交流電場電壓幅值對球形火焰影響的理論研究

張聰,侯俊才,段浩,李超,吳筱敏,2

(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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交流電場電壓幅值對球形火焰影響的理論研究

張聰1,侯俊才1,段浩1,李超1,吳筱敏1,2

(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)

為了獲得高頻交流電場電壓幅值對球形擴展火焰的影響因素,運用電磁學原理進行了研究,得出:以兩網狀電極為底面的圓柱體中任意一點在任意時刻產生的電磁能量大小與交流電電壓有效值的平方成正比,與該點到圓柱體軸心的距離成正比,在圓柱體中電磁能量密度沿徑向遞減;電磁能量產生的熱效應和電化學效應可提高火焰平均傳播速度,電磁能量密度的不均分布會引起火焰變形。同時,通過對常溫、常壓下定容燃燒彈中3種過量空氣系數的甲烷-空氣預混球形擴展火焰的平均傳播速度和形狀變化與加載交流電壓有效值的關系進行了實驗驗證,結果表明:當電壓有效值小于2 kV時,電磁能量以熱效應的方式促進火焰傳播,當電壓有效值大于2 kV時,電磁能量以電化學效應的方式促進燃燒;實驗中電磁能量密度的不均勻分布導致了火焰橫向拉伸。該結果可為高頻電場助燃研究提供新的思路和方法

高頻交流電場;球形擴展火焰;平均火焰傳播速度;電磁能量

隨著環境污染和能源危機的進一步加劇,有效提高能源利用率成為迫在眉睫的任務。電場助燃技術以其促進燃燒達到高效率、低污染的特點引起越來越多學者的廣泛關注。Jaggers等發現火焰傳播速度在電場作用下顯著提高[1]。后續大量學者應用各種不同類型火焰的研究結果驗證了電場能夠提高火焰傳播速度[2-4]。除此之外,電場對提高火焰穩定性[5-7]和減少碳煙排放[8-11]同樣效果明顯。孟祥文等人通過實驗研究驗證了直流電場強度和高壓電極結構對球形擴展傳播火焰的影響,并將該影響合理地解釋為離子風效應[12-13]。Min等人的研究表明,在交流電場中火焰受離子風效應的影響隨著電場頻率的增加呈遞減趨勢,當電場頻率高于1 kHz時,離子風效應已經微乎其微[14],這意味著高頻交流電場對燃燒的促進作用需要新的機理進行解釋。Timothy等人發現,高頻電場的能量對燃燒過程中氧氣的分解產生電化學的作用促進了燃燒[15-16]。張揚等人研究發現,火焰形變隨電壓幅值呈非單調性變化,并把這一變化的原因歸結為熱效應、離子風效應和電化學效應[17]。以上研究結果表明,熱效應和離子風效應可能是高頻交流電場的助燃機理,但這兩種效應對火焰的影響隨高頻交流電場變化的關系卻并不明確。

本文引入電磁學經典理論推導出定容燃燒裝置中電磁能量密度分布趨勢和能量隨電壓幅值和頻率的變化公式,對熱效應和電化學效應作用于火焰的影響隨高頻交流電場產生的電磁能量的變化關系加以研究,并通過在定容燃燒裝置中加入高頻交流電場的甲烷-空氣稀燃火焰實驗進行了驗證,以期為高頻電場助燃研究提供新的思路和方法。

1 理論研究

1.1 高頻交流電場產生的電磁能量

以兩網狀電極為底面的圓柱體的研究區域1如圖1所示。兩網狀電極間接有正弦變化的高頻交流電源,此時兩網狀電極相當于一組平行板電容器,研究區域1(以下簡稱為區域1)內任意兩點在任意時刻的電場強度相等、方向相同,且任意一點的電場強度隨時間成正弦變化,方向由正電壓正極板指向負極板。

麥克斯韋方程組在開放空間中的磁場環路定理的微分形式為

(1)

式中:H為磁場強度;E為電場強度;ε為電介質常數。從式(1)可以發現,受區域1中正弦變化的電場激發,磁場將環繞電場產生。為了確定區域1中不同位置磁場強度的大小,確定了區域1中任意與網狀電極平行的截面(研究區域2,見圖1),引入麥克斯韋方程組在開放空間中的磁場環路定理的積分形式

(2)

圖1 研究區域示意圖

式中:L為圖1中半徑為r的圓周長;s為半徑為r的圓面積。對式(2)以半徑為r的圓面進行積分,使之成為在任意時刻不隨位置變化的量,則有

(3)

式(3)表明,在區域2中,任意時刻的磁場隨著半徑的增大而增大,這說明靠近區域2邊界附近的區域產生的磁場將遠大于圓心處產生的磁場。因為區域2為區域1中任意橫截面,因而區域2中的結論適用于整個區域1,即區域1中的磁場以圓柱軸線為起點呈徑向分布,且隨著半徑的增大而增大,并在圓柱體表面附近達到最大。

區域1中任意時刻的電場強度

(4)

式中:ω=2πf,f為電場頻率;U0為交流電壓峰值;d為兩網狀電極之間的距離。由式(3)可知,任意時刻磁場強度

(5)

電場和磁場在空間中相互作用產生電磁能量,并以輻射的形式充滿區域1。在電磁學中電磁能量的大小由坡印亭矢量[18]來表征,區域1中任意一點在任意時刻產生的電磁能量為

(6)

從式(6)中我們得出本文最重要的結論,即:區域1中任意一點在任意時刻產生的電磁能量大小與交流電壓幅值的平方成正比,與該點到區域1軸心的距離成正比;電磁能量的大小隨時間正弦變化。這一結論將成為接下來電磁能量密度推導和提高電壓幅值促進燃燒理論的依據。

1.2 高頻交流電場產生的電磁能量分布

電場中產生的電磁能量是徑向傳播的,式(6)顯示電磁能量的傳播方向為電場強度與磁場強度的叉積方向。區域2中任意一點(見圖1中點A)的電磁能量傳播方向(由式(6)可知)應為該點沿徑向指向圓心,同理可以推得區域1中任意一點電磁能量傳播方向為該點沿徑向指向軸心,因此區域1距離軸心的位置越近,該區域接收到的來自其他區域的電磁能量越大,所以區域1中的電磁能量呈現從軸心沿徑向的分布,且沿徑向呈遞減的趨勢,如圖2所示。

圖2 區域1坡印亭矢量正半周期電磁能量分布示意圖

由于坡印亭矢量為正弦變量,因而在負半周期內電磁能量的傳播方向將與正半周期相反,即區域1內任意一點電磁能量的方向將沿徑向垂直指向圓柱柱面,此時電磁能量分布形式將呈現沿軸心徑向分布,且隨著半徑的增大而增大。由于靠近軸心處的電磁能量小于靠近柱面處的能量,因而靠近柱面的電磁能量密度將遠遠大于靠近軸心處的密度。

2 實驗裝置和方法

2.1 實驗裝置

整個實驗臺架如圖3所示。定容燃燒彈、配氣系統和點火電路相互配合完成甲烷-空氣混合氣的燃燒,容彈內交變電磁場由高頻交流電源提供,火焰傳播的整個過程由高速紋影攝像機記錄。

圖3 實驗裝置圖

定容燃燒彈的內部結構如圖4所示。定容燃燒彈整體由45號碳鋼加工而成,燃燒彈的內腔為圓柱體結構(Φ130 mm×130 mm)。圓柱體內腔上鑲嵌著一層厚度為8.5 mm的聚四氟乙烯絕緣套。內腔的水平方向對稱分布45號鋼制圓形網狀平板電極,間距為70 mm,電極直徑為60 mm。內腔的豎直方向對稱分布45號鋼制點火電極,間距為2 mm,點火電極的直徑為2 mm。

(a)定容燃燒彈 (b)圓形網狀平板電極

(c)點火電極 單位:mm圖4 電極和容彈結構

實驗中采用了美國Redlake公司生產HG-100K型高速攝像機,拍攝速度高達5 000幀/s,選用了Wisman公司生產的WPS20P20型高壓交流電源,輸出電壓范圍為0～20kV,功率范圍為1.5～45W,輸出電壓變化為±10%。

2.2 實驗方法

常溫、常壓下向定容燃燒彈中充入過量空氣系數λ=1.2,1.4,1.6的甲烷-空氣混合氣并靜置2min以消除混合氣擾動。待混合氣均勻混合后,向網狀電極分別施加頻率f=15kHz、電壓有效值(下文簡稱電壓)U=1,2,3,4,5kV的交流電壓。按下點火按鈕的同時高速攝像機和壓力傳感器開始采集燃燒數據,燃燒結束后用真空泵抽氣1/2min,以保證下次實驗不受燃燒廢氣的影響。每個工況點完成3次上述操作,并取實驗數據的平均值以減小實驗誤差。

本實驗主要研究了電場對軸線火焰傳播的影響,忽略了電場對縱向火焰傳播的影響,因此本文定義的火焰傳播距離L為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

(7)

L1和L2由紋影照片確定,如圖5所示。

圖5 火焰傳播距離示意圖

當L<6 mm時,受點火能量的影響火焰的發展會產生波動;當L>25 mm時,容彈內溫度、壓力和網狀電極結構的變化對火焰產生影響[19],因此本文中L的范圍為6～25 mm。

SL=dL/dt

(8)

(9)

(10)

式中:t為火焰傳播時間;SLi為i點的火焰傳播速度;S0為未加載電場時的火焰傳播速度。

3 實驗結果與分析

3.1 火焰傳播圖像分析

λ=1.6、U=1,2,3,4,5 kV時的火焰傳播圖像如圖6所示。由圖可見:未加載電壓時火焰呈球形傳播,火焰沿各個方向的傳播速度相同;當電壓從0增加到2 kV 時,火焰依然呈球形傳播,只是球形半徑略有增加,這說明火焰沿各個方向的傳播速度隨著電壓的增加而有所增大;當電壓增加到3 kV時,火焰形狀由球形逐漸變化成橢球形,說明火焰在水平方向上得到拉伸,即水平方向的火焰傳播速度增大;當電壓增加到5 kV時,火焰的橫向拉伸更加明顯。

電壓從0增加到2 kV時火焰沒有明顯的橫向拉伸,這是電磁能量與電壓幅值的平方成正比的緣故,見式(6)。當電壓比較小時,加載在兩電極之間的電磁能量不大,這部分電磁能量可能無法對燃燒過程中的中間反應物產生電化學效應,但卻可以轉化為熱能通過熱效應來提高反應區的溫度,溫度的提高使得化學反應速率常數增大,因而燃燒反應加快,平均火焰傳播速度加快,表現為球形半徑增大。

當電壓增加到3 kV時,電磁能量進一步加大,燃燒反應的中間產物吸收這部分能量后可能被激勵到更高能級,使得接下來的化學反應需要的能量更少,進而達到了降低化學反應活化能的目的,表現為交流電場對火焰的電化學效應。當電壓進一步增大到5 kV時,與電壓平方成正比關系的電磁能量迅速增大,帶來更顯著的電化學效應,而電磁能量在區域1中沿徑向的遞減分布(見圖2)導致電化學效應沿徑向遞減,從而造成了火焰面橫向被明顯拉伸。

由圖6還可以看出,火焰受電磁能量影響的主要區域為靠近區域1軸心附近的區域,靠近區域1柱面的區域對火焰幾乎沒有影響,而當坡印亭矢量為負半周期時,區域1中電磁能量主要分布在靠近柱面的區域,這說明坡印亭矢量為負半周期時電磁能量對于火焰的影響很小,可以忽略。

圖6 λ=1.6、f=15 kHz時不同電壓下的火焰傳播圖像

3.2 火焰傳播速度分析

f=15 kHz、λ=1.2,1.4,1.6時平均火焰傳播速度隨交流電壓的變化如圖7所示。結合表1看,在3種過量空氣系數下,平均火焰傳播速度隨電壓的增大而增大。當電壓從0增大到2 kV時,平均火焰傳播速度提高緩慢,這是交流電場對火焰產生熱效應的結果,此時電化學效應還未出現。

圖7 f=15 kHz,λ=1.2,1.4,1.6時平均火焰傳播速度隨電壓的變化

U/kVSL/m·s-1ΔSL/%λ=1.2SL/m·s-1ΔSL/%λ=1.4SL/m·s-1ΔSL/%λ=1.601.140.770.5111.161.750.803.900.545.8821.183.510.837.800.569.8031.237.890.9118.180.6731.3741.3316.671.0232.470.8464.7151.4325.441.1448.050.9892.08

(11)

(12)

4 結 論

通過交流電場對火焰鋒面加載電磁能量,使得燃燒產生熱效應和電化學效應,進而促進燃燒,并表現為火焰鋒面變形和平均火焰傳播速度提高。由電磁學理論的推導和理論與實驗數據的結合得到以下結論。

(1)提高電壓幅值,在λ=1.2,1.4,1.6工況下平均火焰傳播速度均得到提高,λ=1.6時提高得最為明顯。與未加載電場相比,λ=1.6、f=15 kHz、U=5 kV工況下平均火焰傳播速度最多可提高92.08%。

(2)本實驗中電壓小于2 kV時對燃燒的影響主要為熱效應,當電壓大于2 kV時該影響主要為電化學效應。

(3)在以兩網狀電極為底面的圓柱體區域內,高頻交流電提供的電磁能量以軸心為起點沿徑向遞減分布,因而靠近軸線的火焰鋒面吸收到更多的電磁能量,產生更明顯的電化學效應,從而造成平均火焰傳播速度沿半徑遞減分布,最終導致火焰變形,即火焰橫向拉伸。

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(編輯 苗凌)

Effects of AC Electric Field Voltage Amplitude on Spherical Flame

ZHANG Cong1,HOU Juncai1,DUAN Hao1,LI Chao1,WU Xiaomin1,2

(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 find out the influence factors of high frequency AC electric field voltage amplitude on spherically expanding flame, the basic principles of electromagnetism are used to conclude that the value of electromagnetic energy gets proportional to the square of RMS AC voltage and the distance to the axial in the cylinder with two mesh electrodes as its bottom surfaces at any time; the electromagnetic energy density decreases radially in the cylinder; the thermal and electrochemical effects produced by electromagnetic energy promotes the the average flame propagation rate, and the uneven distribution of electromagnetic energy density leads to a flame deformation. An experiment is conducted to investigate the relationship between RMS AC voltage and the average flame propagation rate/deformation of premixed CH4-air mixture flame at room temperature and 3 kinds of excess air ratio, under atmospheric pressure and high frequency AC electric fields. The results show that when RMS AC voltage is lower than 2 kV, thermal effect produced by electromagnetic energy promotes the average flame propagation rate, and when RMS AC voltage is higher than 2 kV, electrochemical effect promotes the average flame propagation rate, and the uneven distribution of electromagnetic energy density leads to transverse stretch of the flame.

high frequency AC electric field; spherically expanding flame; average flame propagation speed; electromagnetic energy

2015-03-31。

張聰(1990—),男,碩士生;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/xjtuxb201511006

TK431

A

0253-987X(2015)11-0033-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150813.1010.002.html