電場極性對甲烷 空氣混合氣燃燒特性的影響?

房建峰,吳筱敏,趙海軍

(1.洛陽理工學院機械工程學院,洛陽 471023； 2.西安交通大學能源與動力工程學院,西安 710049)

前言

1 試驗裝置與方法

試驗裝置如圖1所示,該裝置包括定容燃燒彈、高速攝像與紋影光路系統、供氣系統、點火系統、數據采集系統和高壓電場系統。定容燃燒彈是內徑130mm、長度為130mm的圓柱型殼體,內腔裝有壁厚5mm、長130mm的聚四氟乙烯套以隔斷定容彈中高壓電場與外界的聯系。定容彈前后兩邊裝有厚15mm的石英玻璃,為高速攝像及紋影光路系統提供光學通路。高速攝像機由美國REDLAKE公司生產,型號為 HG-100K,其拍攝速度為10 000幀/s。數據采集系統中的壓力傳感器安裝在燃燒彈上,用于記錄燃燒過程中混合氣壓力的變化。外圍包有聚四氟乙烯的點火電極垂直對稱安裝在定容燃燒彈的中心處,用于點燃混合氣。在定容彈中產生高壓電場的電極為一對直徑為4mm的鋼針,對稱安裝在定容彈中心的水平方向,相互之間距離為70mm。與高壓電極聯接的電源為威思曼DEL系列直流高壓電源,正、負電源的輸出電壓分別可在0～30kV和0～-30kV之間調整。裝有高壓電極的燃燒室結構示意圖如圖2所示。

試驗時由供氣裝置向定容彈中充入過量空氣系數λ＝1.6的甲烷-空氣混合氣,加載高壓分別為0,±5,±10和±12kV。試驗在常溫常壓下進行,用高速攝影儀拍照記錄火焰發展變化,用數據采集儀記錄壓力變化。每組試驗至少重復3次,以便盡可能使試驗結果保持穩定。

2 結果與分析

2.1 電場數值模擬結果

在試驗中利用ANSYS13.0軟件對加載電壓后定容彈內部形成的空間電場進行數值模擬。由于拍攝的火焰圖片主要反映定容彈中心處火焰的發展傳播狀況,因此圖3只顯示了加載電壓為±12kV時,電場在定容彈中心處的分布狀況。

圖2 定容彈結構示意圖

圖3 加載電壓為12和-12kV時的電場分布

由圖3可見,加載電壓大小相同而極性相反時,產生的電場強度大小相同,且空間分布完全一致,但電場的方向完全相反。水平方向的電場強度在數值上明顯要大于豎直方向的數值。輸入負電壓時,電場方向近似從定容彈豎直中心線和定容彈四周指向高壓電極；輸入正電壓時,電場方向與此相反。電場在水平方向距中心大約28mm的區域內比較均勻,其平均電場強度大約為1.45×105V/m。在距離高壓電極前端大約7mm的范圍內,電場強度變化較為劇烈,其數值從2.6×105迅速增長到3×106V/m。由于電場強度與加載電壓成正比,所以加載電壓為±5和±10kV時,定容彈中電場的分布與電壓為±12kV時的電場類似,只是強度大小成比例降低。

2.2 不同極性的電場對火焰傳播的作用

圖4為正、負電場作用下的火焰傳播相片。燃燒火焰的發展時間和所加電壓依次列在相關圖像的旁邊。從圖中可以看出:加載電壓為0,即沒有電場作用時,火焰呈圓球形由定容彈中心向外發展,各方向的火焰傳播狀況基本一致；當加載電壓為5kV時,不論電場的極性如何,火焰水平方向的傳播稍微有所加快,而火焰豎直方向的傳播狀況變化不大,圓球形火焰的發展形狀有所變化；當加載電壓為±10或±12kV時,水平方向的火焰前鋒明顯被拉長,幾乎均等地向左右兩邊傳播,而豎直方向火焰傳播變化不很明顯,此時整個火焰發展近似成圓柱形?？梢?無論加載正電場還是負電場,電場方向上的火焰發展均被明顯加快,其效果隨外加電場的增強而愈發顯著。

圖4 在不同電場下的火焰傳播圖片

2.3 不同極性的電場對火焰傳播速度的作用

為盡量準確反映不同極性的電場對火焰傳播的作用,本文中測取了水平方向火焰半徑的發展狀況,其方法如圖5所示。測取圖中6個方向的火焰傳播半徑,然后取其平均值作為電場作用下水平方向的火焰傳播半徑ru。為了消除點火和燃燒壓力對測量結果的影響,火焰半徑的測量范圍控制在5～25mm之間[10]。根據測量的火焰傳播半徑,火焰拉伸速度Sn＝d ru/d t,其中t為燃燒火焰的傳播時間。

圖6示出不同極性電場作用下火焰半徑的發展狀況。在外加電場的作用下,火焰傳播半徑的發展均隨時間近似成線性增加。不論外加電場的極性如何,火焰半徑的增加都隨所加電壓的升高而增強。同時,在所加電壓數值相同時,負電場對火焰半徑發展的促進作用要強于正電場。比如,在外加電壓大小為12kV時,當火焰半徑發展到25mm時,正、負電場作用下所耗費時間分別為28.1和23.8ms,相對于沒有電場作用下的情況,火焰傳播時間分別縮短了24.7%和36.2%。

圖6 火焰傳播距離與時間的關系

圖7示出了火焰拉伸速度與火焰傳播半徑之間的關系。隨著外加電場的增強,火焰的拉伸速度隨之增大。且隨著火焰的發展,火焰速度的增加程度加大。同時,負電場作用下火焰速度的增加要大于正電場的作用效果。在外加電壓為12kV時,負電場作用下的最大火焰速度是0.98m/s,而正電場作用下的火焰速度是0.85m/s,相對于沒有電場作用下的情況分別增加了62.3%和41.7%。

圖7 火焰拉伸速度與傳播距離的關系

不同極性電場對火焰發展促進作用的差異可用正、負電場產生的離子風效應來說明。從圖3可知,負電場作用下,水平方向的電場強度較大,且火焰傳播與電場方向大致一致。由此火焰前鋒中的陽離子,如H3O+,沿電場方向加速運動,與混合氣中的中性離子碰撞,從而形成較強的離子風效應,增強了火焰前鋒與混合氣之間的熱量交換和質量交換,促進了電場方向的火焰傳播。加載電壓越高,產生的離子風效應越強,則火焰發展的增加程度越大。外加正電場時,水平方向的火焰傳播與電場方向相反。如果只考慮火焰中的陽離子,則水平方向火焰的發展應該被抑制。但事實上水平方向的火焰發展仍然加快。這說明在分析電場對火焰傳播產生的離子風效應時,不能只考慮陽離子的作用狀況?；鹧嬷匈|量較大的陰離子雖然已經研究了很長時間,但人們對它們的認識程度依然較少。有學者認為質量較大的陰離子如存在于低溫區域中,而在高溫情況下會很快分解退變成中性分子和自由電子。

因此人們認為火焰中的陰離子主要是自由電子,其濃度和火焰中的陽離子基本相當。自由電子活動能力較強,很容易與混合氣中的中性粒子,尤其是O2分子,碰撞而產生黏著作用并形成新的陰離子不僅質量較大,且能在高溫環境下生存[11-12]。在正電場作用下,電場方向大致與火焰傳播方向相反。自由電子和負離子會逆著電力線方向從已燃區向溫度較低的未燃區移動。由此自由電子很容易與混合氣中的中性分子結合形成一定量的陰離子,特別是較多的。此時外加正電場可產生由陰離子,特別是,主導的離子風效應。從火焰圖形和火焰傳播速度的變化可知,正電場作用下的火焰傳播確實比沒有電場作用時的狀況更快,且這效果隨正電場的增強而愈加明顯。與火焰中的陽離子相比,離子不僅生成較晚,其濃度也相對較低。有學者測得火焰中主要陽離子的運動遷移率大約為2.9×10-4m2·(V·s)-1,而離子的運動遷移率則為2.25×10-4m2·(V·s)-1,即電場作用下陽離子的活動能力要強于陰離子[13]。

從火焰中陰、陽離子的生成狀況、濃度大小和遷移速度的變化可知,在電場強度相同的情況下,負電場作用下由陽離子主導的離子風效應要強于正電場作用下由陰離子主導的離子風效應。因此負電場作用下,火焰傳播速度的增加程度相對較大。

圖8 正、負電場作用下的燃燒壓力曲線

表1 不同極性電場作用下的燃燒壓力峰值、峰值時間和變化率

2.4 不同極性的電場對混合氣燃燒壓力發展的影響

正、負電場作用下的燃燒壓力變化曲線如圖8所示。沒有外加電場時,燃燒壓力的升高比較緩慢。在施加電壓后,不論電場的極性如何,燃燒初期壓力升高率均明顯加快,壓力峰值隨之增大,出現的時刻提前。施加電壓越大,電場對燃燒壓力的促進作用越明顯。表1顯示了不同極性電場作用下的燃燒壓力峰值、峰值時刻和變化率?？梢钥闯?負電場作用下,燃燒壓力峰值的增量超過正電場,其壓力峰值出現的時刻提前較大。在施加電壓的絕對值同為12kV時,負電場作用下的壓力峰值增加了12.3%,峰值時刻提前了31.8%,而正電場作用下的壓力峰值只增加了8.5%,峰值時刻僅提前了21.1%。說明負電場對燃燒壓力的促進作用明顯超過正電場。

電場產生的離子風效應促進了火焰形狀的變化,增加了火焰表面積,同時提高了火焰傳播速度。這效果會隨著施加電壓的升高而增強。由此使單位時間內燃燒的燃料增多,這個趨勢隨著燃燒過程的進行會愈演愈烈。因此燃燒壓力迅速提高,燃燒峰值壓力出現時刻提前。施加電壓越高,燃燒壓力升高愈快。峰值壓力的大小主要由燃燒強度和燃燒混合氣對周圍散熱決定[14]。電場作用下火焰傳播速度的加快,減少了混合氣燃燒過程對外界的散熱,使燃燒壓力的峰值提高。同時,從火焰傳播形狀和火焰拉伸速度的變化可以看出,燃燒火焰在電場作用下的發展過程明顯受到了額外的拉伸效應,包括流體動力學拉伸和火焰拉伸。這兩種拉伸的具體定義和對混合氣燃燒的作用效果可參見文獻[15-16]。對于λ＝1.6的甲烷-空氣混合氣,其路易斯數小于1,即混合氣的熱擴散小于質量擴散。拉伸作用使火焰前鋒區域化學能的獲得高于熱損失,由此提高了火焰的燃燒溫度和燃燒強度,導致混合氣燃燒壓力的峰值進一步升高。相比于正電場,負電場對λ＝1.6混合氣燃燒過程的促進作用更強,燃燒壓力的峰值增加程度較大。

3 結論

(1)在外加電場作用下,火焰傳播速度和混合氣燃燒壓力的升高加快,對于不同極性的電場,負電場對燃燒的促進作用明顯強于正電場。對于λ＝1.6的混合氣,在施加12kV電壓時,正、負電場作用下火焰傳播速率的最大值分別增加了41.7%和62.3%,壓力峰值增大了8.5%和12.3%,壓力峰值時刻提前了21.1%和31.8%。

(2)在正、負電場作用下,燃燒火焰中分別產生主要由陰離子O2-和陽離子H3

+O主導的離子風效應。與火焰中的H3+O相比,O2

-產生較晚,濃度較小,且運動能力較低。因此使正電場產生的陰離子風效應明顯小于負電場產生的陽離子風效應。

(3)負電場的離子風效應較強,對火焰傳播速度的促進作用較大,減少了火焰傳播過程中的對外散熱。同時增強了火焰傳播過程受到的拉伸效應,使混合氣的燃燒性能有較明顯的提高。