電場分布對球形傳播火焰變形率的影響

崔雨辰,段浩,李超,孫天旗,吳筱敏,2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.陜西理工學院陜西省工業(yè)自動化重點實驗室,723001,陜西漢中)

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電場分布對球形傳播火焰變形率的影響

崔雨辰1,段浩1,李超1,孫天旗1,吳筱敏1,2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.陜西理工學院陜西省工業(yè)自動化重點實驗室,723001,陜西漢中)

針對電場作用下球形傳播火焰的變形問題,利用Maxwell 14.0軟件分別對點狀、環(huán)狀、直徑為20 mm和60 mm的網(wǎng)狀等4種電極產(chǎn)生的電場進行了模擬,同時在常溫、常壓下,定容燃燒彈中過量空氣系數(shù)為1.2時,通過對這4種結(jié)構(gòu)的電極施加負電壓(-5 kV和-10 kV)對甲烷/空氣預混火焰在不同方向(與水平方向夾角為0°、15°、30°、45°、60°和70°)上的火焰變形率進行了研究。結(jié)果顯示:施加負電壓時,環(huán)狀電極下的火焰在不同方向上的平均變形率最小,點狀電極的次之,直徑為20 mm網(wǎng)狀電極比點狀電極的稍大;直徑為60 mm網(wǎng)狀電極下施加-5 kV電壓時,火焰在不同方向上的平均變形率與點狀電極的差別不大,施加-10 kV電壓時,火焰在大于45°方向上的平均火焰變形率最大。由此表明,環(huán)狀電極的電場分布有利于火焰的均勻發(fā)展,可以降低火焰淬熄的可能性。

球形傳播火焰;電極;電場分布;火焰變形率

能源利用效率低已成為加劇研究能源及環(huán)境問題的重要因素。近年來,國內(nèi)外的學者通過對本生燈、平板火焰等駐定火焰行為和燃燒特性進行了研究和分析,發(fā)現(xiàn)電場在增加火焰穩(wěn)定性[1-3]、提高火焰速度[4-6]和減少碳煙排放[7]等方面具有顯著的作用。Belhi等研究甲烷-空氣的層流擴散火焰時,發(fā)現(xiàn)電場的存在會使火焰產(chǎn)生離子風效應,從而大大提高了火焰的穩(wěn)定性[8]。Volkov在研究甲烷-空氣平板火焰時,發(fā)現(xiàn)電場可以誘導火焰前鋒面發(fā)生形變,火焰的絕對燃燒速率有所提高[9]。Sakhrien等研究了預混湍流的本生燈噴射火焰,認為電場作用下燃料的不完全燃燒降低[10]。

近年來,孟祥文等對球形膨脹火焰進行了研究,通過實驗和數(shù)值模擬,得出平板網(wǎng)狀電極在直流電場下對甲烷/空氣預混層流火焰的燃燒特性有顯著提升的作用[11]?？祴鹊妊芯苛素撾妶鱿戮W(wǎng)狀電極和點狀電極對甲烷/空氣預混火焰的影響,發(fā)現(xiàn)電場對火焰橫向傳播有促進作用,對火焰縱向傳播有抑制作用[12]。

以上研究表明,雖然電場在一定程度上促進了火焰在某一方向的發(fā)展,但同時使得火焰發(fā)生變形,引起不均勻發(fā)展,當不等擴散存在或火焰?zhèn)鞑ナ艿较拗茣r容易出現(xiàn)火焰淬熄[13],一旦發(fā)生淬熄,能源利用率會大幅下降。為了促進火焰的整體發(fā)展,尋找一種使火焰能夠在不同方向得到均勻發(fā)展的電極結(jié)構(gòu)至關重要。

1 電場數(shù)值模擬

在Pro/E中建立了與實際定容燃燒彈尺寸一致的三維電場模型,同時對模型進行了簡化,以達到一定的計算精度。

材料包括聚四氟乙烯、不銹鋼、空氣和甲烷。聚四氟乙烯作為定容燃燒彈內(nèi)壁的絕緣套和點火電極的保護套,不銹鋼是高壓電極和點火電極的材料。容彈內(nèi)的混合氣視為理想氣體,由于甲烷的相對介電常數(shù)與空氣十分接近,因此模擬中甲烷的相對介電常數(shù)用空氣代替。材料屬性設置如表1所示。

表1 材料屬性設置

模擬中的激勵源為電壓,所有邊界條件均為狄里克萊邊界條件(第一類邊界條件)。高壓電極的電壓V分別為-5 kV和-10 kV,點火電極的電壓為0 kV,定容燃燒彈絕緣套外壁電壓為0 kV,定容燃燒彈以外區(qū)域為完全絕緣。

利用Ansoft Maxwell軟件自動劃分網(wǎng)格,通過限制網(wǎng)格的最大邊長、網(wǎng)格深度、最大表面偏差、最大表面法線偏差等來控制網(wǎng)格的大小和細密程度。點狀電極網(wǎng)格數(shù)為103 650,環(huán)狀電極網(wǎng)格數(shù)為427 206,網(wǎng)狀(直徑20 mm)電極網(wǎng)格數(shù)為160 178,網(wǎng)狀(Φ60 mm)電極網(wǎng)格數(shù)為360 690。求解中最大迭代次數(shù)為20,迭代誤差小于0.1%時迭代停止。

2 實驗裝置和方法

圖1為實驗裝置,由定容燃燒彈系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、高速攝像及紋影光路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高壓電供給系統(tǒng)組成。

圖1 實驗裝置圖

定容燃燒彈由碳鋼澆鑄而成,內(nèi)腔為Φ130 mm×130 mm的圓柱體,容彈內(nèi)有聚四氟乙烯加工而成的厚度為8.5 mm的絕緣套。容彈兩側(cè)裝有厚度為30 mm的高抗沖石英玻璃,為紋影系統(tǒng)提供必要的光學通路,石英玻璃與定容燃燒彈之間利用O型橡膠圈密封。在容彈中心豎直方向上對稱布置了一對外裹聚四氟乙烯的針狀點火電極,用于點火時產(chǎn)生火核,點火完成后作為地極。點火電極的直徑為2 mm,2個電極的間距為2 mm。高壓電極分別為一對點狀電極(Φ4 mm)、一個環(huán)狀電極(內(nèi)徑70 mm,外徑85 mm)和2種網(wǎng)狀電極(Φ20 mm,Φ60 mm)。點狀電極和網(wǎng)狀電極均對稱安裝在定容燃燒彈兩側(cè)左右面的中心處,距點火電極的水平距離為35 mm;環(huán)狀電極布置在定容燃燒彈的中心面上,其圓心與容彈內(nèi)腔中心面的圓心重合。圖2、圖3分別為5種電極的結(jié)構(gòu)及尺寸和安裝位置。

(a)點火電極 (b)點狀電極 (c) Φ20 mm 網(wǎng)狀電極

(d)環(huán)狀電極 (e)Φ60 mm網(wǎng)狀電極 單位:mm圖2 5種電極的結(jié)構(gòu)與尺寸

(a)點狀電極 (b)環(huán)狀電極 (c)網(wǎng)狀電極圖3 電極安裝位置示意

實驗中采用了Wisman DEL30N45負高壓電源(輸出電壓范圍為0～-30 kV,最大輸出功率為45 W);數(shù)據(jù)采集儀為YOKOGAMA公司研制的型號為DL750的動態(tài)測試儀,采樣頻率高達10 MHz;攝像機為美國Redlake公司的HG-100K型高速攝像機,拍攝速度為5 000幀/s。

實驗在常溫、常壓下進行,并向容彈中充入過量

空氣系數(shù)φa=1.2的甲烷/空氣混合氣,靜置2 min使其均勻混合,以消除擾動,與此同時對各高壓電極加載負電壓。點火的同時觸發(fā)測量系統(tǒng),得到與水平方向夾角θ為0°、15°、30°、45°、60°、70°時的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xLh與時間t的關系。燃燒廢氣由真空泵抽出,并用空氣多次沖洗燃燒彈,以消除殘留廢氣對下次燃燒的影響。每種工況點至少重復3次,取平均值作為實驗結(jié)果,以便減小實驗誤差。

3 結(jié)果與分析

3.1 電場數(shù)值模擬結(jié)果

當火焰半徑r>5 mm時,點火能量對火焰發(fā)展產(chǎn)生的波動影響可以忽略;當r<25 mm時,溫度和壓力的變化對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懣梢院雎訹14]。為了消除點火和燃燒壓力對火焰的影響,本文研究了半徑r=5～25 mm區(qū)域內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴?/p>

圖4為利用Ansoft Maxwell 14.0軟件分別對點狀、環(huán)狀、網(wǎng)狀(Φ20 mm,Φ60 mm)電極加載-10 kV電壓后形成的電場線和電場強度E的數(shù)值模擬結(jié)果。由于電極和容彈具有對稱性,所以對每個電極的電場線分布和電場強度分布各取一半進行分析。從圖中可以看出,在r=5～25 mm區(qū)域內(nèi),點狀電極下主要的場強范圍為4.64×104～2.48×105V·m-1,環(huán)狀電極下為1.00×105～1.00×106V·m-1,Φ20 mm網(wǎng)狀電極下為5.59×104～2.99×105V·m-1,Φ60 mm網(wǎng)狀電極下為1.45×105～1.21×106V·m-1。4種電極下,水平中心線附近的電場線方向都接近于水平方向,偏離水平中心線時點狀電極和Φ20 mm網(wǎng)狀電極的電場線方向都是從點火電極開始指向高壓電極,Φ60 mm網(wǎng)狀電極的電場線仍為水平方向,環(huán)狀電極的電場線方向接近垂直于火焰面。

為了研究不同方向上的火焰?zhèn)鞑?同時避免縱向點火電極對火焰的干擾,選取與水平面夾角θ為0°、15°、30°、45°、60°、70°方向進行了研究。圖5為4種電極下施加-10 kV電壓后不同方向上的電場強度隨傳播距離的變化。從圖中可以看出:當傳播距離較小時,4種電極下不同方向上的電場強度隨傳播距離的變化趨勢基本一致;θ越大,同一傳播距離對應的電場強度越大,隨著傳播距離的增大,各個角度上電場強度的差異逐漸減小;點狀電極和Φ20 mm網(wǎng)狀電極在傳播距離約為15～25 mm時,θ越大,同一傳播距離對應的電場強度越小,不同角度上電場強度的差異逐漸增大。

(a)點狀電極 (b)環(huán)狀電極 (c)Φ20 mm網(wǎng)狀電極 (d)Φ60 mm網(wǎng)狀電極圖4 4種電極施加-10 kV電壓后電場線分布和電場強度分布

(a)點狀電極和Φ20 mm網(wǎng)狀電極

(b)環(huán)狀電極和Φ60 mm網(wǎng)狀電極 圖5 4種電極下施加-10 kV電壓后不同方向上電場強度隨傳播距離的變化

3.2 火焰?zhèn)鞑D像

圖6為4種電極施加-5 kV、-10 kV電壓后的火焰?zhèn)鞑D像。從圖中可以看出,加載電壓后,4種電極下的火焰在不同方向上均發(fā)生了不同程度的變形,隨著外加電壓值的增大,火焰變形越明顯。原因是加載電壓后,形成了方向由點火電極指向高壓電極的電場,在電場的作用下,大量粒子沿電場方向定向遷移,該現(xiàn)象稱為離子風效應[11]。

從圖6還可以看出:4種電極下最初時的火焰變形最明顯,即偏離水平方向的火焰面發(fā)展很慢,這可能是點火時縱向點火電極對火焰的干擾起主導作用;施加-5 kV電壓時,隨著時間的推移,4種電極下火焰面在偏離水平方向的發(fā)展與水平方向之間的差異減小,變形減小,環(huán)狀電極最為明顯;施加-10 kV電壓時,點狀、環(huán)狀電極和Φ20 mm網(wǎng)狀電極下火焰隨時間的變形趨勢與施加-5 kV電壓時的差異不大,而Φ60 mm網(wǎng)狀電極下火焰隨時間的變形越來越明顯,火焰拉伸成近似長方體。

圖6 φa=1.2時4種電極施加負電壓后的火焰?zhèn)鞑D像

3.3 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x

火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xLh定義為任意方向上火焰的最左端和最右端的前鋒面到點火電極中心距離的平均值。不同方向上的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xLh=(L1+L2)/2,L1和L2從火焰發(fā)展照片上得到,如圖7所示。

圖7 不同方向上的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x獲取方法

(a)U=-5 kV時點狀、環(huán)狀電極

(b)U=-5 kV時網(wǎng)狀電極

(c)U=-10 kV時點狀、環(huán)狀電極

(d)U=-10 kV時網(wǎng)狀電極 圖8 4種電極在不同方向、不同電壓下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間的變化

圖8為4種電極在不同角度、不同電壓下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間的變化。從圖中可以看出:加載-5 kV電壓時,4種電極下的火焰在不同角度上的傳播距離與傳播時間近似呈線性關系,點狀電極、Φ20 mm和Φ60 mm網(wǎng)狀電極下,隨著角度的增大,同一時間對應的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x逐漸減小,環(huán)狀電極下火焰在各個角度的傳播距離隨時間變化的差異不大;加載-10 kV電壓時,點狀電極在不同方向上的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間的變化趨勢與加載-5 kV電壓時的差異不大,環(huán)狀電極下在0°、15°、30°和45°方向上的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間的變化基本一致,而在60°和70°方向上同一時間對應的傳播距離有所減小,Φ20 mm和Φ60 mm網(wǎng)狀電極下,隨著角度的增大,同一時間對應的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x明顯減小,特別是Φ60 mm網(wǎng)狀電極下各個方向上火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的差異較大。

3.4 火焰變形率

火焰變形率α定義為某一時間水平方向的平均火焰半徑與偏離水平方向平均火焰半徑的比值,即

α=R0°/Rθ

(1)

式中:R0°為某一時間水平方向平均火焰半徑;Rθ為某一時間與水平方向夾角為θ的平均火焰半徑,θ取15°、30°、45°、60°和70°。

圖9為4種電極在不同角度、不同電壓下火焰變形率隨時間的變化。從圖中可以看出,4種電極下火焰在不同方向上的火焰變形率都在火焰發(fā)展初期最大,這可能是點火時點火電極對火焰抑制的緣故。加載-5 kV電壓時,4種電極下同一時間對應的火焰變形率隨著角度的增大而增大,環(huán)狀電極下在15°、30°和45°方向上的火焰變形率基本維持在1附近,60°和70°方向上的火焰變形率隨著時間的推移迅速下降,最后也維持在1附近,其他3種電極下的火焰變形率相差不大,且都明顯大于環(huán)狀電極下的火焰變形率。加載-10 kV電壓時,點狀電極和Φ20 mm網(wǎng)狀電極在不同方向上的火焰變形率的變化趨勢與加載-5 kV電壓時大致相同,環(huán)狀電極下在15°、30°和45°方向上的火焰變形率基本在1附近,在60°和70°方向上的火焰變形率雖然較大,但是隨著時間的推移呈直線減小的趨勢,Φ60 mm網(wǎng)狀電極在同一時間對應的火焰變形率隨著角度的增大而明顯增大,特別是在45°、60°和70°方向上的火焰變形率均遠遠超過了其他電極。

圖10為4種電極在不同電壓下的火焰平均變形率隨角度的變化。從圖中可以看出,施加-5 kV、-10 kV電壓時,環(huán)狀電極在不同方向上的火焰平均變形率均最小,點狀電極次之,Φ20 mm網(wǎng)狀電極比點狀電極稍大。施加-5 kV電壓時,Φ60 mm網(wǎng)狀電極在不同方向上的火焰平均變形率與點狀電極差別不大,施加-10 kV電壓時,在大于45°方向上的火焰平均變形率相比其他電極大得多。因此,Φ60 mm網(wǎng)狀電極下火焰不等擴散不穩(wěn)定性較強,火焰容易出現(xiàn)淬熄,而環(huán)狀電極下火焰不等擴散不穩(wěn)定性較弱,火焰淬熄的可能性較小。

(a)U=-5 kV時點狀、環(huán)狀電極

(b)U=-5 kV時網(wǎng)狀電極

(c)U=-10 kV時點狀、環(huán)狀電極

(d)U=-10 kV時網(wǎng)狀電極 圖9 4種電極在不同方向、不同電壓下的火焰變形率隨時間的變化

圖10 4種電極在不同電壓下的火焰平均變形率隨方向的變化

結(jié)合圖4和圖5可知:環(huán)狀電極下電場線方向接近垂直于火焰面,即與火焰擴散的方向吻合較好,且電場強度隨著火焰面與水平方向夾角的增大而增大,表明火焰在大角度方向上受到的促進作用明顯,因此火焰在不同方向上的傳播距離與水平方向上的傳播距離的差異逐漸減小,變形率減小;其他3種電極下電場線方向與火焰擴散方向存在夾角,因此火焰中的離子會發(fā)生偏移,導致不均勻的離子風效應,從而引起火焰變形。為了研究電場分布對不同電極下火焰變形率的影響,定義離子相對偏移傾向為λ,其為不同方向上的平均電場強度在該方向的法線投影與水平方向平均電場強度的比值,即

(2)

表2為加載-10 kV電壓時點狀、Φ20 mm和Φ60 mm網(wǎng)狀電極下火焰在不同方向上的離子相對偏移傾向。從表中可以看出,電極在任意角度上的離子相對偏移傾向從大到小排序為:Φ60 mm網(wǎng)狀電極—Φ20 mm網(wǎng)狀電極—點狀電極,可見Φ60 mm網(wǎng)狀電極下的離子偏移更明顯,從而導致偏離水平方向上的離子濃度大幅降低,離子風作用減弱,使得偏離水平方向的火焰面發(fā)展減緩,變形率增大。從圖5電場強度分布可知,Φ60 mm網(wǎng)狀電極下電場對火焰水平方向的促進作用明顯大于點狀電極和Φ20 mm網(wǎng)狀電極,該電極下火焰水平方向的發(fā)展較快,與其他方向的發(fā)展差異較大,由此火焰變形率增大。

表2 電壓為-10 kV時的離子相對偏移傾向

4 結(jié) 論

(1)環(huán)狀電極下電場線方向與火焰擴散方向吻合較好,且電場強度隨著火焰面與水平方向夾角的增大而增大,有利于火焰的均勻發(fā)展。點狀電極、Φ20 mm和Φ60 mm網(wǎng)狀電極下的電場線方向與火焰擴散方向存在夾角,因此存在離子偏移傾向,特別是Φ60 mm網(wǎng)狀電極下離子偏移傾向最大,不利于火焰的均勻發(fā)展。

(2)施加負電壓時,4種電極在不同方向上的火焰均發(fā)生變形,在最初發(fā)展階段火焰變形最明顯,隨著時間的推移變形減弱,環(huán)狀電極下最明顯。施加-10 kV電壓時,Φ60 mm網(wǎng)狀電極下的火焰拉伸顯著,近似拉伸成長方體。

(3)施加負電壓時,環(huán)狀電極下火焰在不同方向上的平均變形率均小于其他電極,說明環(huán)狀電極可以促進火焰的均勻發(fā)展,減小火焰淬熄的可能性。

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(編輯 苗凌)

Effects of Electric Field Distribution on Deformation Rates of Spherical Propagation Flame

CUI Yuchen1, DUAN Hao1, LI Chao1, SUN Tianqi1, WU Xiaomin1,2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Industrial Automation, Shaanxi University of Technology, Hanzhong, Shaanxi 723001, China)

The electric fields around point electrode, ring electrode, and mesh electrodes with diameters of 20 mm and 60 mm are simulated with Ansoft Maxwell software, and the electric field distributions in constant volume combustion bomb are obtained. An experiment is also conducted to investigate the different influences of the four electrodes under applied negative voltages(-5 kV and -10 kV) on the deformation rates in different directions (at angels of 0°, 15°, 30°, 45°, 60° and 70° to the plane) of premixed CH4/air mixtures at the excess air ratio of 1.2 room temperature and atmospheric pressure. The results show that the average flame deformation rates in different directions of the ring electrode get the minimum in the case of negative voltages, followed by point electrode and mesh electrode with diameter of 20 mm. As applied voltage of -5 kV, the average flame deformation rates in different directions of the mesh electrode with diameter of 60 mm slightly differ from those of point electrode. As applied voltage of -10 kV, the average flame deformation rates over 45° get larger than those of the other electrodes and the flame deforms greatly, the electric field distribution of the ring electrode thus is beneficial for whole flame development to reduce the probability of flame quenching

spherical propagation flame; electrode; electric field distribution; flame deformation rate

2014-09-19。

崔雨辰(1991—),女,碩士生;吳筱敏(通信作者),女,教授,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(51176150,51476126);清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室開放基金資助項目(KF14122)。

時間:2015-02-27

10.7652/xjtuxb201505008

TK431

A

0253-987X(2015)05-0049-07

網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150227.0845.008.html