能夠有效驅動的粒子數百分比大約為30%,盡管響應較慢,但是由于驅動的離子量比1 000 Hz頻率的高,因此得到的火焰形變相對較大。10 Hz頻率交變電場下,響應需要無因次時間約為2,能夠有效驅動的粒子數百分比大約為95%,但是由于該頻率太低,致使火焰鋒面在受作用的時間段內的電場力并沒有達到理論有效值,而是維持在較低水平上,因此10 Hz頻率下所得到的火焰拉伸率比100 Hz小。

Kim的理論可以通過圖7進行概括,即式(4)中的sin(2πwt)與流動時間t的關系。假設在傳播火焰中粒子的受力作用時間為0.005 s,此時在1 000 Hz交流電場下體積力已經運行了5個周期,由于體積力的方向是往復變換的,因此5個周期的交變體積力并沒有對火焰面粒子的遷移產生大的擾動。對于100 Hz的交流電場,0.005 s時間內電場方向始終如一,且時間恰好為1/2周期,此時交變電場的平均值可以達到有效值,因此在100 Hz情況下,火焰面在傳播過程中會有明顯的被擾動現象。當交變頻率為10 Hz時,盡管在0.005 s時間內電場方向仍然維持不變,但是由于周期太長,使得該時間段內變頻系數均值在一個很低的位置上,圖7中約為0.147(100 Hz為0.707),因此10 Hz頻率的交變電場對傳播火焰的擾動比100 Hz小。

圖7 變頻系數隨時間的變化

5 結 論

采用火焰鋒面添加交變體積力的方法可以有效模擬電場對球形傳播火焰氣動效應的影響,通過對比和分析不同交流頻率對火焰傳播過程和流場的變化的影響,可以得出以下結論。

(1)在低頻情況下,火焰鋒面受力后鋒面內粒子會沿著火焰面遷移,此時電場對傳播火焰影響的主要因素應為粒子遷移產生的濃度分布不均和火焰面內外兩側形成的渦流。

(2)在高頻情況下,沒有發現明顯的離子定向遷移,即沒有氣動效應使火焰產生形變。

(3)交流電場對火焰氣動效應的影響存在最佳頻率,在本文30 750 N/cm3體積力、1.6過量空氣系數的甲烷-空氣預混球形傳播火焰條件下,最佳頻率約在102～103Hz之間。

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(編輯 苗凌)

Numerical Simulation for AC Electric Field Aerodynamic Effect on Spherically Expanding Flame

LI Chao1,ZHANG Cong1,WU Xiaomin1,2,GAO Zhongquan1

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Shaanxi Key Laboratory of Industrial Automation, Shaanxi University of Technology, Hanzhong, Shaanxi 723001, China)

To verify the mechanism of electric field acting on spherically expanding flame, by adding alternating momentum source items to flame surface, the aerodynamic effect under an AC electric field is simulated to predict the mechanism that electric field affects spherically expanding flame. CFD software Fluent is used to simulate the stretch effect resulting from AC electric field acting on methane/air premixed flame. A horizontal momentum source term consisting of flowing time is added into N-S equation, and excess air coefficient is taken as 1.6, volume force as 30 750 N/cm3, and AC frequency as 10 Hz, 100 Hz and 1 000 Hz, respectively. The results show that for low frequency AC field, stretch effect on the flame is more obvious, aerodynamic effect gets the primary reason of flame deformation in this stage; for high frequency AC field, stretch effect on flame surface has not been found. Thus the magnitude of effective frequency is estimated within 102-103Hz.

electric field; flame stretch; aerodynamic effect; numerical simulation

2015-01-05。

李超(1987—),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(51176150,51476126);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:2015-08-13

10.7652/xjtuxb201511004

TK431

A

0253-987X(2015)11-0020-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150813.1017.012.html