高頻交流電場的頻率對預混稀燃火焰的影響

崔雨辰,段 浩,張 聰,吳筱敏,2

（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）

高頻交流電場的頻率對預混稀燃火焰的影響

崔雨辰1,段 浩1,張 聰1,吳筱敏1,2

（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）

為了比較不同頻率的高頻交流電場在輔助燃燒方面的作用,對常溫、常壓下定容燃燒彈中網狀電極結構下的電場對甲烷／空氣預混稀燃火焰的火焰形狀、火焰傳播速度、燃燒壓力的影響進行研究.結果表明：在高頻交流電場作用下,火焰均在水平方向被拉伸,且頻率越高,拉伸越劇烈,平均火焰傳播速度和燃燒壓力均隨著交流電頻率的增加而增加；混合氣越稀,電場對火焰的作用效果越明顯,與未加電壓相比,當交流電壓有效值為5 kV,交流電頻率為25 k Hz,過量空氣系數為1.2、1.4和1.6時,平均火焰傳播速度分別提高45.77%、50.00%和87.93%,相對燃燒壓力增大率的最大值分別為0.51、0.66和0.86.

高頻交流電場；稀燃火焰；定容燃燒彈；火焰傳播特性；燃燒壓力

解決能源短缺問題的關鍵是提高能源利用效率,而電場對火焰的影響可以為高效率、低污染的燃燒系統的研究提供新的思路,大量的研究證明電場在增強火焰穩定性［1-2］、提高火焰速度［3-4］以及減少碳煙排放［5-6］等方面均有顯著的作用.

在以往的研究中,對電場的選取大多集中在直流電場,很少涉及交流電場.近幾年,國內外的一些學者開始對交流電場輔助燃燒的機理展開了研究.Kim等［7］研究了交流電場頻率對丙烷空氣噴焰穩定特征參數升起和吹熄速率的影響,結果表明可以通過改變交流電場的幅值和頻率來擴展火焰穩定區域.張揚等［8］研究了高頻交流電場（f＝10 k Hz,U＝0～4 kV）對非預混甲烷空氣噴焰火焰燃燒行為和NO排放的影響,結果表明火焰形變、CO和NO排放都隨電壓幅值呈非單調性變化,他們認為這可能是熱效應、離子風效應和電化學效應競爭的結果.以上的研究都集中在本生燈火焰、同軸噴射火焰等駐定火焰,很少涉及定容燃燒彈中的球形膨脹瞬態火焰,且大多數研究都是針對當量比附近的氣體,而稀燃被廣泛認為是一種提高燃油經濟性、降低排放的有效措施,因而有必要對稀燃條件下的燃燒進行研究.因此,本文對定容燃燒彈中的網狀電極分別施加不同頻率的高頻交流電壓,研究了甲烷／空氣預混稀燃火焰在高頻交流電壓作用下的傳播和燃燒特性.

1 實驗裝置和方法

整個試驗臺架由定容燃燒彈、配氣機構、點火電路、高速紋影攝像系統、燃燒壓力采集系統、高頻交流電源及其電路系統組成,如圖1所示.

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

實驗所用的定容燃燒彈是由45號鋼整體切割加工而成的圓柱形空腔（內徑為130 mm、長為130 mm）.容彈內腔布置有聚四氟乙烯絕緣套（內徑為114 mm、外徑為130 mm、長為130 mm）、點火電極和網狀電極.容彈上下表面中心裝有一對直徑為2 mm的點火電極,兩點火電極由45號鋼加工而成,電極間距為2 mm.一對由45號鋼鍛造而成的網狀電極水平對稱地安裝在距點火電極35 mm處,高壓電源分別加載在這一對網狀電極上,與點火電極構成點-網電場分布結構.容彈兩側裝有高抗沖石英玻璃（直徑為170 mm、厚度為30 mm）為拍攝火焰圖像提供光學通路.電極和容彈的結構如圖2所示.

圖2 電極結構和容彈結構Fig.2 Structure of electrodes and constant volume combustion chamber

本實驗采用傳統的電感放電的點火方式點燃混合氣,點火能量約為50 mJ.高壓交流電源為Wisman公司生產的WPS20P20型高壓交流電源（輸出電壓為0～20 kV,功率為1.5～45 W,輸出電壓變化為±10%）.燃燒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Kistler 4075A10壓電式絕對壓力傳感器,測量范圍為0～25 MPa,誤差為±0.5%,用于接收燃燒過程中容彈內的壓力變化信號.電荷放大器為Kistler 4618A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DL750動態測試儀,采樣頻率為10 k Hz.高速攝像機為美國Redlake公司生產的HG-100K,拍攝速度為5 000幀／s,用于記錄火焰傳播過程.

實驗在常溫、常壓下進行,向容彈中依次充入過量空氣系數為1.2、1.4和1.6的甲烷／空氣混合氣,靜置2 min除擾動,與此同時向網狀電極分別施加頻率f＝5、10、15、20、25 k Hz,電壓有效值U＝5 kV的交流電壓.點火同時觸發高速攝像機拍照和壓力傳感器采集數據.每次實驗結束后的廢氣由真空泵抽出,并用空氣多次沖洗容彈,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,取平均值,從而減小實驗誤差.

2 結果與分析

2.1 電場數值模擬結果

利用Maxwell 14.0軟件對網狀電極在加載交流電壓后形成的空間電場分布進行了數值模擬.如圖3所示為加載交流電壓有效值U＝5 kV時,交流電壓波峰和波谷對應的電場數值模擬結果.由于電極和容彈的對稱性,對電場云圖和電場矢量圖各取一半進行分析.從圖中可以看出,無論是電壓波峰還是電壓波谷,網狀電極間對應的電場方向均近似水平,方向正好相反,而兩者對應的電場強度E分布幾乎完全相同,水平方向上的電場強度為4.0×104～3.4× 105V／m,電場強度在點火電極的尖端附近空間最大,隨著離容彈中心距離的增大先逐漸減小后增大.

2.2 火焰傳播圖像

如圖4所示為電壓有效值U＝5 kV且過量空氣系數λ＝1.2、1.4、1.6時不同頻率f下的火焰傳播圖像.其中,t為時間,從圖中可以看出,當未加載電壓時,火焰基本呈球形傳播,加載電壓后,火焰在水平方向上得到了不同程度的拉伸,過量空氣系數一定時,頻率越高,火焰拉伸越明顯.頻率一定時,混合氣越稀,火焰傳播得越慢但拉伸越劇烈,例如電場對λ＝1.6時的火焰的拉伸作用明顯比對λ＝1.2時的要大.

交流電場對火焰的影響主要是熱效應、離子風效應和電化學效應共同作用的結果［8］.熱效應是指當電場中存在較大電流時電能轉換成熱能而帶入的能量,由于本實驗火焰中的電流很小,因而可以忽略熱效應的影響.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,直流電場作用下的離子風效應是指加載電壓后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使得火焰前鋒面在橫向與未燃區的傳質和傳熱增強,促進火焰的橫向發展［9］,而高頻交流電場作用下的離子風效應則是由于交流電場極性的交替變化使得電場中帶電粒子受到的電場力方向交替改變,從而增強了火焰中各粒子的能量和動量交換.當電壓有效值一定時,交流電頻率越高,同一時間帶電粒子受到的電場力方向交替改變的次數越多,因此粒子間的能量和動量交換就越劇烈,火焰傳播得越快.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直接作用于化學反應動力學,從而燃燒過程中的某些化學反應得到了改變［8,10-12］.當交流電頻率越高時,離子與中性分子碰撞的概率越大,從而產生的活化基和離子數越多,形成的電化學效應越強,對火焰的促進作用就越強.因此,當交流電壓有效值一定時,交流電頻率越高,火焰在水平方向的發展越快.

圖3 當U＝5 kV時交流電波峰和波谷對應的電場數值模擬結果Fig.3 Electric field distributions of the peak and trough of alternating voltage at U＝5 kV

2.3 火焰傳播距離和火焰傳播速度

2.3.1 火焰傳播距離 由圖3電場數值模擬結果可知,在高頻交流電場作用下的網狀電極的電場方向基本都在水平方向上,由此可知,電場對火焰的作用主要在水平方向.因此,本文中定義火焰傳播距離L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.由于當L＜6 mm時,點火能量會對火焰發展產生波動影響；當L＞25 mm時,容彈內溫度和壓力的變化會對火焰產生影響［13-15］,因此,本文研究的火焰傳播距離的范圍為L＝6～25 mm.

圖4 不同頻率下的火焰傳播圖像Fig.4 Typical flame propagation images of different frequencies

如圖6所示為U＝5 kV且λ＝1.6時不同頻率下的火焰傳播距離隨時間的變化.從圖中可以看出,火焰橫向傳播距離L隨時間t幾乎呈線性增加,且相同時間內,加載電壓后的L均比未加載電壓時的大,隨著交流電頻率的增大,L-t曲線的斜率逐漸增大.

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

圖6 不同頻率下的火焰傳播距離隨時間的變化Fig.6 Flame spread distance versus combustion time of different frequencies

如表1所示為U＝5 kV且λ＝1.2、1.4和1.6時不同頻率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,過量空氣系數一定時,加載電壓后的t25比未加載電壓時的要明顯縮短,且交流電頻率越高,時間縮短的程度越大.當交流電頻率一定時,t25和Δt25均隨著過量空氣系數的增大而增大,即混合氣越稀,火焰發展所用時間越長,電場對火焰的影響越大.

表1 不同頻率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Tab.1 Corresponding times when flame radius increases to 25 mm and their shortening rates

如圖7所示為U＝5 kV且λ＝1.6時不同頻率下的火焰傳播速度隨傳播距離的變化.從圖中可以看出,與未加載電壓相比,加載電壓后的火焰傳播速度得到了很大的提高,且交流電頻率越高,火焰傳播速度提高的幅度越大,這主要是因為頻率越高,離子風效應和電化學效應越強,對火焰的促進作用就越強.

圖7 不同頻率下的火焰傳播速度隨傳播距離的變化Fig.7 Flame propagation speed versus flame spread distance of different frequencies

如圖8所示為U＝5 kV且λ＝1.2、1.4和1.6時平均火焰傳播速度隨交流電加載頻率的變化關系.從圖中可以看出,相同過量空氣系數下,平均火焰傳播速度隨加載頻率的增大而增大,而當加載頻率一定時,混合氣越稀,平均火焰傳播速度越小.

如表2所示為U＝5 kV且λ＝1.2、1.4和1.6時不同頻率下的及其相比于未加載電壓時的增大程度.從表中可以看出,在相同過量空氣系數下,加載電壓后的平均火焰傳播速度均比未加載電壓時的大,且隨著頻率的增大,增大程度逐漸變大,例如λ＝1.6,f＝5、10、15、20、25 k Hz時,比未加載電壓時分別增大了43.10%、62.07%、70.69%、81.03%和87.93%.從表中還可以看出,當加載頻率一定時,均隨過量空氣系數的增大而增大,即混合氣越稀,電場對火焰傳播速度的促進作用越明顯,例如當f＝25 k Hz,λ＝1.2、1.4和1.6時,比未加載電壓時分別增大了45.77%、50.00%和87.93%.由表1火焰發展時間可知,混合氣越稀,火焰發展到相同距離所用的時間越長,火焰受到電場的影響就越大.

圖8 平均火焰傳播速度與交流電頻率的關系Fig.8 Average flame propagation speeds versus frequencies

表2 不同頻率下的平均火焰傳播速度及其增大率Tab.2 Average flame propagation speeds and their increasing rates of different frequencies

2.4 燃燒壓力

為了更好地比較不同頻率的高頻交流電場對預混稀燃火焰燃燒壓力的促進作用,燃燒壓力采用歸一化方式獲得一個無量綱的相對燃燒壓力增大率φ,定義為

式中：p為加載交流電壓后的瞬時燃燒壓力值,p0為未加載電壓時的瞬時燃燒壓力值.

如圖9所示為U＝5 kV且λ＝1.6時不同頻率下的相對燃燒壓力的增大率隨時間的變化.從圖中可以看出,φ隨時間t均呈現出先增大后減小的趨勢,這是因為燃燒初期容彈內燃料充足,加載電壓后電場對火焰的影響顯著,從而燃燒壓力迅速增大,隨著燃料消耗殆盡以及容彈內壁的傳熱等影響,電場對火焰的影響減弱,燃燒壓力迅速下降.從圖中還可以看出,加載不同頻率的交流電壓后的燃燒壓力與未加載電壓時的值相比均有不同程度的提高,峰值出現時間tmax均有所提前,加載頻率越大,燃燒壓力增加的幅度越大,峰值出現時間提前得也越多.

圖9 不同頻率下的相對燃燒壓力增大率隨時間的變化Fig.9 Increasing rate of relative combustion pressure versus combustion time of different frequencies

如表3所示為U＝5 kV且λ＝1.2、1.4和1.6時不同頻率下的相對燃燒壓力增大率的最大值φmax及其出現時間tmax.從表中可以看出,過量空氣系數一定時,隨著加載頻率的增加,φmax增加,tmax減小.當頻率一定時,φmax隨過量空氣系數的增大而增大,例如當f＝25 k Hz,λ＝1.2、1.4和1.6時,φmax的值分別為0.51、0.66和0.86,由此可見,混合氣越稀,電場對燃燒壓力的影響就越大.

表3 不同頻率下的相對燃燒壓力增大率的最大值及其出現時間Tab.3 Maxima of the increasing rate of relative combustion pressure and their appearance times of different fre-_______quencies

3 結 論

（1）高頻交流電場作用下的火焰均在水平方向上被拉伸,且頻率越高,拉伸越明顯；當頻率一定時,混合氣越稀,拉伸越明顯.

（2）加載高頻交流電壓后,火焰傳播速度與燃燒壓力均比未加載電壓時的有所增加,且頻率越高,增加的幅度越大,電場對火焰的促進作用越明顯.

（3）混合氣越稀,交流電場對火焰的影響越大.與未加載電壓相比,當交流電壓有效值U＝5 kV,頻率f＝25 k Hz,過量空氣系數λ＝1.2、1.4和1.6時,平均火焰傳播速度分別提高45.77%、50.00%和87.93%,相對燃燒壓力增大率的最大值分別為0.51、0.66和0.86.

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Effects of frequencies of high-frequency alternating electric fields on premixed lean combustion

CUI Yu-chen1,DUAN Hao1,ZHANG Cong1,WU Xiao-min1,2
（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 723001,China）

An experiment was conducted in a constant volume combustion bomb under a lean combustion condition to compare the roles of different frequencies of high-frequency alternating electric fields in promoting combustion process.The different effects of high-frequency alternating electric fields with the mesh electrode on the flame shape,propagation speed and combustion pressure of premixed CH4／air mixtures were also analyzed at room temperature and atmospheric pressure.The results show that the flame is stretched in the horizontal when high-frequency alternating electric field is applied to the electrodes and is stretched more severely with the frequency increase.The average flame propagation speed and combustion pressure also increase with the frequency.In addition,the effect of electric field on the flame is greater when the mixture is diluted.Compared with those without the applied voltage,when the voltage virtual value is 5 kV and the frequency is 25 k Hz,the average flame propagation speeds at the excess air ratio of 1.2,1.4 and 1.6 increase by 45.77%,50.00%and 87.93%；the maxima of the increasing rate of relative combustion pressure are 0.51,0.66 and 0.86,respectively.

high-frequency alternating electric field；lean combustion；constant volume combustion bomb；flame propagation characteristics；combustion pressure

吳筱敏,女,教授,博導.E-mail：xmwu＠mail.xjtu.edu.cn

TK 431

A

1008-973X（2015）05-0944-06

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.05.019

2014-11-22. 浙江大學學報（工學版）網址：www.journals.zju.edu.cn／eng

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）.

崔雨辰（1991－）,女,碩士生,從事電場輔助燃燒的研究工作.E-mail：jsdtcyc＠stu.xjtu.edu.cn