高電壓下濃/稀天然氣燃燒特性的對比研究

房建峰，姚永玉，周 輝，葛述卿，賈貴西

(洛陽理工學院 機械工程學院，洛陽 471023)

0 概述

天然氣是當今應用非常廣泛的清潔替代能源，在國民經濟長期可持續發展和環境保護中起著重要作用[1]。作為天然氣主要成分的甲烷，其分子結構中的C—H鍵能(415.2 kJ/mol) 比較大，超過一般有機物分子結構中的C—C鍵能(347.2 kJ/mol)。因此，天然氣燃燒的火焰傳播速度較慢，燃燒持續時間較長，散熱損失較大，在稀燃狀況下更是如此。在實際應用中采取適當的方法提高甲烷火焰的傳播速度對改善天然氣的燃燒很有必要。理論分析證明，外加電場能夠有效地促進甲烷的燃燒過程[2]。

碳氫燃料在燃燒時，火焰中被檢測到存在一定量的帶電離子，包括陽離子、陰離子和自由電子[3-4]。在外加電場作用下，這些帶電離子的運動狀態會發生改變，從而影響燃燒火焰的傳播和燃燒特性[5-7]。例如，文獻[3]中發現外加電場可使本生燈火焰光滑的表面產生褶皺，火焰燃燒速率也有一定程度的增加，而且火焰溫度也有所升高。文獻[5]中發現直流電場可提高本生燈火焰的吹熄速率，增強火焰的穩定性。文獻[7]中發現外加電場可改變噴射火焰的形狀，促進燃料和空氣的進一步混合，使得CO的排放量降低。

在電場作用的各種火焰中，球形膨脹火焰屬于火焰形態隨時間迅速變化的瞬態火焰。其作用原理是將一定濃度的可燃混合氣充入密閉容彈中，在容彈中心點燃混合氣，燃燒火焰呈圓球形向外傳播發展。定容燃燒在能源與動力工程領域有著廣泛的應用，例如，點燃式發動機混合氣的燃燒過程就接近于定容裝置中的火焰燃燒。研究電場對球形膨脹火焰的作用效果在實際工程中有一定價值。本試驗以定容燃燒裝置為基礎，探討了高電壓下濃/稀甲烷-空氣混合氣的燃燒特性,并通過分析加載電場時火焰中自由電子的運動變化及其對天然氣燃燒的作用，進一步說明電場影響火焰燃燒的機理，為提高改善球形膨脹天然氣火焰的燃燒性能提供了可靠的理論基礎和新的思路與方法。

1 試驗裝置

本試驗采用的定容燃燒裝置如圖1所示，主要由定容燃燒彈、紋影攝像系統、燃料配置系統、高壓電極、壓力采集系統和點火系統等組成。定容燃燒彈是由不銹鋼制成的兩端通透的圓柱形空殼體，其內腔直徑為130 mm，高度為130 mm。殼體內裝有聚四氟乙烯絕緣套，壁厚為5 mm，長度為130 mm。容彈前后端裝有厚15 mm的石英玻璃，以便通過紋影成像系統由高速攝像機(HG-100K)拍攝燃燒過程的火焰傳播圖像。與點火回路相連的點火電極垂直安裝在定容燃燒彈的中心處，其外圍包有聚四氟乙烯以屏蔽點火電極對容彈中高壓電場的影響。燃料配置系統根據試驗要求向容彈中充入合適濃度的甲烷-空氣混合氣，其中試驗用的干空氣由體積分數為21%的氧氣和79%的氮氣組成。測量混合氣燃燒壓力變化的傳感器為KISTLER 4075A10型壓阻式絕對壓力傳感器，與之相連的壓力采集裝置為Yokogawa公司生產的DL750型采集儀，采集頻率為10 kHz。

圖1 試驗裝置示意圖

在容彈中產生作用于燃燒火焰電場的高壓電極為不銹鋼制成的網狀圓盤，形狀如圖2所示。圓盤外徑為60 mm，圓盤中網格尺寸為8.5 mm×8.5 mm。一對高壓電極安裝在定容燃燒彈中心線的左右兩側，與容彈中心的距離均為35 mm。試驗中連接網狀電極的高壓電源由咸陽威斯曼公司生產，其電壓范圍為0 kV～30 kV。

圖2 高壓電極示意圖

燃燒室、高壓電極和測量裝置的安裝布置示意圖如圖3所示。試驗是在常溫常壓下進行的，根據混合氣的過量空氣系數把相應質量的空氣和甲烷通過水銀壓力計充進燃燒室，利用壓力計汞柱高度的變化確定進入燃燒室中甲烷和空氣的多少。試驗中混合氣處于濃燃和稀燃狀態，其相應的過量空氣系數λ分別為0.8和1.4，加載電壓U為0 kV、5 kV和 10 kV。在混合氣燃燒過程中拍攝火焰的傳播圖像，并采集容彈中混合氣的燃燒壓力。每個試驗工況至少重復3次以上，使混合氣燃燒壓力p的最大值及其出現時間t保持穩定不變。例如，λ為0.8的混合氣加載10 kV電壓時，最終燃燒壓力的發展結果如圖4所示。重復試驗中火焰燃燒壓力的發展基本一致，壓力峰值及峰值時間幾乎完全相同。

圖3 燃燒室、高壓電極和測量裝置安裝布置示意圖

圖4 燃燒壓力發展的重復結果(λ=0.8、U=10 kV)

2 試驗結果與分析

2.1 高電壓下容彈中的電場分布

為了更準確地分析容彈中外加電場對火焰燃燒的作用，本文利用Ansoft Maxwell 13.0軟件對容彈中的電場分布進行了數值模擬。首先依據燃燒室的形狀和尺寸建立三維模型，并根據各組成部分的材料(聚四氟乙烯、石英玻璃、甲烷-空氣混合氣、不銹鋼、鉑(點火電極材料))加載各自的相對介電常數。甲烷的相對介電常數與空氣非常接近，因此甲烷-空氣混合氣的相對介電常數用空氣的數值替代。高壓電極加載5 kV和10 kV電壓，點火電極和容彈外圍電壓為0 kV。對模型劃分網格后即可求解，計算結果的迭代誤差不超過0.1%。

圖5為高壓電極加載10 kV電壓時在容彈中心的電場分布狀況。可以看到，容彈內部的電場分布沿水平和豎直方向對稱。電場強度較高的區域主要集中在高壓電極附近，數值約為5.6×105V/m。點火電極附近的電場強度大約為3.1×105V/m。在點火電極和高壓電極之間的區域內電場強度相對較低，且比較均勻。經分析模擬結果可知其平均電場強度約為2.0×105V/m。從電場方向的分布可以看出，在兩個高壓電極之間電力線基本保持在水平方向，左半部分電場方向水平向右，而右半部分電場方向水平向左。加載5 kV電壓時，容彈中的電場強度數值的分布狀況與圖5(a)相似，只是相同位置的數值減小一半，而電場方向與圖5(b)相同。

圖5 加載電壓10 kV時容彈中的電場分布

2.2 高電壓作用下的火焰傳播狀況

圖6和圖7顯示了加載電場下λ為0.8和1.4時混合氣燃燒火焰的傳播狀況。加載0 kV電壓(即容彈中沒有電場作用)時，點火以后燃燒火焰大致呈圓球形向外擴散發展，水平方向和豎直方向上的火焰傳播狀況基本一致。加載5 kV電壓時，水平方向的火焰傳播有所加快，而豎直方向上火焰與沒有電場時的狀況差別不大，混合氣的火焰形狀發生一定程度的變化。加載電壓升高到10 kV時，水平方向的火焰發展進一步加快，而豎直方向上火焰發展與沒有電場時的狀況仍然相差不大。在0 kV、5 kV和10 kV電壓作用下，λ為1.4時的火焰在12 ms時，水平方向的火焰傳播距離分別為16.3、19.1和21.7 mm，而豎直方向的傳播距離則分別為16.1、17.1和 16.7 mm。從圖中也可看出，高電壓下球形膨脹火焰的形狀發生較大變化，原來近似圓球形的火焰形狀變成了主軸在水平方向上的近似橢圓形。

圖6 高電壓作用下λ為0.8時不同加載電壓及火焰發展 時間下的火焰傳播圖像

圖7 高電壓作用下λ為1.4時不同加載電壓及火焰發展 時間下的火焰傳播圖像

根據一般的離子風理論[13]，火焰中的陽離子在其中起主導作用。由于陽離子的受力方向與電場的方向一致，因此電場方向上的火焰發展會由于離子風的促進作用而加快，電場相反方向上的火焰發展則會受到抑制而減慢。在本試驗中，從圖5可知，高壓電極之間電場方向大致指向容彈豎直方向的中心線，與水平方向上的火焰傳播基本相反。然而，圖6和圖7表明高電壓下水平方向上的火焰發展不僅沒有減慢，反而隨電場的增強而加快。

N2(v=0)+e=N2(v=1)+e

(1)

受到激發振動的氮分子通過碰撞可把它的振動能量傳遞給混合氣中別的中性粒子，特別是氧分子，即：

N2(v=1)+O2(v=0)=N2(v=0)+O2(v=1)

(2)

在以上鏈式化學反應中，v=0和v=1分別代表中性粒子位于基態和激發態。處于激發態的O2可加速下列鏈分支基元反應：

O2+H=OH+O

(3)

該反應中活性基OH、O的生成量隨自由電子運動的增強而提高，由此促進了燃燒化學反應，使得高電壓下的火焰傳播加快。

為了定量地表示高電壓下球形膨脹火焰發展狀況，測取了電場促進火焰燃燒最明顯的水平方向的火焰傳播半徑。考慮到容彈中電場的空間分布較復雜，且火焰前鋒面呈現圓凸形，測量火焰半徑ru時取火焰圖片中與容彈中心水平線成0°、±15°、±165°和180°共6個方向上火焰半徑(r1、r2、r3、r4、r5、r6)的平均值，如圖8所示。為了消除點火能量及燃燒壓力和溫度的升高對火焰傳播的影響，根據球形火焰的相關原理[16]，火焰半徑的測量范圍控制在 5～25 mm之間。

圖8 火焰半徑測取示意圖

圖9表示了高電壓作用下λ為0.8和1.4時火焰的傳播半徑ru隨時間的變化關系及其標準偏差，圖中各處半徑ru的標準偏差的數值不超過0.1。可以看出，電壓為0 kV時，ru隨時間的變化近似呈線性關系。λ為0.8時的火焰半徑發展較快，而λ為1.4時的火焰半徑發展相對較慢。本試驗中的火焰傳播半徑與已發表的相關文獻的數據基本一致[11]。在高壓電極上加載電壓時，火焰半徑達到25 mm時所用時間縮短，加載電壓越大，火焰傳播所用時間越短。當加載電壓為5 kV和10 kV時，λ為1.4時的火焰半徑達到25 mm時所用時間分別為16.8 ms和14.1 ms，比 0 kV 電壓下所用時間(21.0 ms)分別縮短了20.0%和32.9%。綜上可知，高壓電場促進了火焰半徑的發展。

圖9 高電壓作用下火焰半徑隨時間的發展

根據火焰傳播半徑，本文中求出了燃燒火焰在火焰傳播半徑5～25 mm之間的火焰平均速度Sn，其增長率ΔSn為加載電場時的Sn相對于沒有電場作用下S0的增長率，即：

Sn=(0.025-0.005)/(t25-t5)

(4)

ΔSn=(Sn-S0)/S0

(5)

式中，t25和t5表示從點火到火焰半徑傳播到25和 5 mm 時的時間。表1為電場作用下λ為0.8和1.4時混合氣的火焰平均速度Sn及其增長率ΔSn。可以看出，在電場作用下，火焰平均速度增大。加載電壓越高，火焰平均速度的增加率越大，其中稀燃混合氣火焰速度的增加程度最大。加載電壓10 kV時，λ為0.8和1.4時的火焰平均速度分別比未加電場時增加了36.4%和49.5%。

表1 高電壓作用下的火焰平均速度及其增長率

從火焰形狀的變化可以看出，水平方向上的火焰傳播加快，加大了火焰前鋒向未燃火焰區的彎曲程度，由此增強了火焰傳播過程受到的拉伸效應[17]。火焰面的拉伸效應的強弱可用拉伸率來表示，其定義為火焰面上無限小微元面積A的自然對數對時間的導數。根據燃燒學關于火焰拉伸的相關理論[18]，球形膨脹火焰的拉伸率α計算公式為：

(6)

根據試驗中火焰的傳播狀況，計算出高電壓作用下火焰拉伸率隨傳播半徑的變化及其標準偏差，如圖10所示。圖中各處拉伸率的標準偏差均不超過4.5。球形火焰的拉伸率在燃燒初期較大，隨著火焰的傳播逐漸減小。在沒有電場作用時，在半徑15 mm處，λ為0.8和1.4時的火焰拉伸率分別為160.2 s-1和128.5 s-1。在高壓電場作用下，火焰傳播過程中火焰前鋒受到的拉伸率增強。在10 kV電壓下，在半徑15 mm處，λ為0.8和1.4時的火焰拉伸率分別為245.3 s-1和195.1 s-1，相對于沒有電場作用時分別增大了53.1%和51.6%。

圖10 高電壓作用下火焰拉伸率隨半徑的發展

2.3 高電壓作用下燃燒壓力的發展

圖11顯示了高電壓作用下λ為0.8和1.4時混合氣的燃燒壓力隨時間的變化。可以看出，點火以后混合氣的燃燒過程存在著火滯燃期，在此階段容彈內的燃燒壓力基本保持不變，和初始壓力幾乎相同。經過滯燃期以后，燃燒壓力迅速升高，直至到達壓力峰值。隨著燃燒過程的進一步發展，燃燒壓力開始緩慢降低。在外加電場作用下，混合氣燃燒的滯燃期縮短，急燃期的壓力升高率增大，且峰值時間tp提前。加載電壓越高，燃燒壓力的變化越明顯。表2給出了高電壓作用下λ為0.8和1.4時混合氣的燃燒壓力峰值(pmax)、峰值時間(tp)及pmax和tp相對于未加電場時的增長率Δpmax和Δtp。可以看出，λ為1.4時混合氣的峰值時間的增長率Δtp比λ為0.8時混合氣的增長率Δtp相對大一些。同時，λ為1.4時的壓力峰值pmax有所提高，而λ為0.8時的pmax幾乎沒有變化。在加載10 kV電壓時，λ為0.8和1.4時混合氣的燃燒壓力峰值的增長率分別為 -0.4% 和5.1%，而峰值時間分別提前了10.8%和17.2%。

圖11 高電壓作用下燃燒壓力隨時間的發展

表2 高電壓作用下壓力峰值、峰值時間及其增長率

在加載電場作用下火焰的傳播發展加快，相同時間內有更多的未燃混合氣參與燃燒反應，且效果隨著加載電場的增強而更加強烈，火焰燃燒滯燃期縮短，急燃期的壓力升高率增大，壓力峰值時間提前。而燃燒壓力峰值的變化主要取決于火焰的燃燒強度和燃燒過程對外界的散熱量[18]，由圖6和圖7可知，高電壓作用下火焰前鋒受到額外的拉伸作用，其效果隨電場的增強而增大。拉伸效應會影響混合氣中各組分的擴散狀況，導致擴散速度較大的組分在火焰前鋒中的濃度有所提高，由此改變了火焰前鋒中燃燒混合氣的濃度，從而影響火焰的燃燒強度。在甲烷-空氣混合氣中，甲烷對氮氣的擴散速度大于氧氣對氮氣的擴散速度，因此拉伸作用將會提高燃燒火焰中甲烷的濃度[18]。在稀燃火焰中，甲烷的濃度相對較低，拉伸作用提高燃燒火焰中甲烷的濃度，將使得火焰燃燒區中的反應物濃度向靠近當量比濃度的方向變化，使得火焰的燃燒化學反應更劇烈，增強火焰的燃燒強度。同時，火焰傳播速度的加快減少了燃燒過程的對外散熱。因此電場作用下，稀燃混合氣的壓力峰值有一定程度的提高。對于濃燃混合氣，火焰中甲烷的濃度相對較高。拉伸作用進一步提高燃燒反應區中甲烷的濃度，導致火焰前鋒中反應物的濃度進一步偏離當量比濃度，減弱火焰的燃燒強度，同時火焰傳播速度的加快減少了燃燒過程的對外散熱。二者共同作用，使濃燃混合氣的壓力峰值變化不大。

3 結論

(1) 在加載電場作用下，球形膨脹火焰在電場相反方向上的火焰傳播加快，火焰傳播半徑和平均火焰速度隨外加電場的增強而增大，同時火焰前鋒在發展過程中受到的拉伸效應增強。加載10 kV電壓時，λ為0.8和1.4時混合氣的火焰平均傳播速度比沒有電場作用時分別增加了36.4%和49.5%。

(2) 在加載電場作用下，混合氣的燃燒過程加快，結合火焰前鋒受到的拉伸作用，使得甲烷空氣混合氣燃燒壓力的峰值時間提前，稀燃混合氣的壓力峰值增大，而濃燃混合氣的壓力峰值變化不大。加載10 kV電壓時，λ為0.8和1.4時混合氣的壓力峰值時間比沒有電場作用時分別提前了10.8%和17.2%，而λ為0.8時混合氣的壓力峰值基本不變，λ為1.4時混合氣的壓力峰值升高了5.1%。