負直流及低頻交流電場對預混火焰影響的實驗研究

崔雨辰,侯俊才,吳筱敏,2,施璐

(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,723001,陜西漢中; 3.南京鐵道職業技術學院機車車輛系,210031,南京)

?

負直流及低頻交流電場對預混火焰影響的實驗研究

崔雨辰1,侯俊才1,吳筱敏1,2,施璐3

(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,723001,陜西漢中; 3.南京鐵道職業技術學院機車車輛系,210031,南京)

為了比較直流及低頻交流電壓的助燃效果,在常溫常壓下,對定容燃燒彈內的網狀電極分別加載負直流和低頻交流電壓,研究了兩種電壓對甲烷/空氣預混火焰的火焰形狀、火焰傳播速率和燃燒壓力的影響。結果表明:負直流和低頻交流電壓對平均火焰傳播速率和燃燒壓力均有一定的促進作用,且低頻交流電壓的助燃效果要強于負直流電壓,隨著低頻交流電頻率的降低,對火焰的促進作用增大。當過量空氣系數為1.6時,與未加載電壓相比,負直流電場(電壓為-5 kV)和低頻交流電場(頻率為40、60、80、100 Hz,電壓有效值為5 kV)作用下的平均火焰傳播速率分別提高37.93%、72.41%、55.17%、48.28%和39.66%,相對燃燒壓力增大量的最大值分別為0.23、0.65、0.58、0.48和0.28。

負直流電場;低頻交流電場;頻率;火焰傳播速率;燃燒壓力

在環境污染和能源短缺的背景下,電場輔助燃燒技術不失為一種提高能源利用率的有效思路,該技術可以使火焰傳播速度提高[1-3]、火焰穩定性增強[4-6]以及碳煙排放降低[7-9],其中所涉及的電場大多集中在直流電場,對直流電場輔助燃燒機理的研究已經相對成熟。

為了進一步完善電場輔助燃燒的機理,近幾年,國內外許多學者又對交流電場展開了研究。Cha等在定容燃燒彈中研究甲烷和丙烷兩種燃料的預混火焰在1 kHz的交流電場作用下的火焰傳播特性和穩定性時,發現在高壓電場的誘導下火焰表面出現了褶皺[10],這個褶皺結構能夠縮短火核形成的時間和整個燃燒持續時間,同時增大初始燃燒期內的火焰傳播速率。張揚等研究了高頻交流電場(f=10 kHz,U為0～4 kV)對非預混甲烷/空氣噴焰燃燒行為和NO排放的影響[11],他們認為是熱效應、離子風效應和電化學效應綜合作用的結果導致了火焰形變以及CO、NO的排放隨電壓幅值呈非單調性的變化。Kim等研究了低頻交流電場(f≤60 Hz)和直流電場對層流預混本生燈火焰穩定性的影響[12],利用火焰內正、負離子共同引起的雙離子風效應,成功解釋了在低頻區火焰吹熄速度隨交流電場呈非單調性變化的行為。以上的研究大部分集中在高頻交流電場上,對低頻交流電場的研究也大多集中在對火焰穩定性的影響,很少涉及對火焰傳播速率等其他參數方面的影響。本文通過大量實驗,將不同頻率的低頻交流電場和負直流電場對甲烷/空氣預混火焰傳播以及燃燒特性的影響進行了對比研究。

1 實驗裝置及方法

定容燃燒裝置是本實驗的主要裝置,如圖1所示,該套裝置由定容燃燒彈、點火系統、配氣系統、數據采集系統、高速攝像及紋影光路系統以及高壓電系統組成。

圖1 實驗裝置示意圖

定容燃燒彈是用45號鋼粗鍛后精加工而成的正方體,其內腔是直徑為130 mm、長為130 mm的圓柱形空腔。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,為紋影系統提供必要的光學通路。為避免因高壓電極和容彈發生高壓放電而導致事故發生,在容彈內側腔體安裝了由聚四氟乙烯加工而成的絕緣套,厚度為8.5 mm。點火電極是一對直徑為2 mm且由45號鋼加工而成的針狀電極,兩點火電極分別對稱安裝在容彈上下面的中心處,電極間距為2 mm。網狀電極是由45號鋼鍛造而成的鏤空圓盤,對稱地安裝在容彈兩側左右面的中心處,距點火電極水平距離為35 mm。實驗時將負直流和低頻交流電壓加在網狀電極上,點火電極接地,形成點-網電場分布結構。電極結構及其在容彈中的安裝位置如圖2所示。

(a)點火電極

(b)定容燃燒彈系統 (c)網狀電極圖2 電極和定容燃燒彈系統

實驗中用到直流和低頻交流兩種高壓電源。直流高壓電源的型號是Wisman DEL30N45,輸出電壓范圍為-30～0 kV,功率范圍為1.5～45 W。低頻交流電源的型號為Hv20 kV/10-200 Hz,可測量的頻率范圍為10～200 Hz,功率范圍為0～10 W,輸出電壓變化為±10%。數據采集系統包含壓力傳感器、電荷放大器和數據采集儀3個部分,主要用于采集容彈內的燃燒壓力。型號為Kistler4075A10的壓電式絕對壓力傳感器,用于接收燃燒過程中容彈內的壓力變化信號,可測量的壓力范圍為0～25 MPa,誤差為±0.5%。電荷放大器用于放大壓力傳感器接收到的信號,型號為Kistler4618A,與壓力傳感器匹配校準。數據采集儀是DL750動態測試儀,由日本YOKOGAMA公司研制,最高采樣頻率可達10 MHz,本實驗中設置的采用頻率為10 kHz。高速攝像機用于記錄火焰傳播過程,該攝像機是美國Redlake公司生產的HG-100K,拍攝速度為5 000幀/s。

在常溫、常壓下,向容彈中配置過量空氣系數λ為1.0、1.6的兩種甲烷/空氣混合氣,并靜置2 min使其充分混合,同時向網狀電極分別施加U=-5 kV的直流電壓和電壓有效值為5 kV且頻率f為40、60、80、100 Hz的低頻交流電壓,點火的同時觸發高速攝像機拍照和壓力傳感器記錄壓力數據。燃燒完畢后,先關閉電源,用真空泵抽出廢氣,并通入新鮮空氣多次沖洗容彈,防止殘留廢氣對下次實驗造成影響。每個工況點至少重復3次以上的實驗,取最接近該工況實驗平均值的數據作為處理數據。

2 結果與分析

2.1 電場數值模擬結果

圖3為加載U=-5 kV的直流電壓以及電壓有效值為5 kV的低頻交流電壓后,容彈內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3中可以看出,加載負直流電壓時,網狀電極間的電場方向由點火電極近似水平地指向網狀電極,水平方向上的電場強度約為6.2×104～2.0×105V/m。加載低頻交流電壓時,電壓波峰和波谷對應的網狀電極間的電場方向也均近似水平,兩者的方向正好相反,而波峰、波谷對應的電場強度分布幾乎完全相同,水平方向上的電場強度約為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。

(a)負直流電壓 (b)交流電壓波峰 (c)交流電壓波谷圖3 電場數值模擬結果

2.2 火焰傳播圖像

圖4是未加載和加載U=-5 kV的負直流電壓以及電壓有效值為5 kV的低頻交流電壓時的火焰傳播紋影圖片。由圖4可以看出:火焰在未加載電壓時基本呈球形向外擴展;加載負直流和低頻交流電壓后,火焰在豎直方向的變化都不大,在水平方向上均得到了一定程度的拉伸,火焰近似呈橢球形向外傳播。在低頻交流電場作用下,隨著交流電頻率的降低,火焰在水平方向的拉伸越明顯,特別是f=40 Hz時,〗火焰拉伸最劇烈,火焰水平兩端呈現尖狀。

低頻交流電場對火焰的影響主要源于熱效應和雙離子風效應[12]。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,由于本實驗中火焰中的電流很小,因而可以忽略熱效應的影響。雙離子風效應同時考慮了正、負離子引起的離子風,由于負離子濃度與正離子濃度的比值是不可忽視的[15],這意味著負離子引起的離子風效應也應當考慮。火焰中正、負離子的濃度差異導致了兩者的碰撞響應時間不同,由正、負離子引起的存在碰撞響應時間差的離子風效應即為雙離子風效應。由此可見,當低頻交流電場的頻率選取適當時,產生的雙離子風效應可能強于直流電場的離子風效應。從圖4中可以看出,當f為40～100 Hz時,低頻交流電場對火焰的拉伸作用幾乎均比負直流電場強,說明該頻率段的雙離子風效應發展比負直流電場作用下的離子風效應好。當f為40～100 Hz時,隨著頻率的增大,對火焰的拉伸作用呈逐漸遞減的趨勢,這是因為隨著頻率增大,離子獲得的碰撞響應時間相對減少,雙離子風效應發展有所減弱,從而對火焰的促進作用有所減小。

從圖4中還可以看出,λ=1.0時各電壓作用下的火焰在水平方向上沒有明顯拉伸,但隨著過量空氣系數的增大,即λ=1.6時火焰在水平方向上的拉伸逐漸變得劇烈,各電壓作用下的火焰在水平方向上的發展均遠遠超過豎直方向上的發展。這可能是因為電場對火焰的作用是一個不斷累積的過程,即(雙)離子風效應是電場作用下的正(負)離子在經過短暫的分子自由程被加速后,通過碰撞將動量和能量傳遞給中性粒子,而正(負)離子在碰撞后又將周而復始地進行“加速—碰撞”循環。因此,傳播速度越慢的火焰,其前鋒面在電場中停留的時間越長,燃燒產生的正(負)離子就經過更多的“加速—碰撞”循環,這將使(雙)離子風效應大大增強。由于未加電壓時,λ=1.0時的火焰本身傳播得相對較快,而λ=1.6時的火焰傳播得相對較慢,因而λ=1.6時的火焰受到(雙)離子風效應的促進作用更明顯,由于發展越慢的火焰本身與未燃區的熱量和質量交換越少,此時電場引起的熱量和質量交換的增加對火焰的影響更明顯。

2.3 火焰傳播距離和火焰傳播速率

2.3.1 火焰傳播距離 由圖3、4可知,負直流、低頻交流電場對火焰在豎直方向上的影響較小,可忽略不計,本文中只討論電場對火焰水平方向上的影響。本文中火焰傳播距離L定義為火焰在水平方向上左右兩邊的火焰前鋒面到容彈中心距離的平均值,即L=(L1+L2)/2,L1、L2的確定方式如圖5所示。當L<6 mm時,火焰會受到點火能量產生的波動影響,而當L>25 mm時,容彈內溫度和壓力的變化會對火焰產生影響[16-19],本文研究的火焰傳播距離的范圍為6～25 mm。

圖5 火焰傳播距離示意圖

圖6是λ=1.6時,未加載和加載U=-5 kV的負直流電壓以及電壓有效值為5 kV的低頻交流電壓時的火焰傳播距離L隨傳播時間t的變化。由圖6可知,未加載和加載電壓后,火焰橫向傳播距離L隨時間t幾乎都呈線性增加,且在同時刻下,L值按照加載低頻交流電壓(頻率由低到高)、加載負直流電壓以及未加載電壓的順序依次遞減。

圖6 λ=1.6時負直流和低頻交流電壓作用下的火焰傳播距離隨時間的變化

表1為兩種電壓作用下的火焰半徑傳播到25 mm所需時間t25以及相比未加電壓時的縮短比率Δt25。由表1可知,λ=1.0時,未加電壓時t25=12.1 ms,若選取的交流電壓頻率f≤30 Hz,則電場方向至少需要16.7 ms才改變一次,即在本實驗中當λ=1.0時,電場方向在火焰傳播到25 mm之前可能一直保持不變,此時低頻交流電場對火焰的作用并不充分,本文選取交流電壓頻率f≥40 Hz。與未加載電壓相比,加載電壓后的t25要明顯縮短,且低頻交流電壓的縮短程度要大于負直流電壓,而頻率越低的低頻交流電壓,縮短的程度越大。當加載電壓一定時,混合氣越稀,t25和Δt25均越大,例如f=40 Hz、λ=1.0,1.6時,t25分別為10.4、22.2 ms,Δt25分別為14.05%、41.27%。

表1 火焰半徑發展到25 mm所用的時間及其相比未加電壓時的縮短比率

2.3.2 火焰傳播速率 本文中定義火焰傳播速率SL為水平方向上的火焰前鋒面與靜止的容彈壁面的相對運動速度,即

SL=dL/dt

(1)

圖7是λ=1.6時,未加載和加載U=-5 kV的負直流電壓以及電壓有效值為5 kV的低頻交流電壓時的火焰傳播速率SL隨傳播距離L的變化。從圖中可以看出,火焰傳播速率隨火焰傳播距離呈非線性變化,與未加載電壓相比,加載電壓后的火焰傳播速率有了明顯的提高,且低頻交流電壓對火焰傳播速率的促進作用要強于負直流電壓,而低頻交流電的頻率越低,其促進的程度越大。從圖中還可以看出,交流40 Hz和直流-5 kV作用下的SL隨著L先減小后增大,而其他電場作用下的SL隨著L先增大后減小。這可能是因為離子風效應的形成是一個累積的過程,交流40 Hz和直流-5 kV作用下的火焰,其離子風發展較為充分,而在火焰剛開始發展的一段時間,受離子風累積效應的影響,離子風作用不是很明顯,受溫度等諸多外界因素的影響,火焰傳播速率可能會有所下降,但隨著火焰進一步向外傳播,離子風效應逐漸增強,火焰傳播速率開始增大,因而也就出現了速率先減小后增大的現象。交流60、80和100 Hz由于頻率相對較大,離子沒有足夠的碰撞響應時間,此時離子風效應發展不充分,但此時同一時間帶電粒子受到的電場力方向交替改變的次數增多,因此粒子間的無規則碰撞加劇,這將產生一定的能量使得火焰傳播速率有一定的提高,但由于這種促進作用十分有限,以致于火焰發展到后期的傳播速率基本不變或有輕微減小。雖然這3種電場作用下的離子風發展不充分,但離子風效應仍然是影響火焰發展的主要因素,而隨著頻率的增加,離子風發展越來越不充分,因而也就出現了火焰傳播速率隨頻率增大而減小的現象。

圖7 λ=1.6時負直流和低頻交流電壓作用下的火焰傳播速率隨火焰傳播距離的變化

圖7中有些速率曲線出現了相交的情況,比如直流-5 kV的速率線與80、100 Hz的速率線均有相交,這可能是由于點火的隨機性和燃燒的不穩定性引起的。圖中每一條曲線代表不同工況下的瞬時火焰傳播速率隨火焰傳播距離的變化,由于實驗中點火和燃燒的不穩定性,很有可能出現不同工況下的火焰傳播到相同距離時火焰傳播速率相等,因而也就會出現圖中曲線相交的情況,但是就整體而言,火焰傳播速率隨加載電壓和頻率的不同呈一定規律的變化。

表2 平均火焰傳播速率及其相比未加電壓時的增大率

2.4 燃燒壓力

為了更好地比較負直流和低頻交流電場對預混火焰燃燒壓力的促進作用,本文采用歸一化方式處理燃燒壓力,從而獲得一個歸一化相對燃燒壓力增大率,即

φ=(P-P0)/P0

(2)

式中:P0和P分別為未加載和加載電壓時的瞬時燃燒壓力值。

圖8是λ=1.6時,未加載和加載U=-5 kV的負直流電壓以及電壓有效值為5 kV的低頻交流電壓時的相對燃燒壓力的增大率φ隨時間t的變化。從圖中可以看出,φ隨t的增大先增大后減小。這主要是因為燃燒初期,容彈內燃料充足,火焰受電場的促進作用明顯,燃燒壓力迅速增大到一個峰值,隨著燃燒的進行,容彈內的燃料逐漸消耗,電場的促進作用逐漸減弱,部分熱量因火焰面與電極及容彈壁面的接觸而損失掉,燃燒壓力開始下降;加載電壓后的壓力與未加載電壓時的相比有了較大幅度提高,低頻交流電場作用下燃燒壓力提高的程度比負直流電場作用下提高的程度大,且隨著低頻交流電頻率的降低,燃燒壓力增加的幅度越大,峰值出現時間提前得越多。

圖8 λ=1.6時負直流和低頻交流電壓作用下的相對燃燒壓力增大率隨時間的變化

表3是兩種電壓作用下的相對燃燒壓力增大率的最大值φmax及出現時間tmax。從表中可以看出,過量空氣系數一定時,φmax按加載低頻交流電壓(頻率由低到高)、加載負直流電壓的順序依次遞減,tmax則呈完全相反的趨勢。這說明低頻交流電場對燃燒的促進作用優于負直流電場的促進作用,且低頻交流電場的頻率越低,電場的促進作用越明顯。當加載電壓一定、混合氣越稀時,電場對火焰燃燒壓力的影響越明顯,例如f=40 Hz、λ=1.0,1.6時,φmax的值分別為0.35和0.65。

表3 相對燃燒壓力增大量的最大值及其出現時間

(a)λ=1.0

(b)λ=1.6圖9 φmax和的擬合結果

3 結 論

(1)無論加載負直流還是低頻交流電場,火焰在水平方向均得到了不同程度的拉伸。當低頻交流電頻率為40～100Hz時,低頻交流電場作用下的火焰拉伸程度整體要比負直流電場作用下的劇烈,而隨著低頻交流電頻率的降低,火焰拉伸越明顯。

(3)低頻交流電場對燃燒壓力的促進作用優于負直流電場,且低頻交流電場下的促進程度隨頻率的降低呈增大的趨勢。負直流及低頻交流電場對燃燒壓力促進的最大程度φmax按加載低頻交流電壓(頻率由低到高)、加載負直流電壓的順序依次遞減。

(4)低頻交流電場對火焰傳播和燃燒特性的促進效果要優于負直流電場,特別是f=40Hz時的促進效果最好。由于受容彈空間和火焰發展時間的限制,本文只研究到f=40Hz,在今后的研究中,還需拓寬頻率范圍,研究更低頻率的低頻交流電場對火焰的影響,從而獲得更有意義的結果。

[1] 康嬋, 楊星, 劉杰, 等. 負電場下點電極和網狀電極對預混稀燃火焰的影響 [J]. 西安交通大學學報, 2014, 48(1): 31-36. KANG Chan, YANG Xing, LIU Jie, et al. Effect of point and mesh electrodes with applied negative voltage on premixed lean combustion [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(1): 31-36.

[2] 李騰, 王京, 魏小林. 高頻高壓電場對甲烷預混倒置焰錐火焰的影響與分析 [J]. 工程熱物理學報, 2014, 35(10): 2097-2101. LI Teng, WANG Jing, WEI Xiaolin. The phenomenon analysis of high frequency high voltage electric field to premixed inverted methane flame [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2014, 35(10): 2097-2101.

[3] 段浩, 房建峰, 孫天旗, 等. 不同電極結構下電場對甲烷/空氣火焰的影響 [J]. 西安交通大學學報, 2014, 48(9): 62-67. DUAN Hao, FANG Jianfeng, SUN Tianqi, et al. Effects of electric fields in different electrode structures on methane/air flames [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(9): 62-67.

[4] MEMDOUH B, PASCALE D, PIERRE V. Direct numerical simulation of the effect of an electric field on flame stability [J]. Combustion and Flame, 2010, 157(12): 2286-2297.

[5] KIM M K, CHUNG S H, KIM H H. Effect of AC electric fields on the stabilization of premixed Bunsen flames [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2010, 33(1): 1137-1144.

[6] ALTENDORFNER F, KUHL J, ZIGAN L, et al. Study of the influence of electric fields on flames using planar LIF and PIV techniques [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33(2): 3195-3201.

[7] PARK D G, CHOI B C, CHA M S, et al. Soot reduction under DC electric fields in counterflow non-premixed laminar ethylene flames [J]. Combustion Science and Technology, 2014, 186(4/5): 644-656.

[8] WANG Y, NATHAN G J, ALWAHABI Z, et al. Effect of a uniform electric field on soot in laminar premixed ethylene/air flames [J]. Combust Flame, 2010, 157(7): 1308-1315.

[9] 方朝綱, 宋薔, 仲磊, 等. 重力場作用下三種不同燃料液滴在垂直電場中的燃料特性 [J]. 清華大學學報: 自然科學版, 2014, 54(1): 97-101. FANG Chaogang, SONG Qiang, ZHONG Lei, et al. Combustion behavior of three different fuel droplets in vertical electric field under gravity [J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2014, 54(1): 97-101.

[10]CHA M S, LEE Y. Premixed combustion under electric field in a constant volume chamber [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2012, 40(12): 3131-3138.

[11]ZHANG Y, WU Y, YANG H, et al. Effect of high-frequency alternating electric fields on the behavior and nitric oxide emission of laminar non-premixed flames [J]. Fuel, 2013, 109(7): 350-355.

[12]KIM M K, CHUNG S H, KIM H H. Effect of electric fields on the stabilization of premixed laminar Bunsen flames at low AC frequency: Bi-ionic wind effect [J]. Combust Flame, 2012, 159(3): 1151-1159.

[13]GOODINGS J, BOHME D, NG C W. Detailed ion chemistry in methane-oxygen flames: I Positive ions [J]. Combustion and Flame, 1979, 36(1): 27-43.

[14]GOODINGS J, BOHME D, NG C W. Detailed ion chemistry in methane-oxygen flames: II Negative ions [J]. Combustion and Flame, 1979, 36(1): 45-62.

[15]PRAGER J, RIEDEL U, WARNATZ J. Modeling ion chemistry and charged species diffusion in lean methane-oxygen flame [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2007, 31(1): 1129-1137.

[16]HUANG Z H, ZHANG Y, ZENG K, et al. Measurements of laminar burning velocities for natural gas-hydrogen-air mixtures [J]. Combustion and Flame, 2006, 146(1/2): 302-311.

[17]蔣德明. 內燃機燃燒與排放學 [M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2001: 165-167.

[18]MENG X W, WU X M, LIU J, et al. Effects of direct-current (DC) electric fields on flame propagation and combustion characteristics of lean premixed CH4/O2/N2flames [EB/OL]. [2015-05-06]. http: ∥papers. sae.org/2013-01-0309/.

[19]孫天旗, 劉杰, 段浩, 等. 不同電極下電場對甲烷/空氣稀燃火焰影響的試驗研究 [J]. 西安交通大學學報, 2015, 49(3): 38-43. SUN Tianqi, LIU Jie, DUAN Hao, et al. Effects of electric fields with different electrodes on methane/air lean combustion flame [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2015, 49(3): 38-43.

[本刊相關文獻鏈接]

李超,張聰,吳筱敏,等.交流電場氣動效應對球形傳播火焰影響的數值研究.2015,49(11):20-25.[doi:10.7652/xjtuxb 201511004]

張聰,侯俊才,段浩,等.交流電場電壓幅值對球形火焰影響的理論研究.2015,49(11):33-38.[doi:10.7652/xjtuxb2015 11006]

楊振中,秦朝舉,宋立業,等.傳統缸內壁面傳熱模型在氫內燃機中的適用性.2015,49(9):36-40.[doi:10.7652/xjtuxb 201509007]

孫天旗,劉杰,段浩,等.不同電極下電場對甲烷/空氣稀燃火焰影響的試驗研究.2015,49(3):38-43.[doi:10.7652/xjtuxb201503007]

劉兵,李春艷,孫天旗,等.離子電流法測量CH4/H2混合氣燃燒火焰傳播速度的實驗研究.2015,49(1):40-45.[doi:10.7652/xjtuxb201501007]

湯成龍,司占博,張旭輝,等.稀釋氣對高甲烷含量天然氣燃燒特性的影響.2015,49(9):41-46.[doi:10.7652/xjtuxb 201509008]

李春艷,高忠權,劉兵,等.電極位置與電極面積對離子電流影響的試驗研究.2015,49(7):55-60.[doi:10.7652/xjtuxb 201507010]

段浩,房建峰,孫天旗,等.不同電極結構下電場對甲烷/空氣火焰的影響.2014,48(9):62-67.[doi:10.7652/xjtuxb201409 011]

魏若男,周蓉芳,周竹杰,等.雙電極點火時間間隔對天然氣-空氣預混合氣層流燃燒的影響.2014,48(1):7-12.[doi:10.7652/xjtuxb201401002]

袁晨恒,馮慧華,李延驍,等.自由活塞直線發電機總體參數設計方法.2014,48(7):41-45.[doi:10.7652/xjtuxb201407 008]

孟祥文,楊星,康嬋,等.直流電場對預混CH4/O2/N2火焰傳播特性影響的試驗研究.2013,47(7):13-17.[doi:10.7652/xjtuxb201307003]

唐安東,孟祥文,周蓉芳,等.非均勻電場對火焰傳播速率的影響.2012,46(9):16-20.[doi:10.7652/xjtuxb201209004]

周蓉芳,魏若男,周竹杰,等.點火能量對天然氣空氣預混合氣層流燃燒的影響.2012,46(7):21-25.[doi:10.7652/xjtuxb201207005]

劉德新,劉斌.二次噴油優化直噴汽油機冷啟動排放特性的研究.2012,46(1):13-18.[doi:10.7652/xjtuxb201201003]

鞏靜,金春,姜雪,等.高辛烷值燃料-空氣預混層流燃燒特性研究.2009,43(5):26-30.[doi:10.7652/xjtuxb200905006]

陳亙,陳朝陽,黃佐華,等.二甲醚-氫氣-空氣混合氣預混燃燒的實驗研究.2008,42(5):542-545.[doi:10.7652/xjtuxb 200805007]

(編輯 趙煒 苗凌)

Experimental Research on the Effects of Negative DC Electric Field and Low-Frequency AC Electric Field on Premixed Flame

CUI Yuchen1,HOU Juncai1,WU Xiaomin1,2,SHI Lu3

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Shaanxi University of Technology, Hanzhong, Shaanxi 723001, China; 3. Department of Locomotive Vehicle, Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210031, China)

An experiment was conducted on a constant-volume combustion bomb at normal temperature and atmospheric pressure to investigate the effects of negative DC electric field and low-frequency AC electric field formed by the mesh electrodes on the flame shape, propagation speed and combustion pressure of premixed CH4/air mixtures. The results show that both the negative DC electric field and the low-frequency AC electric field can increase the average flame propagation speed and the combustion pressure and low-frequency AC electric field performs better than the negative DC electric field. When the frequency of low-frequency AC is decreased, the promoting effect is increased. When the excess air ratio is 1.6, compared with the case without the voltage applied, the average flame propagation speeds of negative DC electric field at -5 kV and low-frequency AC electric fields at the frequencies 40, 60, 80 and 100 Hz and when the effective voltage is 5 kV, will have an increase of 37.93%, 72.41%, 55.17%, 48.28% and 39.66%, respectively; and the maximum increasing rates of the relative combustion pressure are 0.23, 0.65, 0.58, 0.48 and 0.28, respectively.

negative DC electric field; low-frequency AC electric field; frequency; flame propagation speed; combustion pressure

2015-06-23。 作者簡介:崔雨辰(1991—),女,碩士生;吳筱敏(通信作者),女,教授,博士生導師。 基金項目: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:2015-11-04

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151104.2222.006.html

10.7652/xjtuxb201601020

TK431

A

0253-987X(2016)01-0131-08