交流和直流電場對天然氣貧燃火焰的影響

崔雨辰，段浩，吳筱敏,2，相楠

（1 西安交通大學能源與動力工程學院，陜西 西安 710049；2 陜西理工學院陜西省工業自動化重點實驗室，陜西 漢中 723001；3 啟帆公司，北京 100076）

引 言

天然氣的主要成分是甲烷（CH4），其所占的體積含量在80%～90%甚至更高，是自然界作為氣體燃料存在的唯一化石燃料。天然氣憑借其儲量豐富、運行成本低、排放性能優良、安全性高等優勢已經被廣泛應用于鍋爐、汽車發動機等諸多工業領域，這也預示著在未來不久天然氣將超越石油成為世界第一大能源，但是扼制天然氣經濟性能提升的一大瓶頸就是其在貧燃條件下存在著著火延遲、燃燒速率低和穩定性差等缺點。為改善天然氣貧燃特性，許多學者提出了天然氣摻氫燃燒[1-3]、湍流燃燒[4]等解決方案。

電場輔助燃燒是一種新型燃燒技術，對其原理的解釋目前主要有如下兩種：第一，離子風效應，即化學電離產生的帶電離子（CHO+、H3O+、CH5O+、OH-、O-等）和電子在電場的作用下定向運動，在運動過程中與中性粒子發生碰撞并傳遞能量，從而產生近似電場方向的大規模的粒子定向遷移。第二，電場直接作用于化學反應動力學，即N2分子與電子碰撞后被激發到振蕩級[N2(υ=0)+e→N2(υ＞0)+e]，受激發振蕩的氮氣分子可將其振蕩能量傳遞給氧氣分子[N2(υ)+O2(υ'=0)→N2(υ-1)+O2(υ'=1)]，這種受振蕩激勵的氧氣分子可以增大火焰中分支反應的反應速率[H2+O2(υ'=1)→OH+O]。電場輔助燃燒被廣泛認為可以增加火焰穩定性[5-8]、提高火焰速度[9-11]以及減少碳煙排放[12-13]。Kim 等[14]研究了交流電場頻率對丙烷空氣噴焰穩定特征參數和吹熄速率的影響，發現交流電場可以擴展火焰穩定區域。段浩等[15]研究了不同電極結構下電場對火焰傳播的影響，發現網狀電極下火焰橫向傳播速度增大最明顯。方朝綱等[16]研究了重力場作用下丙醇、癸烷、柴油等液滴在垂直電場中的燃燒特性，發現電場對火焰的拉伸有助于抑制碳煙的生成和促進碳煙的氧化。以上的研究很少涉及電場對天然氣火焰的影響，因此，本文通過大量的實驗，對比了相同電壓有效值下直流和交流電場對貧燃天然氣的影響，為天然氣更好地應用于工業領域提供新思路。

1 電場數值模擬

1.1 建立三維模型

在用Ansoft Maxwell 14.0 計算模擬電場前，在Pro/E 中對電極和定容燃燒彈建立準確的三維模型，并對模型進行一定程度的簡化，達到在盡量少的計算量下有足夠高的精度。

1.2 定義材料屬性

本次模擬過程中涉及到的材料有不銹鋼制成的網狀電極，鉑制成的點火電極，45 號鋼制成的定容燃燒彈，聚四氟乙烯制成的絕緣體，以及視為理想氣體的預混氣體，由于甲烷的相對介電常數為 1.0008，與空氣的十分接近，因此用空氣的相對介電常數來代替。材料屬性設置如表1 所示。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

1.3 設置激勵源和邊界條件

本次模擬設置的激勵源為電壓激勵源，所有邊界條件均為狄里克萊邊界條件（第一邊界條件）。高壓電極設置的電壓分別為-5 kV(直流)和±5 2 kV（交流電壓波峰波谷對應的電壓），點火電極的設置為0 kV，定容燃燒彈絕緣套外壁設置電壓為0 kV，定容燃燒彈以外的區域設置為完全絕緣。

1.4 網格劃分和求解設置

利用Ansoft Maxwell 自動劃分網格，通過限制網格的最大邊長、網格深度、最大表面偏差、最大表面法線偏差等來控制網格的大小和細密程度，達到最適合的網格劃分數量。網狀電極模型最初劃分網格總數為395578 個，經過2 次迭代最終生成網格數為494578 個，計算誤差小于0.0042138%。在求解設置中，設置最大迭代次數為20 次，迭代誤差小于0.1%時迭代停止。

2 實驗裝置和方法

本文的實驗裝置主要由定容燃燒彈系統、進排氣系統、點火控制系統、紋影攝像系統、壓力采集系統和高壓電供給系統組成。實驗裝置如圖1 所示。

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic of experimental setup

定容燃燒彈是整體由碳鋼澆鑄而成的正方體，內腔為Φ130 mm×130 mm 的圓柱體，容彈內腔上布置有壁厚為8.5 mm 的絕緣套，容彈前后兩側裝有直徑為170 mm，厚度為30 mm 的高抗沖石英玻璃來為紋影系統提供光學通路。容彈上下表面中心豎直對稱地分布著一對點火電極，點火電極的材料為鉑，露出部分的直徑為0.5 mm，兩電極尖端的間距為2 mm。高壓電極為一對外徑為60 mm 的網狀電極（45 號鋼鏤空圓盤），其對稱安裝在定容燃燒彈兩側左右面的中心處，距點火電極水平距離為35 mm。高壓電極在容彈內的安裝位置以及結構尺寸如圖2 所示。

圖2 網狀電極和定容燃燒彈結構Fig.2 Structure of mesh electrode and constant volume combustion chamber

實驗中高壓直流電源采用Wisman DEL30N45負高壓電源（輸出電壓范圍為0～-30 kV，最大輸出功率45 W），高頻交流電源為Wisman 公司生產 的WPS20P20型高壓交流電源（輸出電壓范圍為0～20 kV，功率范圍為1.5～45 W，輸入電壓變化為±10%）。高速攝像機為美國Redlake 公司生產的HG-100K，拍攝速度為5000 幀/秒。壓力采集系統由壓力傳感器、電荷放大器和數據采集儀3 部分組成。壓力傳感器為Kistler4075A10 壓電式低壓絕對壓力傳感器。電荷放大器為Kistler4618A 型，用于放大壓力傳感器接收到的信號，與壓力傳感器匹配校準。數據采集儀為YOKOGAMA 公司研制的型號為DL750 的動態測試儀，采樣頻率高達10 MHz。

實驗在常溫、常壓下進行，根據計量比依次向容彈內配置過量空氣系數λ 分別為1.2、1.4 和1.6的甲烷/空氣混合氣，其中，天然氣中甲烷的純度為99.99%，靜置2 min 使其混合均勻以消除擾動，與此同時向高壓電極分別施加直流電壓（-5 kV）和交流電壓（有效值為5 kV，頻率為15 kHz）。點火同時觸發高速攝像機和壓力傳感器，得到壓力、火焰燃燒距離與時間的關系。每次燃燒結束后，用真空泵將容彈內的廢氣抽出，并用新鮮空氣多次沖洗燃燒彈，以消除殘留廢氣對下次實驗的影響。每個工況點至少重復3 次，取平均值，以便減小實驗誤差。

3 結果與分析

3.1 電場數值模擬結果

圖3 為利用Ansoft Maxwell 14.0 對網狀電極加載直流電壓和交流電壓（取電壓波峰和波谷進行分析）后形成的電場線分布和電場強度分布的數值模擬結果。由于電極和容彈的對稱性，對電場線分布和電場強度分布各取一半進行分析。從圖中可以看出，加載直流電壓時，電場線方向由點火電極近似水平地指向網狀電極，點火電極的尖端附近空間電場強度最大，隨著離容彈中心距離的增大，電場強度逐漸減小，水平方向上的電場強度為3.7×104～2.0×105V·m-1，交流電壓下的電壓波峰和波谷對應容彈空間電場分布幾乎完全相同，網狀電極間的電場線方向均近似水平，方向正好相反，水平方向上電場強度為1.0×105～3.0×105V·m-1。

3.2 火焰傳播圖像

圖4 是過量空氣系數λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下的火焰傳播圖像，從圖中可以看出，未加載電壓時，火焰基本呈球形傳播，而加載兩種電壓后，火焰均得到了不同程度的拉伸，當過量空氣系數一定時，交流電場下的火焰在水平方向的拉伸明顯比直流電場下的劇烈，且混合氣越稀，火焰拉伸越明顯，兩者的差異也越明顯。

圖3 加載直流電場和交流電場后的電場分布數值模擬結果Fig.3 Electric field distribution of DC and peak and trough of AC

圖4 λ=1.2、1.4 和1.6 時的火焰傳播圖像Fig.4 Typical flame propagation images at λ=1.2, 1.4 and 1.6

電場主要通過熱效應、離子風效應和電化學效應來影響火焰的傳播[17]。熱效應是指當電場中存在較大電流時電能轉化成熱能帶入的能量。由于本實驗燃燒過程中火焰中的電流很小，因此無論是直流電場還是交流電場都可以忽略熱效應的影響。離子風效應是指加載電壓后，大量離子（CHO+、H3O+、CH5O+、OH-、O-等）和電子沿電場方向定向遷移形成離子風，離子風使得火焰前鋒面在水平方向上與未燃區的傳熱和傳質增強，從而促進了火焰在水平方向的發展[10]。直流電場對火焰的作用主要是因為離子風效應這一觀點已經得到了國內外許多學者的認可[10,12,18-19]。高頻交流電場作用下的離子風效應與直流電場作用下的有所不同，因為交流電場極性的交替變化使得電場中的帶電粒子受到的電場力方向交替改變，從而帶電粒子不會大量定向遷移，因此火焰在反應區內不會形成定向體積流，但是，此時的離子風效應大大增強了容彈中各粒子的能量和動量交換，從而加速火焰傳播，但由于實驗中交流電場的頻率較高，離子風效應并不起主導作用[17,20]。電化學效應是指火焰中大量離子與中性分子發生劇烈碰撞，產生大量活化基和離子并直接作用于化學反應動力學，從而通過改變燃燒過程中的某些化學反應來影響燃燒。直流電場作用下的電化學效應相對較小，因而可以忽略不計，而高頻交流電場對火焰的影響主要是電化學效應[14,17,20]，較高的頻率使得正負離子沒有大規模定向遷移，從而使得火焰前鋒面附近聚集了大量的正負離子，大量離子與中性分子發生劇烈碰撞，形成電化學效應。由于交流電場頻率較高，使得電化學效應對火焰的影響要明顯大于直流電場下離子風這一物理效應對火焰的影響，因此，相同電壓有效值下，15 kHz 交流電場作用下的火焰拉伸更劇烈。

3.3 火焰傳播距離和火焰傳播速度

3.3.1 火焰傳播距離 由圖3 電場數值模擬結果可知，兩種電壓的電場方向基本都在水平方向，而豎直方向上火焰受電場影響較小，因此，將火焰傳播距離L 定義為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，L1和L2的值由紋影照片確定，數據獲取方式如圖5 所示。本文選取的火焰傳播距離的研究范圍為L=6～25 mm，因為當L＜6 mm 時，點火能量對火焰發展產生的波動影響較大；當L＞25 mm 時，容彈內溫度和壓力的變化對火焰傳播的影響較大[21]。

圖5 火焰傳播距離示意圖Fig.5 Diagram of flame spread distance

圖6 λ=1.2、1.4 和1.6 時的火焰傳播距離隨時間的變化Fig.6 Flame spread distance versus combustion time at λ =1.2, 1.4 and 1.6

圖6 是λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下火焰傳播距離隨時間的變化。從圖中可以看出，火焰傳播距離隨時間近乎線性增加，且過量空氣系數一定時，L-t 曲線的斜率按照未加載電壓、加載直流電壓、加載交流電壓的順序依次遞增，特別是在過量空氣系數為1.6 時，這種規律尤為明顯。

表2 給出了兩種電壓加載方式在不同過量空氣系數下的火焰半徑發展到25 mm 所用的時間t25以及加載電壓后的t25比未加載電壓時縮短的比率Δt25。從表中可以看出，與未加載電壓相比，當過量空氣系數一定時，15 kHz 交流電場作用下的火焰傳播時間比直流電場作用下的短，且混合氣越稀，兩者差異越明顯，例如λ=1.6 時，加載交流電壓和直流電壓下的 t25分別比未加載電壓時縮短了49.60%和34.56%，這主要是因為混合氣越稀，火焰發展用時越長，電場對火焰的影響越大，因而此時電化學效應對火焰的促進作用要比離子風效應的促進作用更加明顯，因此兩者的差異越明顯。

表2 λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下的火焰半徑發展到25 mm 所用的時間及其比未加載電壓時的縮短比率Table 2 Corresponding times when flame radius increases to 25 mm and their shortening rates at λ =1.2, 1.4 and 1.6

3.3.2 火焰傳播速度 火焰傳播速度SL定義為水平方向上的火焰前鋒面相對于靜止的容彈壁面的運動速度，即

式中，L 為火焰在水平方向上的傳播距離；t為時間。

圖7 是λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下火焰傳播速度隨火焰傳播距離的變化。從圖中可以看出，過量空氣系數一定時，加載電壓后的火焰傳播速度均比未加載電壓時的大，且15 kHz 交流電場作用下的火焰傳播速度總是比直流電場下的大，這主要是因為高頻交流電場下的電化學效應大大促進了火焰的發展，而直流電場下的離子風效應雖然在一定程度上促進了火焰的發展，但是其效果遠不及前者。

圖7 λ=1.2、1.4 和1.6 時火焰傳播速度隨火焰 傳播距離的變化Fig.7 Flame propagation speed versus flame spread distance at λ=1.2, 1.4 and 1.6

圖8 給出了不同電壓加載方式下，平均火焰傳播速度隨過量空氣系數的變化，從圖中可以看出，加載電壓后的平均火焰傳播速度均有較大幅度提高，且隨著過量空氣系數的增大而逐漸減小，過量空氣系數一定時，15 kHz 交流電場作用下的平均火焰傳播速度總是大于直流電場下的，且混合氣越稀，兩者差異越明顯。由此得出，相同電壓有效值下，15 kHz 高頻交流電場對火焰傳播速度的促進作用大于直流電場。

圖8 平均火焰傳播速度與過量空氣系數的關系Fig.8 Average flame propagation speeds versus excess air ratio

表3 λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下的平均火焰傳播速度及其增大率Table 3 Average flame propagation speeds and their increasing rates at λ=1.2, 1.4 and 1.6

表3 是λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下的平均火焰傳播速度及其相比于未加電壓時增大的程度Δ。從表中可以看出，相同過量空氣系數下，總有，且Δ，并且混合氣越稀，兩者的差異越明顯，例如λ=1.6 時，加載15 kHz 高頻交流電壓和直流電壓下的分別比未加載電壓時增大了117.65%和62.75%。由表2 可知，混合氣越稀，火焰發展到相同半徑所用的時間越長，即火焰前鋒面在電場中停留的時間越長，此時火焰受電場作用的影響較大，由于兩種電壓加載方式形成的電場對火焰影響機理的不同，使得兩者的差異明顯。

3.4 燃燒壓力

圖9 λ=1.2、1.4 和1.6 時火焰壓力隨時間的變化Fig.9 Combustion pressure versus combustion time at λ=1.2, 1.4 and 1.6

圖9 為λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下火焰燃燒壓力隨時間的變化。從圖中可以看 出，相同過量空氣系數下，兩種電壓加載方式下的壓力峰值均比未加載電壓時高，峰值到達時間均有所提前，且加載15 kHz 交流電壓時效果更加明顯，這主要是電化學效應作用的結果。由此可以得出，兩種電壓加載方式對燃燒均有一定的促進作用，且15 kHz 交流電場的促進作用要明顯大于直流電場。

表4 是兩種電壓加載方式下的火焰壓力峰值和峰值到達時間。從表中可以看出，相同過量空氣系數下，兩種電壓加載方式相比于未加載電壓時的壓力峰值增幅均有交流＞直流，且峰值到達時間提前的程度也有交流＞直流。當混合氣越稀時，兩者的差異明顯，例如λ=1.6 時，交流電場和直流電場作用下的壓力峰值相比未加載電場時的增幅分別為14.20%和8.76%，提前時間分別為141.35 ms 和56.75 ms，說明15 kHz 交流電場對燃燒的促進作用比直流電場明顯。

表4 λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下的火焰壓力峰值和峰值出現時間Table 4 Maxima of combustion pressure and their appearance times at λ=1.2, 1.4 and 1.6

4 結 論

（1）交流和直流電場作用下的火焰均在水平方向被拉伸，相同電壓有效值下，15 kHz 高頻交流電場對火焰的拉伸作用要強于直流電場，且混合氣越稀時，兩者差異越明顯。

（2）相同電壓有效值下，15 kHz 高頻交流電場對火焰傳播速度和燃燒壓力的促進作用要明顯大于直流電場。與未加載電壓相比，當過量空氣系數為1.6 時，交流電場下的火焰傳播速度提高117.65%，直流電場下的提高62.75%；交流電場下的壓力峰值增幅為14.20%，直流電場下的為8.76%。

（3）電場對天然氣貧燃條件下的燃燒有一定的促進作用，因此，電場輔助燃燒技術可以為天然氣更好地應用于工業領域提供新思路。

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