正直流電場(chǎng)對(duì)球形火焰影響的機(jī)理分析

孟浩, 楊猛, 何子奇, 魏旭星, 吳筱敏

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 710049, 西安)

天然氣相對(duì)于汽油燃燒速度慢、燃燒穩(wěn)定性較差的問題限制了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)更廣泛的應(yīng)用,電場(chǎng)助燃技術(shù)因可以增強(qiáng)天然氣火焰穩(wěn)定性[1-2]、提高火焰?zhèn)鞑ニ俣萚3-4]、有效降低污染物排放[5-6]而得到廣泛關(guān)注,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其作用機(jī)理也進(jìn)行了深入的研究。在球形火焰中由于化學(xué)離子化的作用在鋒面反應(yīng)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量正離子與電子[7],故國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者認(rèn)為電場(chǎng)主要通過作用于正離子形成的正離子風(fēng)效應(yīng)以及作用于電子形成的電化學(xué)效應(yīng)影響燃燒[1-4]。試驗(yàn)研究表明,正直流電場(chǎng)對(duì)火焰也有明顯促進(jìn)作用,由于正電場(chǎng)下正離子風(fēng)方向與火焰?zhèn)鞑シ较蛳喾礋o法促進(jìn)火焰?zhèn)鞑?因此一般認(rèn)為正直流電場(chǎng)主要通過電化學(xué)效應(yīng)促進(jìn)燃燒[8]。然而,Kim等在對(duì)低頻交流電場(chǎng)影響本生燈火焰的研究中發(fā)現(xiàn)了雙離子風(fēng)效應(yīng)(正離子風(fēng)與負(fù)離子風(fēng)的耦合效應(yīng))的存在[2],說明正直流電場(chǎng)下還會(huì)產(chǎn)生負(fù)離子風(fēng)效應(yīng),但目前的研究并不能確定哪種效應(yīng)在正直流電場(chǎng)影響火焰過程中占據(jù)主導(dǎo)。

研究表明,負(fù)直流電場(chǎng)主要通過正離子風(fēng)效應(yīng)促進(jìn)火焰?zhèn)鞑4,9],高頻交流電場(chǎng)主要通過電化學(xué)效應(yīng)加速燃燒[10-11],因此將正直流電場(chǎng)與另外兩種電場(chǎng)的助燃效果進(jìn)行對(duì)比研究將有助于確定正電場(chǎng)助燃的主導(dǎo)效應(yīng)。本文選取了過量空氣系數(shù)λ為1.2、1.4、1.6的預(yù)混稀燃?xì)?在303.975 kPa初始?jí)毫ο?分別施加幅值為5 kV的正/負(fù)直流電壓以及有效值為5 kV、頻率為15 kHz的高頻交流電壓,通過對(duì)比直流正電場(chǎng)與另外兩種電場(chǎng)下球形傳播火焰的傳播特性的異同,最終確定正電場(chǎng)輔助燃燒的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

該定容燃燒裝置由定容燃燒彈、配氣機(jī)構(gòu)、點(diǎn)火電路、高速紋影攝像系統(tǒng)、燃燒壓力采集系統(tǒng)、高壓電源及其電路系統(tǒng)組成,如圖1所示。定容燃燒彈的結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)所用的定容燃燒彈內(nèi)徑為140 mm、長(zhǎng)為180 mm,容彈內(nèi)裝有聚四氟乙烯材質(zhì)的絕緣套,絕緣套內(nèi)徑為130 mm、外徑為140 mm、長(zhǎng)為180 mm。兩個(gè)點(diǎn)火電極在容彈內(nèi)豎直對(duì)稱安裝,間距為2 mm、直徑為2 mm,材質(zhì)為45號(hào)鋼。點(diǎn)火電極既能通過火花放電形成火核,也充當(dāng)外加交流電場(chǎng)的一極。一對(duì)網(wǎng)電極由45號(hào)鋼鍛造而成,形狀為外徑為60 mm的圓盤,網(wǎng)格大小為8.5mm×8.5 mm,水平對(duì)稱地安裝在距點(diǎn)火電極35 mm處,將其與高壓電源連接,與點(diǎn)火電極構(gòu)成點(diǎn)-網(wǎng)電場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 定容燃燒彈與電極

實(shí)驗(yàn)用高壓電源為威思曼高壓電源(咸陽(yáng))公司生產(chǎn)的高穩(wěn)定精密DEL系列高壓電源,高頻交流高壓電源型號(hào)為WPS20P20,輸出0～20 kV電壓連續(xù)可調(diào)。負(fù)直流高壓電源型號(hào)為DEL30N45,輸出0～-30 kV電壓連續(xù)可調(diào)。正直流高壓電源型號(hào)為DEL15P15,輸出0～15 kV電壓連續(xù)可調(diào)。實(shí)驗(yàn)中采用了美國(guó)Redlake公司生產(chǎn)的HG-100K型高速攝像機(jī),每幀圖像的拍攝間隔為0.2 ms。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果

本文利用ANSOFT Maxwell 14.0工程電磁場(chǎng)有限元分析軟件對(duì)不同電場(chǎng)下的空間靜電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真,得到了其對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

圖5 3種電場(chǎng)下火焰?zhèn)鞑D片

2.1.1 電場(chǎng)強(qiáng)度幅值和矢量空間分布 圖3為加載不同電壓后容彈中心截面電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)線分布的數(shù)值模擬結(jié)果。從圖中可以看出,加載電壓后,電極間的電場(chǎng)線方向近似水平,直流正電場(chǎng)與負(fù)電場(chǎng)、高頻交流電場(chǎng)的波峰與波谷時(shí)刻下容彈內(nèi)的電場(chǎng)線方向正好相反。加載正/負(fù)直流電壓時(shí)容彈內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度分布幾乎完全相同,電極間電場(chǎng)強(qiáng)度變化不大。同樣,在加載的高頻交流電壓波峰和波谷時(shí)刻容彈內(nèi)也有相同的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

(a)直流正電壓 (b)直流負(fù)電壓

(c)高頻交流電壓波峰 (d)高頻交流電壓波谷圖3 不同加載電壓下的電場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 不同電壓下容彈內(nèi)沿中心水平軸線的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

2.1.2 高壓電極中心水平軸線上電場(chǎng)強(qiáng)度分布 圖4為加載不同電壓后電場(chǎng)強(qiáng)度沿中心水平軸線的分布,其中正/負(fù)直流電壓、高頻交流電壓波峰/波谷時(shí)刻下場(chǎng)強(qiáng)分布相同。由圖可見,無論加載何種高壓電場(chǎng),隨著離容彈中心處距離d的增加,電場(chǎng)強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),但是場(chǎng)強(qiáng)值變化幅度較小。

2.2 火焰?zhèn)鞑D像

圖5給出了3種不同電壓下火焰?zhèn)鞑サ膶?duì)比圖片。由圖可見:當(dāng)λ為1.2時(shí),3種電場(chǎng)下的火焰水平前鋒面拉伸均較小且相近;當(dāng)λ為1.4時(shí),直流正/負(fù)電場(chǎng)的拉伸作用開始強(qiáng)于高頻交流電場(chǎng);當(dāng)λ為1.6時(shí),火焰鋒面在高頻交流電場(chǎng)下的變化依然較小,而在直流正/負(fù)電場(chǎng)下則出現(xiàn)了明顯的形變。因此,在火焰?zhèn)鞑D片的對(duì)比上,正直流電場(chǎng)與負(fù)直流電場(chǎng)保持了較好的一致性。

2.3 水平方向火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

SL=dL/dt

(1)

(2)

(3)

式中:t為火焰?zhèn)鞑r(shí)間;S0為未加載電場(chǎng)時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?L25=25 mm;L6=6 mm。

圖6 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x示意圖

圖7給出了加載不同電壓時(shí)水平傳播速度隨距離變化的曲線。由圖可見,當(dāng)λ不變時(shí),高頻交流電場(chǎng)下SL隨L先減小后增大,并與圖4交流電場(chǎng)下E-d曲線變化相似。這是由于電化學(xué)效應(yīng)下SL正相關(guān)于E,且電化學(xué)效應(yīng)影響燃燒存在遲滯性,使SL-L曲線滯后E-d曲線1～2 mm。負(fù)直流電場(chǎng)下SL隨L有增大的趨勢(shì),這是正離子風(fēng)不斷積累發(fā)展的結(jié)果。對(duì)比直流正電場(chǎng)下SL-L曲線,可明顯看出其與加載直流負(fù)電場(chǎng)時(shí)有幾乎相同的變化規(guī)律。

(a)λ=1.2

(b)λ=1.4

(c)λ=1.6圖7 不同電場(chǎng)下火焰水平傳播速度隨傳播距離的變化

圖8 加載不同電壓后平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓孰S過量空氣系數(shù)的變化

3 直流正電場(chǎng)助燃機(jī)理分析

由于火焰中存在大量正離子,目前為止一直假設(shè)對(duì)離子風(fēng)效應(yīng)負(fù)責(zé)的帶電粒子是正離子,但是由于電子與中性粒子吸附反應(yīng)的存在,稀燃火焰中負(fù)離子與正離子濃度比相當(dāng)可觀,加載正直流電場(chǎng)后,由于電場(chǎng)使電子能量升高,促進(jìn)了電子與電負(fù)性物質(zhì)的吸附反應(yīng)。同時(shí),大量電子遷移到焰前預(yù)熱區(qū)參與生成負(fù)離子,預(yù)熱區(qū)的低溫環(huán)境延長(zhǎng)了負(fù)離子的存在時(shí)間,使火焰中的負(fù)離子濃度進(jìn)一步提高。

圖9給出了預(yù)混層流甲烷火焰中總的正、負(fù)離子濃度分布曲線[15]。由圖可見,即使稀燃火焰中負(fù)離子與正離子濃度比較濃燃火焰有了明顯升高,火焰中負(fù)離子濃度仍小于正離子,因此正電場(chǎng)對(duì)火焰?zhèn)鞑サ拇龠M(jìn)作用弱于負(fù)電場(chǎng),但圖7中當(dāng)λ為1.6時(shí),正直流電場(chǎng)的促進(jìn)效果超過了負(fù)直流電場(chǎng),這是因?yàn)樨?fù)離子風(fēng)的形成機(jī)理與正離子風(fēng)有較大差別。

(a)稀混合氣

(b)濃混合氣圖9 甲烷/氧氣火焰中總的正、負(fù)離子濃度分布曲線[15]

根據(jù)火焰中帶電粒子分布理論[15-17],圖10a模擬了正直流電場(chǎng)下球形火焰中負(fù)離子的分布以及負(fù)離子風(fēng)發(fā)展?fàn)顩r。如圖所示,負(fù)離子主要在火焰鋒前預(yù)熱區(qū)內(nèi)通過電子與中性粒子的吸附反應(yīng)生成,加載正直流電場(chǎng)后負(fù)離子沿水平方向遷移形成負(fù)離子風(fēng),且由于越靠近豎直中心負(fù)離子受電場(chǎng)作用時(shí)間越長(zhǎng)、負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度越高,電場(chǎng)的促進(jìn)作用也越明顯。圖10b給出了現(xiàn)有研究中正離子風(fēng)發(fā)展模擬圖[18],加載負(fù)直流電場(chǎng)后火焰中正離子沿火焰鋒面遷移,當(dāng)正離子風(fēng)發(fā)展到一定程度會(huì)形成渦流[18],渦流的出現(xiàn)阻礙了火焰水平鋒面中心的傳播速度。當(dāng)λ為1.6時(shí),由于火焰?zhèn)鞑r(shí)間長(zhǎng),正負(fù)離子風(fēng)都有了較高程度的發(fā)展,正是正離子風(fēng)產(chǎn)生的渦流使正直流電場(chǎng)對(duì)火焰?zhèn)鞑サ拇龠M(jìn)作用超過負(fù)直流電場(chǎng)。

正直流電場(chǎng)下負(fù)離子風(fēng)的形成機(jī)理表明了其應(yīng)用場(chǎng)景,燃料越稀,火焰中負(fù)離子濃度占比越高,負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)越強(qiáng),正直流電場(chǎng)較另外兩種電場(chǎng)的促進(jìn)效果越明顯。因此,對(duì)λ≥1.6的稀薄混合氣,應(yīng)優(yōu)先選擇正直流電場(chǎng)來輔助燃燒。

(a)加載正直流電場(chǎng)

(b)加載負(fù)直流電場(chǎng)圖10 直流電場(chǎng)下的火焰鋒面反應(yīng)區(qū)離子分布以及離子風(fēng)發(fā)展

4 結(jié) 論

(2)負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)與正離子風(fēng)效應(yīng)在形成機(jī)理與作用效果上都存在區(qū)別。火焰中正離子主要通過化學(xué)離子化作用生成,負(fù)離子主要通過電子與中性分子的吸附反應(yīng)生成,這使得正離子風(fēng)發(fā)展到一定程度后會(huì)在火焰鋒面內(nèi)形成渦流阻礙其促進(jìn)效果,而負(fù)離子風(fēng)則隨著發(fā)展程度的提高逐步增強(qiáng)其促進(jìn)效果。

(3)燃料越稀,正直流電場(chǎng)較另外兩種電場(chǎng)的助燃效果越明顯。對(duì)λ≥1.6的稀薄混合氣,應(yīng)加載正直流電場(chǎng)輔助燃燒。