甲烷/空氣預混湍流火焰的離子電流信號特征分析

張灝,高忠權,高煦堯,寇夢玄,杜增暉,洪流

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.液體火箭發動機技術重點實驗室,710100,西安)

隨著環境問題的日益嚴峻,清潔能源成為各國研究的重點,天然氣作為一種重要的清潔燃料,主要成分為甲烷(CH4),具有安全性高、排放性能好、成本低的優點[1]。為了提高利用清潔燃料的精細度,燃燒檢測技術成為檢測燃料燃燒狀況、控制燃燒工況的關鍵。實際應用中,甲烷多以湍流狀態燃燒,國內外學者利用燃燒檢測技術對甲烷的湍流燃燒特性進行了大量研究。

Sweeney等利用分層渦流燃燒器控制分層和渦流程度,來對甲烷/空氣的預混湍流火焰結構進行研究[2-3]。Askari等通過向容彈內噴射甲烷和空氣形成局部預混的湍流混合氣,改變溫度、壓強、添加氫氣或稀釋氣來研究火焰燃燒速率、壓強等參數[4-5]。王金華等分別在本生燈和風扇擾動的定容燃燒彈內對甲烷/氫氣與空氣的湍流火焰進行了火焰結構、傳播速度的測量,并探究了稀釋氣、Lewis數等變量或參數對火焰的影響[6-8]。

目前,多數實驗研究是利用紋影[4-5,8]、激光[2-3,6-7]等光學檢測技術對甲烷湍流火焰進行測定,這種檢測手段多需要精密昂貴的設備,不利于實際應用,而離子電流法因具有結構簡單、便于應用[9]、采集到的信號豐富且時效性強等優點被重視,近些年來得到了國內外廣大學者的關注。

因離子電流法具有極高的實用性,所以多數學者將其應用在發動機氣缸內燃燒的研究上[10-13]。但是,發動機實驗在火焰直觀的可視化方面太過局限,所以有部分學者將其與光學檢測法結合,來對火焰進行研究。李理光等研究了電場對甲烷層流火焰離子電流的影響,并建立了數值模型[14-15]。吳筱敏等在定容燃燒彈上,結合紋影系統研究了電極大小和間隙等參數對甲烷層流火焰離子電流信號的影響[16-17]。Shy等通過設計一個十字型的定容燃燒裝置,利用離子電流信號對不同當量比、不同湍流強度和不同稀釋條件下的甲烷/空氣預混湍流火焰的傳播速度進行了測量[18-20]。

綜上,可以發現目前利用離子電流法對甲烷預混湍流火焰檢測的研究較少,更是缺少對甲烷預混湍流火焰離子電流信號的分析,尤其是結合火焰可視化圖像進行分析。因此,本文采用離子電流法火焰檢測技術,對定容燃燒彈內初始溫度298 K,初始壓強100 kPa,湍流裝置轉速系數kn為0(層流)和1 650(湍流),過量空氣系數λ為1.0、1.1、1.2、1.4和1.6時的甲烷/空氣預混湍流火焰的離子電流信號進行采集,重點分析了甲烷預混湍流火焰離子電流信號的成因,以及不同工況下燃燒壓強信號和離子電流信號的峰值大小、峰值時刻和離子電流信號上升沿數量的變化規律,并進一步探究了離子電流與湍流火焰傳播速度之間的關系。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

本文通過對賈偉東等所采用的定容燃燒彈實驗臺架[21]進行改進以實現湍流場的產生,其示意圖如圖1所示。實驗裝置由點火系統、紋影系統、進排氣系統、數據采集系統和湍流定容燃燒彈5部分組成,其中湍流容彈和離子電流測量系統的結構簡圖如圖2所示。

圖1 離子電流測量湍流火焰實驗臺架系統簡圖 Fig.1 Diagram of turbulent flame experimental bench system for ion current measurement

圖2 湍流容彈和離子電流測量系統Fig.2 Turbulent constant-volume combustor and ion current measurement system

湍流容彈彈體為鐵制正方體裝置,整體接地,內部為直徑130 mm、長180 mm的水平圓柱式腔室,整個腔室除湍流發生裝置安裝孔處有部分裸露外,其余部分均覆有聚四氟乙烯。點火電極位于整個腔室中心上下兩側,沿徑向對稱布置,放電尖端相距2 mm,除放電尖端裸露之外,其余部分均作絕緣處理。湍流發生裝置和點火電極位于同一橫截面,是由電機、扇葉和安裝套組成的旋轉擾動式湍流發生裝置,其軸線水平布置,且與腔室軸線垂直,并距離40 mm,扇葉旋轉中心基本與腔室圓柱面重合。湍流的發生就由對稱安裝在容彈壁內部的4組裝置產生,并通過調節器來控制電機轉速,調節器所顯示的數值定義為kn值。在開放空間利用熱敏式風速測速儀測得湍流發生裝置在kn=1 650時所產生的風速vwind基本穩定,且4個湍流裝置產生的風速基本一致,如圖3所示,所以認為能夠產生可控的相對穩定的湍流場。

圖3 kn=1 650時各湍流發生裝置在開放空間測得的風速 Fig.3 The wind speed of various turbulence generating devices measured in open space when kn=1 650

離子電流測量系統由測量電路、測量電極和信號采集裝置3部分組成,其中測量電極采用Φ0.8 mm的不銹鋼絲制作,兩個測量電極對稱于容彈腔水平中心面布置,軸間距為3.8 mm,并和點火電極在同一橫截面,斷面距點火電極軸心5.5 mm,另一端與腔室圓柱面重合。通過高壓模塊將12 V直流電源升壓至80 V并加載到測量電極兩端,分壓電阻為900 kΩ,濾波電容為82 nF。

1.2 實驗方法

本文實驗根據甲烷/空氣的化學計量燃燒反應式,結合道爾頓分壓定律,通過壓力變送器將甲烷和空氣按照過量空氣系數為1.0、1.1、1.2、1.4和1.6充入容彈腔內并靜置2 min,待其混合均勻之后啟動湍流發生裝置,調節電機轉速控制器使kn分別為0和1 650,等待2 min,使湍流場平穩,通過點火系統點燃混合氣,數據采集系統采集離子電流信號和燃燒壓強信號,紋影系統采集容彈內混合氣燃燒圖像。實驗中所用到的儀器儀表如表1所示。

表1 實驗所用儀器儀表

2 結果與分析

2.1 甲烷預混層流火焰離子電流信號的特征和形成機理

基于離子電流法檢測火焰的基本原理,在甲烷/空氣的預混層流火焰(kn=0)中測得過量空氣系數λ=1.0時的燃燒壓強和離子電流信號,以及用高速攝像機記錄的離子電流信號轉折時對應的火焰燃燒狀態,如圖4所示。

(a)不同時刻的火焰燃燒狀態

從圖4可以看出,燃燒壓強信號僅有一個上升沿,而離子電流信號包含3個上升階段,這3個階段分別對應火花點火階段(t1～t2)、火焰前鋒區離子電流(t3～t4)和焰后區離子電流(t5～t6)。

火花點火階段(t1～t2)產生的離子電流信號主要是因點火時混合氣被擊穿放電產生的感應電勢所引起的。測量電極與點火電極分離能夠有效避免點火時離子電流信號的產生[22],本實驗為更全面地測得火焰發展過程的離子電流信號,測量電極尖端距點火電極放電尖端較近,故造成在點火時產生了一個較小的離子電流信號,如圖4中放大部分所示。

火焰前鋒離子電流(t3～t4)產生的離子電流是火焰前鋒面接觸測量電極產生的。甲烷燃燒時,火焰前鋒面內發生著復雜而劇烈的化學反應,其全局反應可以描述為

CH4+2(O2+3.76N2)?CO2+2H2O+7.52N2

(1)

反應過程會發生化學電離,產生大量帶電的離子基團,其中主要的化學電離過程為

(2)

CHO+基團隨后與H2O產生迅速的質子轉移反應

(3)

k1、k2均為反應速率常數,其中k1=5×10-14cm3/s,k2=7×10-9cm3/s,k2在數量級上遠大于k1,所以式(3)的反應速率遠大于式(2),H3O+的濃度遠大于CHO+的濃度,故一般認為,H3O+的數量在正離子中居首位。之后,H3O+會與電子發生中和反應

(4)

所以火焰前鋒面中所生成的CHO+、H3O+、e-等帶電基團在偏置電壓所生成的電場中受電場力的作用產生移動,進而形成電流信號,電流的大小可表示為

(5)

式中:If為火焰前鋒面的離子電流;Nion為單位體積的電荷密度;Vrz為測量電極間反應區域的體積;E為電場強度;ve為遷移率;r為測量電極的間距。

焰后區離子電流(t5～t6)的形成主要是火焰前鋒面接觸容彈壁未絕緣部分形成的燃燒后期的火焰前鋒面離子電流信號,疊加上焰后高溫區熱電離形成的離子電流信號[23]。此時的火焰前鋒面產生的離子電流信號同t3～t4階段產生機理一樣,高溫區熱電離目前普遍認為主要是NO發生熱電離產生NO+和e-,這些經熱電離產生的帶電離子基團在電場力的作用下產生遷移,形成電流[24]。至于普遍認為焰后區的大部分自由電子是由NO產生的,主要是因為其熱離子化所需的熱能最低,離子化率又較高,如表2所示。

電流信號中有兩段下降沿,其中t2～t3是因為點火階段產生的離子電流消失所致;t4～t5的下降沿是因火焰前鋒面已經不與測量電極接觸,但尚未與容彈壁的未絕緣部分接觸,且焰后區熱電離尚未開始或電離程度不高,所以離子電流信號產生下降。

2.2 甲烷預混湍流火焰的離子電流信號特征

本實驗采取湍流生成裝置在kn=1 650時所形成的湍流,此時湍流生成裝置在開放環境下測得風速vwind為21.22 m/s左右,測得λ=1.0時的燃燒壓強信號和離子電流信號,以及用高速攝像機記錄的離子電流信號轉折時刻對應的湍流火焰燃燒狀態,如圖5所示。

表2 已燃高溫區主要成分的熱電離能和離子化率[25]

(a)不同時刻的火焰燃燒狀態

(b)燃燒壓強信號和離子電流信號圖5 λ=1.0、kn=1 650時甲烷/空氣預混湍流火焰的燃燒壓強信號和離子電流信號Fig.5 The combustion pressure signal and the ion current signal of methane/air premixed turbulence flame when λ=1.0 and kn=1 650

從圖中可以看出,和層流火焰采集到的信號相比,燃燒壓強信號依舊只有一個上升沿,而離子電流信號有4段上升期,其中:t1～t2對應點火階段的離子電流信號;t3～t4對應火焰前鋒面與測量電極接觸產生的離子電流信號;t5～t6階段的上升沿是由火焰前鋒面觸壁后在湍流作用下折返與測量電極接觸產生的離子電流、火焰前鋒面與容彈壁未絕緣部分接觸產生的離子電流以及焰后區熱電離產生的離子電流的疊加信號;t7～t8對應火焰完全燃燒后高溫區NO熱電離產生的離子電流信號。

離子電流信號在t1～t7之間存在3段下降沿,分別為t2～t3、t4～t5和t6～t7。其中:t2～t3是因為點火階段產生的離子電流消失所致;t4～t5為火焰前鋒面與測量電極分離之后又尚未觸壁折返,且未接觸容彈壁導電部分,焰后區熱電離程度過低或未產生熱電離而產生的離子電流信號下降;t6～t7是因火焰燃燒完畢之后,其折返火焰前鋒面與離子電流測量電極接觸產生的離子電流和火焰前鋒面接觸容彈壁導電部分產生的離子電流信號消失,且消失速率大于焰后區NO熱電離產生離子電流信號的速率而產生的下降。

2.3 不同過量空氣系數下湍流火焰與層流火焰的燃燒壓強與離子電流信號

在層流(kn=0)和湍流(kn=1 650)的狀態下,分別測得過量空氣系數λ為1.0、1.2、1.4和1.6時的燃燒壓強和離子電流信號,其對比圖如圖6所示。

(a)λ=1.0

(b)λ=1.2

(c)λ=1.4

(d)λ=1.6圖6 不同λ下甲烷/空氣預混層流和湍流火焰的燃燒壓強信號和離子電流信號對比Fig.6 ContrastFigure of methane/air premixed laminar flame’s combustion pressure signal and ion current signal and methane/air premixed turbulence flame’s when λ=1.0,1.2,1.4 and 1.6 respectively

圖6以點火時刻為基準,即點火時刻為0 ms開始記錄燃燒壓強信號和離子電流信號;離子電流信號忽略點火感應電勢造成的離子電流信號,即從0 μA開始記錄因火焰造成的正向離子電流信號。

從峰值角度分析,在相同λ下,湍流的燃燒壓強和離子電流信號均比層流的大,而隨著λ增大,不管是湍流火焰還是層流火焰的各信號峰值均隨之減小。

從時間角度分析,在相同λ下,湍流火焰各信號到達對應峰值的時刻均比層流火焰提前,當λ不同時,在同一傳播階段,層、湍流火焰的各測量信號到達此階段峰值的時間均隨著λ的增大而變長。

從上升沿數量分析,在相同λ和不同λ下,層流和湍流的燃燒壓強曲線均為單峰曲線,僅一個上升沿。離子電流曲線的上升沿數量在相同λ下,湍流的上升沿數量總是大于或等于層流的數量,而在不同λ下,層流和湍流離子電流信號的上升沿數量均隨λ增大而減少,在λ=1.2時,層流和湍流離子電流信號的焰后區部分均消失,但湍流還保留火焰觸壁后上升的離子電流信號,在λ=1.4,1.6時,此部分信號也消失,只剩火焰未觸壁前的離子電流信號。

不論從峰值大小、到達峰值時刻,還是離子電流信號的上升沿數量分析,均說明在相同λ下,一定程度的湍流對火焰的燃燒具有促進作用。結合圖4和圖5中的火焰圖像可以發現,相比層流火焰,湍流加強了火焰的不穩定性,使火焰面出現大量的破裂和褶皺,形成規格小但數量多的火焰胞面,這些胞面擴大了火焰前鋒面與未燃區混合氣的接觸面積,從而提高了燃燒速度。

2.4 湍流火焰燃燒速度和離子電流的關系

火焰傳播速度是燃料燃燒時的重要參數,其可以定義為未燃區混合氣沿火焰面法線方向單位時間內向火焰面移動的距離。層流火焰的局部火焰面可以看作一個平面,其法線方向固定,所以可以用單位時間內局部火焰前鋒面的傳播距離定義其速度;湍流火焰因火焰面的形狀隨時都在變化,很難確定一個固定的法線方向,所以湍流火焰的傳播速度以單位時間內火焰投影面積的變化來定義,如下式所示

(6)

式中:vcom為湍流火焰燃燒速度;St、St+Δt為t、t+Δt時刻的湍流火焰面積,火焰面積選用以兩點火電極中點為圓心、半徑為57 mm的圓形范圍內的火焰圖像提取的面積,以避免扇葉對火焰圖像處理的影響;Δt為高速攝像機的采樣間隔0.2 ms。

火焰圖像的處理基于matlab R2020a的Image Processing Toolbox,采用形態法濾波進行邊緣提取。將提取的火焰邊緣(黑色邊線)與火焰原圖進行疊加,如圖7所示,可以發現提取的邊緣與實際邊緣重合。

圖7 湍流火焰提取邊緣與實際邊緣對比Fig.7 Contrast of turbulent flame’s extracted edge and its actual edge

為測得kn=1 650時湍流火焰離子電流和燃燒速度之間的關系,選取λ為1.0、1.1、1.2時,火焰開始接觸測量電極時刻至火焰任意徑向半徑達到57 mm時刻之間的離子電流及對應的燃燒速度進行分析,結果如圖8所示。

(a)λ=1.0

(b)λ=1.1

(c)λ=1.2 圖8 不同λ下湍流火焰的離子電流和燃燒速度 之間的關系 Fig.8 The relationship between turbulent flame’s ion current and its combustion velocity when kn=1 650,λ=1.0,1.1 and 1.2 respectively

擬合曲線的相關系數平方R2在λ=1.0時為0.977 6,λ=1.1時為0.938 3,λ=1.2時為0.831 9,3種工況下的R2均大于0.75,說明在這3種工況下湍流火焰的離子電流和燃燒速度成正線性相關。

3 結 論

本實驗通過對在kn=1 650下的甲烷/空氣預混湍流火焰燃燒全過程的火焰圖像、燃燒壓強信號和離子電流信號進行分析,得出以下結論。

(1)當λ=1時,與層流相比,湍流預混火焰傳播過程的離子電流信號存在更多上升沿,會出現一段火焰前鋒面與焰后區共同作用的離子電流信號。

(2)通過對λ分別為1.0、1.2、1.4和1.6時的層流和湍流火焰的燃燒壓強信號和離子電流信號進行對比,發現隨著λ減小,層、湍流預混火焰的燃燒壓強和離子電流信號變化趨勢一樣:各傳播階段峰值變大,峰值時刻提前且離子電流信號上升沿數量增加;在相同λ下,湍流對火焰的傳播有促進作用,結合火焰圖像可以得出湍流增大了火焰前鋒面與未燃混合氣的接觸面積,從而加速燃燒,使壓強和離子電流信號的峰值大于層流,峰值時刻早于層流,離子電流上升沿數量大于或等于層流。

(3)通過對kn=1 650,λ為1.0、1.1和1.2時的甲烷預混湍流火焰的離子電流和燃燒速度進行相關性分析,發現離子電流和燃燒速度之間存在正線性相關,R2分別為0.977 6、0.938 3和0.831 9。