直流電場對(duì)不同初始?jí)毫η蛐闻蛎浕鹧娴挠绊?/h1>
2020-11-13 01:28:22
中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2020年10期
(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西西安，710049)
開發(fā)新型清潔高效燃燒技術(shù)對(duì)于改善目前環(huán)境污染與解決能源短缺問題至關(guān)重要。由于電場輔助燃燒技術(shù)不僅可以提高火焰?zhèn)鞑ニ俾屎腿紵蔥1-2]，提高燃燒的穩(wěn)定性[3]，而且還可以降低碳煙和氮氧化物的排放[4]，因此，受到了人們的廣泛關(guān)注。目前，天然氣作為重要的替代能源得到廣泛應(yīng)用，利用電場助燃技術(shù)可以有效克服天然氣燃燒穩(wěn)定性差、燃燒速度慢等不足。國內(nèi)外學(xué)者開展了電場輔助燃燒理論的研究：BELHI等[5]研究直交流電場對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響；KUHL 等[6]認(rèn)為加載電場后由于流場的變化影響了火焰的速度；SAKHRIEH等[7]研究了在高初始?jí)毫ο轮绷麟妶鰧?duì)火焰燃燒產(chǎn)物的影響；電場對(duì)火焰的影響機(jī)理主要包括電化學(xué)效應(yīng)、雙離子風(fēng)效應(yīng)以及離子風(fēng)效應(yīng)[8-10]。對(duì)于正直流電場對(duì)火焰的影響機(jī)理，有研究者認(rèn)為是電化學(xué)效應(yīng)[11]，而孟浩等[12]利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)正直流電場通過負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)影響火焰。以上研究大多針對(duì)常壓下電場輔助燃燒，而工業(yè)生產(chǎn)中的燃燒主要在不斷變化的高壓下進(jìn)行，因此，有必要研究在不同初始?jí)毫ο码妶鰧?duì)燃燒的影響規(guī)律，并分析正直流電場對(duì)火焰的影響機(jī)理。本文作者通過對(duì)不同初始?jí)毫ο碌幕鹧婕虞d不同電壓的正直流電場，研究在正直流電場作用下的甲烷空氣球形膨脹火焰的燃燒特性，并結(jié)合CHEMKIN軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，從而分析正直流電場對(duì)不同初始?jí)毫ο录淄榭諝馇蛐闻蛎浕鹧嬗绊懙臋C(jī)理。
1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法
圖1所示為實(shí)驗(yàn)裝置，主要由定容燃燒彈、高壓正直流電供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、高速攝像以及紋影系統(tǒng)等6個(gè)部分構(gòu)成。圖2所示為本實(shí)驗(yàn)中的定容燃燒彈結(jié)構(gòu)。定容燃燒彈的材料為45號(hào)鋼，其直徑為140 mm，長度為180 mm。為了防止高壓電極與定容燃燒彈內(nèi)腔壁面之間放電，影響燃燒室的電場分布，定容燃燒彈內(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，長為180 mm。兩針狀點(diǎn)火電極外表面包裹聚四氟乙烯，并對(duì)稱安裝在定容燃燒彈的上下兩側(cè)，兩電極之間距離為2 mm。定容燃燒彈左右兩側(cè)對(duì)置安裝一對(duì)用于施加外部高電壓的網(wǎng)格狀鏤空高壓電極。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic map of experimental setup
圖2 定容燃燒彈結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of constant volume combustion chamber
在定容燃燒彈的前后兩面分別安裝厚度為60 mm、直徑為190 mm 的高抗沖石英玻璃，為紋影成像提供光學(xué)通路。表1所示為實(shí)驗(yàn)中所涉及的直流高壓電源、高速攝像系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)等儀器的型號(hào)及參數(shù)。
表1 實(shí)驗(yàn)器材型號(hào)和參數(shù)Table 1 Experimental instrument model and parameters
本實(shí)驗(yàn)在常溫、初始?xì)鈮簽?.1～0.5 MPa 的條件下，向定容燃燒彈內(nèi)充入過量空氣系數(shù)λ為1.4的甲烷-空氣稀混合氣，靜置2～3 min 使兩者混合均勻后，在網(wǎng)狀電極的兩端同時(shí)加載正直流電場并點(diǎn)火。由于提供電場的正直流電源的輸出電壓為正(0～15 kV)，所以，本文統(tǒng)一把加載的電場稱為正直流電場。為降低實(shí)驗(yàn)誤差使其最小，每個(gè)工況點(diǎn)至少重復(fù)4～5次，并取平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)處理值。
2 結(jié)果與分析
2.1 火焰?zhèn)鞑D像
圖3所示為在不同初始?jí)毫ο拢^量空氣系數(shù)為1.4時(shí)，加載不同電壓正直流電場后火焰發(fā)展圖片隨時(shí)間的變化。由圖3可見：在不同初始?jí)毫ο?，未施加電場時(shí)，火焰近似呈球形向外傳播，并且水平和豎直方向變化程度基本一致；當(dāng)壓力不斷增大時(shí)，火焰的發(fā)展速度明顯變慢，火焰面面積不斷變小。施加正直流電場后，火焰在加載電場方向有明顯的變形，隨著施加電壓的增大，在加載電場方向上火焰變形更加劇烈。
圖3 火焰?zhèn)鞑D像Fig.3 Pictures of flame propagation
在相同電壓下，隨著初始?jí)毫υ龃?，火焰面褶皺增多；隨著施加電壓增大，在高初始?jí)毫ο拢鹧婷骜薨檿?huì)更多。這說明隨著初始?jí)毫υ龃?，電場造成的火焰不穩(wěn)定性增強(qiáng)，并且這種現(xiàn)象在高電壓、高初始?jí)毫ο赂用黠@。
2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>
式中：L6～25為火焰從6 mm 傳播到25 mm 的距離；t6～25為火焰從6 mm 傳播到25 mm 的距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間；S0為未施加電場時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
表2所示為在不同初始?jí)毫0為0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 MPa，施加不同電壓U(U=0，5，10 kV)電場時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约跋啾扔谖词┘与妶龅幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仍龃舐?。由?可見：施加電場后火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大，且施加電壓越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾拥姆仍酱?。?dāng)施加電壓相同時(shí)，隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減小，根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，對(duì)于未施加電場時(shí)，初始?jí)毫εc層流燃燒速度的關(guān)系為SL∝P(n-2)/2，其中，n為反應(yīng)級(jí)級(jí)數(shù)，一般輕質(zhì)碳?xì)淙剂显诳諝庵腥紵龝r(shí)，n≤2[15]，所以，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著初始?jí)毫Φ脑龃笾饾u降低，而加載電場后火焰?zhèn)鞑ニ俣入S壓力的變化與未施加電壓時(shí)相類似[16]，即火焰?zhèn)鞑ニ俣入S初始?jí)毫Φ脑龃笾饾u減小。隨著施加電壓的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐手饾u增大；當(dāng)施加電壓增幅相同時(shí)，初始?jí)毫υ酱?，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐试龃筅厔菰矫黠@。當(dāng)U=10 kV時(shí)，不同初始?jí)毫?0.1，0.2，0.3，0.4 和0.5 MPa)下，火焰速度增大率依次為36.04%，53.41%，66.67%，75.92%和84.44%，說明隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，電場?duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇龠M(jìn)作用不斷增強(qiáng)。
表2 不同初始?jí)毫ο碌暮挺able 2 Flame propagation speed and its increase rate under different initial pressures
表2 不同初始?jí)毫ο碌暮挺able 2 Flame propagation speed and its increase rate under different initial pressures
P0/MPa U/kV 0.1 051 0.2 0051 0.3 0051 0.4 0051 0.5 0051 0-SL/(m·s-1)1.11 1.22 1.51 0.88 1.03 1.35 0.63 0.75 1.05 0.54 0.66 0.95 0.45 0.56 0.83 Δ-SL/%0 9.91 36.04 0 17.05 53.41 0 19.05 66.67 0 22.22 75.92 0 24.44 84.44
2.3 火焰不穩(wěn)定性
研究層流火焰的不穩(wěn)定性需要考慮流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性和熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性，而本文中由于甲烷空氣混合物中甲烷和空氣的路易斯數(shù)相近，所以可以忽略熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性的影響。隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，火焰圖像逐漸出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)，這是由于火焰反應(yīng)區(qū)厚度減小而密度比增大，使得流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性增大，宏觀表現(xiàn)為火焰胞狀結(jié)構(gòu)增多，火焰表面褶皺增多[17]。加載正直流電場后，由于電體積力累積誘導(dǎo)的負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)主導(dǎo)了火焰的流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性，使得火焰圖像大量出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)。為衡量在不同初壓下加載電場后火焰的不穩(wěn)定性程度，本文引入火焰面褶皺系數(shù)W[18]：
式中：Rp為等效周長半徑；Rs為等效面積半徑。
圖4所示為不同初始?jí)毫ο禄鹧娴刃е荛L半徑Rp和等效面積半徑Rs隨時(shí)間的變化。由圖4可見：無論是否加載電場，火焰等效周長半徑Rp和等效面積半徑Rs隨時(shí)間均近似呈線性增大；在相同時(shí)間下，加載電場后的等效周長半徑Rp和等效面積半徑Rs均比未加載電場時(shí)的更大；隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，火焰等效周長半徑Rp和等效面積半徑Rs達(dá)到25 mm 時(shí)所需時(shí)間更長。加載電場后，相同時(shí)刻的等效周長半徑Rp明顯大于等效面積半徑Rs，這說明火焰面褶皺程度增大，造成其截面周長顯著增大。
當(dāng)U=10 kV，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x為6～25 mm時(shí)，P0為0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 MPa時(shí)的火焰面褶皺系數(shù)W的均值分別為1.67，1.71，1.77，1.85和1.88，不同初始?jí)毫ο碌幕鹧婷骜薨櫹禂?shù)均大于1.5，這說明加載電場后，隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，褶皺系?shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，火焰形變程度變大，火焰不穩(wěn)定性增強(qiáng)。
2.4 燃燒壓力參數(shù)
圖5所示為不同初始?jí)毫ο?，加載正直流電場后燃燒壓力隨時(shí)間的變化曲線。由圖5(a)可見：施加電場后，隨著初始?jí)毫υ龃?，壓力峰值增大程度和峰值時(shí)刻提前程度逐漸增大。由圖5(b)可見：施加的電壓越大，燃燒壓力峰值越大，到達(dá)壓力峰值的時(shí)間越短；隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，不同加載電壓下的電場對(duì)火焰燃燒特性影響的差異會(huì)更加顯著。
圖4 火焰等效周長半徑Rp和等效面積半徑Rs隨時(shí)間的變化Fig.4 Flame equivalent perimeter radius Rp and equivalent area radius Rs changes with elapse time
圖5 燃燒壓力隨時(shí)間的變化Fig.5 Combustion pressure changes with elapse time
表3所示為不同初始?jí)毫ο拢┘诱绷麟妶龊蟮膲毫Ψ逯禃r(shí)刻tp、壓力峰值Pmax以及相比于未施加正直流電場對(duì)應(yīng)的壓力峰值時(shí)刻提前率Δtp、壓力峰值增大率ΔPmax。由表3可見：施加電場后，壓力峰值Pmax均增大，壓力峰值時(shí)刻tp均減??；隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅@種變化趨勢更加顯著。隨著施加電壓的增大，壓力峰值增大率ΔPmax不斷增大，壓力峰值時(shí)刻提前率Δtp不斷增大。當(dāng)施加電壓為10 kV時(shí)，在不同初始?jí)毫?0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 MPa)下，燃燒壓力峰值分別增大3.09%，5.80%，10.30%，12.60%和13.01%，壓力峰值時(shí)刻分別提前7.11%，13.59%，21.51%，24.29%和28.90%。
3 正直流電場作用機(jī)理分析
3.1 火焰中粒子的模擬計(jì)算
加載電場作用后，火焰中的帶電粒子在電場力的作用下發(fā)生定向移動(dòng)并與其他中性粒子相互碰撞從而影響火焰的燃燒狀態(tài)。因此，為了定量分析在電場作用下火焰中帶電粒子之間的相互碰撞作用，獲取粒子數(shù)密度變得尤為重要。本文將Prager/Pedersen 離子反應(yīng)機(jī)理[19-20]與CHEMKIN 軟件相結(jié)合(其中CHEMKIN 軟件的計(jì)算模型為預(yù)混層流火焰模型)，對(duì)甲烷/空氣預(yù)混燃燒中的帶電粒子進(jìn)行模擬計(jì)算。圖6所示為在不同初始?jí)毫ο挛醇与妶龅募淄?空氣預(yù)混燃燒過程中不同火焰位置處的帶電粒子數(shù)密度分布圖。賈偉東等[21]對(duì)該甲烷燃燒機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證，通過與WORTBERG[22]測量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)測量值與計(jì)算值分布一致。因此，驗(yàn)證了利用該甲烷燃燒機(jī)理進(jìn)行預(yù)混球形膨脹火焰離子數(shù)密度的模擬計(jì)算是可行的。
表3 不同初始?jí)毫ο抡绷麟妶鋈紵匦詤?shù)Table 3 Positive DC electric field combustion characteristic parameters under different initial pressures
圖6 不同初始?jí)毫ο禄鹧鎺щ娏Ｗ訑?shù)密度分布圖Fig.6 Flame charged particle number density distribution map under different initial pressures
由圖6可見：在壓力較低時(shí)，火焰中e-濃度峰值最大，正離子中H3O+濃度峰值次之，C2H3O+的濃度峰值最小。隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，三者的濃度峰值逐漸相接近，尤其是在0.5 MPa時(shí)火焰中e-濃度峰值與C2H3O+濃度峰值近似相等。當(dāng)初始?jí)毫?.1 MPa時(shí)，火焰中帶電粒子主要集中在火焰面上約0.18 cm的范圍內(nèi)，說明火焰在此范圍內(nèi)發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)，各帶電粒子數(shù)密度依次達(dá)到峰值。隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅鹧鎺щ娏Ｗ拥姆磻?yīng)區(qū)間逐漸減小，這表明火焰厚度δ逐漸減小，這與2.3節(jié)所述結(jié)果一致。
為了便于對(duì)某一時(shí)刻所有粒子進(jìn)行分析，對(duì)同一火焰鋒面位置處各帶電粒子數(shù)密度進(jìn)行分析尤為關(guān)鍵。由于甲烷/空氣火焰中正離子形成主要通過一步化學(xué)電離形成，其起源于CH，故本文取CH粒子數(shù)密度峰值位置作為其他粒子數(shù)密度研究的基準(zhǔn)位置，并以此位置作為火焰鋒面研究位置[23]。表4所示為不同初始?jí)毫ο滤械牧Ｗ訑?shù)密度。
3.2 電體積力分析
電場對(duì)火焰的影響作用主要是由于電場力誘導(dǎo)帶電粒子的碰撞。從微觀粒子的角度分析，這種電場力正是電體積力對(duì)火焰的作用，電場對(duì)火焰的影響都是由于電體積力誘導(dǎo)的離子與分子之間的碰撞作用，使得火焰的未燃混合氣與火焰鋒面快速接觸，加快了火焰鋒面的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。正直流電場對(duì)火焰的作用主要?dú)w因于電場誘導(dǎo)的負(fù)離子與中性粒子相互碰撞產(chǎn)生的效應(yīng)。根據(jù)LAWTON 等[24]的研究，火焰反應(yīng)區(qū)的電體積力F可表示為
式中：e為元電荷，其電量為1.6×10-19C；N為每立方厘米負(fù)離子的數(shù)量；E為電場強(qiáng)度。
根據(jù)Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行電場模擬計(jì)算可以得到平均電場強(qiáng)度，再結(jié)合3.1節(jié)計(jì)算的離子數(shù)密度，可以粗略得到在不同初始?jí)毫ο?，加載不同電壓正電場時(shí)火焰鋒面離子所受到的電體積力。由圖7可見：在相同初始?jí)毫ο?，隨著電壓增大，火焰鋒面離子受到的電體積力逐漸增大。在相同電壓下，隨著初始?jí)毫υ龃?，火焰鋒面離子受到的電體積力逐漸增大，但增加的幅度逐漸減小。
圖7 不同初始?jí)毫ο录淄?空氣預(yù)混火焰鋒面帶電粒子受到的電體積力Fig.7 Electric body force of charged particles in methane/air premixed flame front under different initial pressures
表4 甲烷/空氣預(yù)混火焰鋒面位置粒子數(shù)密度統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of particle number density at the front of methane/air premix flame
3.3 離子風(fēng)發(fā)展程度分析
由3.2節(jié)分析可知，電體積力與電場對(duì)火焰的影響密切相關(guān)，但在不同電壓時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐屎蛪毫Ψ逯翟龃舐孰S電體積力變化趨勢明顯不同，所以，只從電體積力的角度進(jìn)行分析不夠準(zhǔn)確。由于離子風(fēng)效應(yīng)的本質(zhì)是火焰受到電場產(chǎn)生的電體積力而引起離子定向移動(dòng)的累積過程，離子數(shù)密度、外加電場的電場強(qiáng)度以及火焰在電場中的駐留時(shí)間與離子風(fēng)效應(yīng)密切相關(guān)。為了明確在不同初始?jí)毫ο抡绷麟妶鰧?duì)火焰的影響作用，有必要從離子風(fēng)效應(yīng)的角度分析電場對(duì)火焰的作用機(jī)理。根據(jù)KONO 等[25]定義的碰撞反應(yīng)時(shí)間，以及KIM等[9]關(guān)于離子風(fēng)效應(yīng)的研究，離子風(fēng)發(fā)展程度可以表示為
式中：P0為初始?jí)毫?0.1～0.5 MPa)；σ為分子碰撞直徑，根據(jù)CHEMKIN-PRO 輸運(yùn)參數(shù)文件選取3.746×10-10m；kB為玻爾茲曼常數(shù)(1.391×10-23J/K)；m為粒子平均分子質(zhì)量；T為絕熱火焰溫度；t為瞬態(tài)火焰在火焰中傳播的時(shí)間(火焰?zhèn)鞑サ木嚯x為6～25 mm)；tc為負(fù)離子碰撞反應(yīng)時(shí)間；Ri為與尚未發(fā)生碰撞的中性分子數(shù)密度之比，由于其他帶電粒子數(shù)密度與中性分子數(shù)密度相比非常小，所以，使用中性分子數(shù)總密度代替未發(fā)生碰撞的中性分子數(shù)密度。
其中，m與T使用CHEMKIN-PRO軟件求解得到。將m和T代入式(5)，可以得到初始?jí)毫?.1，0.2，0.3，0.4 和0.5 MPa 時(shí)，離子與中性分子的碰撞頻率分別為2.90×109，5.78×109，8.64×109，11.54×109和14.40×109s-1。根據(jù)前文的離子模擬計(jì)算，并將各個(gè)參數(shù)數(shù)值分別代入式(6)和(7)，可獲得初始?jí)毫?.1，0.2，0.3，0.4和0.5 MPa，電壓幅值為10 kV 時(shí)的正直流電場的負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度ξ，見表5。
表5 負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度ξTable 5 Developing degree of negative ionic wind
由表5可見：隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅?fù)離子風(fēng)發(fā)展程度逐漸增大，這與實(shí)驗(yàn)中的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐?、壓力峰值增大率ΔPmax、火焰不穩(wěn)定性隨初始?jí)毫Φ淖兓厔菹嘁恢?，說明與，ΔPmax和火焰不穩(wěn)定性之間存在必然聯(lián)系。圖9所示為負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度與火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐?、壓力峰值增大率ΔPmax、火焰面褶皺系數(shù)W的擬合曲線。由圖9可見：隨著負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐省毫Ψ逯翟龃舐师max、火焰面褶皺系數(shù)W均逐漸增大，并且擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)分別為0.992，0.991 和0.991，由此說明Δ，ΔPmax和W與負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度高度相關(guān)。隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，?fù)離子風(fēng)發(fā)展程度逐漸增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐师?、壓力峰值增大率ΔPmax、火焰面褶皺系數(shù)W均逐漸增大，說明在不同初始?jí)毫ο拢怯捎陔妶霎a(chǎn)生的負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)造成了火焰的不穩(wěn)定性與火焰燃燒特性的差異性，同時(shí)，說明利用負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度來評(píng)價(jià)正直流電場對(duì)球形膨脹火焰的影響程度是可行的。
圖9 負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度ξ與火焰特性參數(shù)的擬合曲線Fig.9 Fitting curves of developing degree of negative ionic wind and flame characteristic parameters
4 結(jié)論
1)火焰在加載電場的方向上明顯被拉伸發(fā)生形變，隨著施加電壓的增大，火焰形變?cè)龃?，隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅鹧婷骜薨櫹禂?shù)增大，火焰不穩(wěn)定性增強(qiáng)。
4)加載電壓后，隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，?fù)離子風(fēng)發(fā)展程度逐漸增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐?、壓力峰值增大率ΔPmax、火焰褶皺系數(shù)W與負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度密切相關(guān)，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.992，0.991 和0.991，由此說明負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)主導(dǎo)了正直流電場對(duì)甲烷空氣球形膨脹火焰的影響。
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(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西西安，710049)
開發(fā)新型清潔高效燃燒技術(shù)對(duì)于改善目前環(huán)境污染與解決能源短缺問題至關(guān)重要。由于電場輔助燃燒技術(shù)不僅可以提高火焰?zhèn)鞑ニ俾屎腿紵蔥1-2]，提高燃燒的穩(wěn)定性[3]，而且還可以降低碳煙和氮氧化物的排放[4]，因此，受到了人們的廣泛關(guān)注。目前，天然氣作為重要的替代能源得到廣泛應(yīng)用，利用電場助燃技術(shù)可以有效克服天然氣燃燒穩(wěn)定性差、燃燒速度慢等不足。國內(nèi)外學(xué)者開展了電場輔助燃燒理論的研究：BELHI等[5]研究直交流電場對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響；KUHL 等[6]認(rèn)為加載電場后由于流場的變化影響了火焰的速度；SAKHRIEH等[7]研究了在高初始?jí)毫ο轮绷麟妶鰧?duì)火焰燃燒產(chǎn)物的影響；電場對(duì)火焰的影響機(jī)理主要包括電化學(xué)效應(yīng)、雙離子風(fēng)效應(yīng)以及離子風(fēng)效應(yīng)[8-10]。對(duì)于正直流電場對(duì)火焰的影響機(jī)理，有研究者認(rèn)為是電化學(xué)效應(yīng)[11]，而孟浩等[12]利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)正直流電場通過負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)影響火焰。以上研究大多針對(duì)常壓下電場輔助燃燒，而工業(yè)生產(chǎn)中的燃燒主要在不斷變化的高壓下進(jìn)行，因此，有必要研究在不同初始?jí)毫ο码妶鰧?duì)燃燒的影響規(guī)律，并分析正直流電場對(duì)火焰的影響機(jī)理。本文作者通過對(duì)不同初始?jí)毫ο碌幕鹧婕虞d不同電壓的正直流電場，研究在正直流電場作用下的甲烷空氣球形膨脹火焰的燃燒特性，并結(jié)合CHEMKIN軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，從而分析正直流電場對(duì)不同初始?jí)毫ο录淄榭諝馇蛐闻蛎浕鹧嬗绊懙臋C(jī)理。
1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法
圖1所示為實(shí)驗(yàn)裝置，主要由定容燃燒彈、高壓正直流電供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、高速攝像以及紋影系統(tǒng)等6個(gè)部分構(gòu)成。圖2所示為本實(shí)驗(yàn)中的定容燃燒彈結(jié)構(gòu)。定容燃燒彈的材料為45號(hào)鋼，其直徑為140 mm，長度為180 mm。為了防止高壓電極與定容燃燒彈內(nèi)腔壁面之間放電，影響燃燒室的電場分布，定容燃燒彈內(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，長為180 mm。兩針狀點(diǎn)火電極外表面包裹聚四氟乙烯，并對(duì)稱安裝在定容燃燒彈的上下兩側(cè)，兩電極之間距離為2 mm。定容燃燒彈左右兩側(cè)對(duì)置安裝一對(duì)用于施加外部高電壓的網(wǎng)格狀鏤空高壓電極。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic map of experimental setup
圖2 定容燃燒彈結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of constant volume combustion chamber
在定容燃燒彈的前后兩面分別安裝厚度為60 mm、直徑為190 mm 的高抗沖石英玻璃，為紋影成像提供光學(xué)通路。表1所示為實(shí)驗(yàn)中所涉及的直流高壓電源、高速攝像系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)等儀器的型號(hào)及參數(shù)。
表1 實(shí)驗(yàn)器材型號(hào)和參數(shù)Table 1 Experimental instrument model and parameters
本實(shí)驗(yàn)在常溫、初始?xì)鈮簽?.1～0.5 MPa 的條件下，向定容燃燒彈內(nèi)充入過量空氣系數(shù)λ為1.4的甲烷-空氣稀混合氣，靜置2～3 min 使兩者混合均勻后，在網(wǎng)狀電極的兩端同時(shí)加載正直流電場并點(diǎn)火。由于提供電場的正直流電源的輸出電壓為正(0～15 kV)，所以，本文統(tǒng)一把加載的電場稱為正直流電場。為降低實(shí)驗(yàn)誤差使其最小，每個(gè)工況點(diǎn)至少重復(fù)4～5次，并取平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)處理值。
2 結(jié)果與分析
2.1 火焰?zhèn)鞑D像
圖3所示為在不同初始?jí)毫ο拢^量空氣系數(shù)為1.4時(shí)，加載不同電壓正直流電場后火焰發(fā)展圖片隨時(shí)間的變化。由圖3可見：在不同初始?jí)毫ο?，未施加電場時(shí)，火焰近似呈球形向外傳播，并且水平和豎直方向變化程度基本一致；當(dāng)壓力不斷增大時(shí)，火焰的發(fā)展速度明顯變慢，火焰面面積不斷變小。施加正直流電場后，火焰在加載電場方向有明顯的變形，隨著施加電壓的增大，在加載電場方向上火焰變形更加劇烈。
圖3 火焰?zhèn)鞑D像Fig.3 Pictures of flame propagation
在相同電壓下，隨著初始?jí)毫υ龃?，火焰面褶皺增多；隨著施加電壓增大，在高初始?jí)毫ο拢鹧婷骜薨檿?huì)更多。這說明隨著初始?jí)毫υ龃?，電場造成的火焰不穩(wěn)定性增強(qiáng)，并且這種現(xiàn)象在高電壓、高初始?jí)毫ο赂用黠@。
2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>
式中：L6～25為火焰從6 mm 傳播到25 mm 的距離；t6～25為火焰從6 mm 傳播到25 mm 的距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間；S0為未施加電場時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
表2所示為在不同初始?jí)毫0為0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 MPa，施加不同電壓U(U=0，5，10 kV)電場時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约跋啾扔谖词┘与妶龅幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仍龃舐?。由?可見：施加電場后火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大，且施加電壓越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾拥姆仍酱?。?dāng)施加電壓相同時(shí)，隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減小，根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，對(duì)于未施加電場時(shí)，初始?jí)毫εc層流燃燒速度的關(guān)系為SL∝P(n-2)/2，其中，n為反應(yīng)級(jí)級(jí)數(shù)，一般輕質(zhì)碳?xì)淙剂显诳諝庵腥紵龝r(shí)，n≤2[15]，所以，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著初始?jí)毫Φ脑龃笾饾u降低，而加載電場后火焰?zhèn)鞑ニ俣入S壓力的變化與未施加電壓時(shí)相類似[16]，即火焰?zhèn)鞑ニ俣入S初始?jí)毫Φ脑龃笾饾u減小。隨著施加電壓的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐手饾u增大；當(dāng)施加電壓增幅相同時(shí)，初始?jí)毫υ酱?，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐试龃筅厔菰矫黠@。當(dāng)U=10 kV時(shí)，不同初始?jí)毫?0.1，0.2，0.3，0.4 和0.5 MPa)下，火焰速度增大率依次為36.04%，53.41%，66.67%，75.92%和84.44%，說明隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，電場?duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇龠M(jìn)作用不斷增強(qiáng)。
表2 不同初始?jí)毫ο碌暮挺able 2 Flame propagation speed and its increase rate under different initial pressures
表2 不同初始?jí)毫ο碌暮挺able 2 Flame propagation speed and its increase rate under different initial pressures
P0/MPa U/kV 0.1 051 0.2 0051 0.3 0051 0.4 0051 0.5 0051 0-SL/(m·s-1)1.11 1.22 1.51 0.88 1.03 1.35 0.63 0.75 1.05 0.54 0.66 0.95 0.45 0.56 0.83 Δ-SL/%0 9.91 36.04 0 17.05 53.41 0 19.05 66.67 0 22.22 75.92 0 24.44 84.44
2.3 火焰不穩(wěn)定性
研究層流火焰的不穩(wěn)定性需要考慮流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性和熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性，而本文中由于甲烷空氣混合物中甲烷和空氣的路易斯數(shù)相近，所以可以忽略熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性的影響。隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，火焰圖像逐漸出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)，這是由于火焰反應(yīng)區(qū)厚度減小而密度比增大，使得流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性增大，宏觀表現(xiàn)為火焰胞狀結(jié)構(gòu)增多，火焰表面褶皺增多[17]。加載正直流電場后，由于電體積力累積誘導(dǎo)的負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)主導(dǎo)了火焰的流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性，使得火焰圖像大量出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)。為衡量在不同初壓下加載電場后火焰的不穩(wěn)定性程度，本文引入火焰面褶皺系數(shù)W[18]：
式中：Rp為等效周長半徑；Rs為等效面積半徑。
圖4所示為不同初始?jí)毫ο禄鹧娴刃е荛L半徑Rp和等效面積半徑Rs隨時(shí)間的變化。由圖4可見：無論是否加載電場，火焰等效周長半徑Rp和等效面積半徑Rs隨時(shí)間均近似呈線性增大；在相同時(shí)間下，加載電場后的等效周長半徑Rp和等效面積半徑Rs均比未加載電場時(shí)的更大；隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，火焰等效周長半徑Rp和等效面積半徑Rs達(dá)到25 mm 時(shí)所需時(shí)間更長。加載電場后，相同時(shí)刻的等效周長半徑Rp明顯大于等效面積半徑Rs，這說明火焰面褶皺程度增大，造成其截面周長顯著增大。
當(dāng)U=10 kV，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x為6～25 mm時(shí)，P0為0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 MPa時(shí)的火焰面褶皺系數(shù)W的均值分別為1.67，1.71，1.77，1.85和1.88，不同初始?jí)毫ο碌幕鹧婷骜薨櫹禂?shù)均大于1.5，這說明加載電場后，隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，褶皺系?shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，火焰形變程度變大，火焰不穩(wěn)定性增強(qiáng)。
2.4 燃燒壓力參數(shù)
圖5所示為不同初始?jí)毫ο?，加載正直流電場后燃燒壓力隨時(shí)間的變化曲線。由圖5(a)可見：施加電場后，隨著初始?jí)毫υ龃?，壓力峰值增大程度和峰值時(shí)刻提前程度逐漸增大。由圖5(b)可見：施加的電壓越大，燃燒壓力峰值越大，到達(dá)壓力峰值的時(shí)間越短；隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，不同加載電壓下的電場對(duì)火焰燃燒特性影響的差異會(huì)更加顯著。
圖4 火焰等效周長半徑Rp和等效面積半徑Rs隨時(shí)間的變化Fig.4 Flame equivalent perimeter radius Rp and equivalent area radius Rs changes with elapse time
圖5 燃燒壓力隨時(shí)間的變化Fig.5 Combustion pressure changes with elapse time
表3所示為不同初始?jí)毫ο拢┘诱绷麟妶龊蟮膲毫Ψ逯禃r(shí)刻tp、壓力峰值Pmax以及相比于未施加正直流電場對(duì)應(yīng)的壓力峰值時(shí)刻提前率Δtp、壓力峰值增大率ΔPmax。由表3可見：施加電場后，壓力峰值Pmax均增大，壓力峰值時(shí)刻tp均減??；隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅@種變化趨勢更加顯著。隨著施加電壓的增大，壓力峰值增大率ΔPmax不斷增大，壓力峰值時(shí)刻提前率Δtp不斷增大。當(dāng)施加電壓為10 kV時(shí)，在不同初始?jí)毫?0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 MPa)下，燃燒壓力峰值分別增大3.09%，5.80%，10.30%，12.60%和13.01%，壓力峰值時(shí)刻分別提前7.11%，13.59%，21.51%，24.29%和28.90%。
3 正直流電場作用機(jī)理分析
3.1 火焰中粒子的模擬計(jì)算
加載電場作用后，火焰中的帶電粒子在電場力的作用下發(fā)生定向移動(dòng)并與其他中性粒子相互碰撞從而影響火焰的燃燒狀態(tài)。因此，為了定量分析在電場作用下火焰中帶電粒子之間的相互碰撞作用，獲取粒子數(shù)密度變得尤為重要。本文將Prager/Pedersen 離子反應(yīng)機(jī)理[19-20]與CHEMKIN 軟件相結(jié)合(其中CHEMKIN 軟件的計(jì)算模型為預(yù)混層流火焰模型)，對(duì)甲烷/空氣預(yù)混燃燒中的帶電粒子進(jìn)行模擬計(jì)算。圖6所示為在不同初始?jí)毫ο挛醇与妶龅募淄?空氣預(yù)混燃燒過程中不同火焰位置處的帶電粒子數(shù)密度分布圖。賈偉東等[21]對(duì)該甲烷燃燒機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證，通過與WORTBERG[22]測量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)測量值與計(jì)算值分布一致。因此，驗(yàn)證了利用該甲烷燃燒機(jī)理進(jìn)行預(yù)混球形膨脹火焰離子數(shù)密度的模擬計(jì)算是可行的。
表3 不同初始?jí)毫ο抡绷麟妶鋈紵匦詤?shù)Table 3 Positive DC electric field combustion characteristic parameters under different initial pressures
圖6 不同初始?jí)毫ο禄鹧鎺щ娏Ｗ訑?shù)密度分布圖Fig.6 Flame charged particle number density distribution map under different initial pressures
由圖6可見：在壓力較低時(shí)，火焰中e-濃度峰值最大，正離子中H3O+濃度峰值次之，C2H3O+的濃度峰值最小。隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，三者的濃度峰值逐漸相接近，尤其是在0.5 MPa時(shí)火焰中e-濃度峰值與C2H3O+濃度峰值近似相等。當(dāng)初始?jí)毫?.1 MPa時(shí)，火焰中帶電粒子主要集中在火焰面上約0.18 cm的范圍內(nèi)，說明火焰在此范圍內(nèi)發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)，各帶電粒子數(shù)密度依次達(dá)到峰值。隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅鹧鎺щ娏Ｗ拥姆磻?yīng)區(qū)間逐漸減小，這表明火焰厚度δ逐漸減小，這與2.3節(jié)所述結(jié)果一致。
為了便于對(duì)某一時(shí)刻所有粒子進(jìn)行分析，對(duì)同一火焰鋒面位置處各帶電粒子數(shù)密度進(jìn)行分析尤為關(guān)鍵。由于甲烷/空氣火焰中正離子形成主要通過一步化學(xué)電離形成，其起源于CH，故本文取CH粒子數(shù)密度峰值位置作為其他粒子數(shù)密度研究的基準(zhǔn)位置，并以此位置作為火焰鋒面研究位置[23]。表4所示為不同初始?jí)毫ο滤械牧Ｗ訑?shù)密度。
3.2 電體積力分析
電場對(duì)火焰的影響作用主要是由于電場力誘導(dǎo)帶電粒子的碰撞。從微觀粒子的角度分析，這種電場力正是電體積力對(duì)火焰的作用，電場對(duì)火焰的影響都是由于電體積力誘導(dǎo)的離子與分子之間的碰撞作用，使得火焰的未燃混合氣與火焰鋒面快速接觸，加快了火焰鋒面的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。正直流電場對(duì)火焰的作用主要?dú)w因于電場誘導(dǎo)的負(fù)離子與中性粒子相互碰撞產(chǎn)生的效應(yīng)。根據(jù)LAWTON 等[24]的研究，火焰反應(yīng)區(qū)的電體積力F可表示為
式中：e為元電荷，其電量為1.6×10-19C；N為每立方厘米負(fù)離子的數(shù)量；E為電場強(qiáng)度。
根據(jù)Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行電場模擬計(jì)算可以得到平均電場強(qiáng)度，再結(jié)合3.1節(jié)計(jì)算的離子數(shù)密度，可以粗略得到在不同初始?jí)毫ο?，加載不同電壓正電場時(shí)火焰鋒面離子所受到的電體積力。由圖7可見：在相同初始?jí)毫ο?，隨著電壓增大，火焰鋒面離子受到的電體積力逐漸增大。在相同電壓下，隨著初始?jí)毫υ龃?，火焰鋒面離子受到的電體積力逐漸增大，但增加的幅度逐漸減小。
圖7 不同初始?jí)毫ο录淄?空氣預(yù)混火焰鋒面帶電粒子受到的電體積力Fig.7 Electric body force of charged particles in methane/air premixed flame front under different initial pressures
表4 甲烷/空氣預(yù)混火焰鋒面位置粒子數(shù)密度統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of particle number density at the front of methane/air premix flame
3.3 離子風(fēng)發(fā)展程度分析
由3.2節(jié)分析可知，電體積力與電場對(duì)火焰的影響密切相關(guān)，但在不同電壓時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐屎蛪毫Ψ逯翟龃舐孰S電體積力變化趨勢明顯不同，所以，只從電體積力的角度進(jìn)行分析不夠準(zhǔn)確。由于離子風(fēng)效應(yīng)的本質(zhì)是火焰受到電場產(chǎn)生的電體積力而引起離子定向移動(dòng)的累積過程，離子數(shù)密度、外加電場的電場強(qiáng)度以及火焰在電場中的駐留時(shí)間與離子風(fēng)效應(yīng)密切相關(guān)。為了明確在不同初始?jí)毫ο抡绷麟妶鰧?duì)火焰的影響作用，有必要從離子風(fēng)效應(yīng)的角度分析電場對(duì)火焰的作用機(jī)理。根據(jù)KONO 等[25]定義的碰撞反應(yīng)時(shí)間，以及KIM等[9]關(guān)于離子風(fēng)效應(yīng)的研究，離子風(fēng)發(fā)展程度可以表示為
式中：P0為初始?jí)毫?0.1～0.5 MPa)；σ為分子碰撞直徑，根據(jù)CHEMKIN-PRO 輸運(yùn)參數(shù)文件選取3.746×10-10m；kB為玻爾茲曼常數(shù)(1.391×10-23J/K)；m為粒子平均分子質(zhì)量；T為絕熱火焰溫度；t為瞬態(tài)火焰在火焰中傳播的時(shí)間(火焰?zhèn)鞑サ木嚯x為6～25 mm)；tc為負(fù)離子碰撞反應(yīng)時(shí)間；Ri為與尚未發(fā)生碰撞的中性分子數(shù)密度之比，由于其他帶電粒子數(shù)密度與中性分子數(shù)密度相比非常小，所以，使用中性分子數(shù)總密度代替未發(fā)生碰撞的中性分子數(shù)密度。
其中，m與T使用CHEMKIN-PRO軟件求解得到。將m和T代入式(5)，可以得到初始?jí)毫?.1，0.2，0.3，0.4 和0.5 MPa 時(shí)，離子與中性分子的碰撞頻率分別為2.90×109，5.78×109，8.64×109，11.54×109和14.40×109s-1。根據(jù)前文的離子模擬計(jì)算，并將各個(gè)參數(shù)數(shù)值分別代入式(6)和(7)，可獲得初始?jí)毫?.1，0.2，0.3，0.4和0.5 MPa，電壓幅值為10 kV 時(shí)的正直流電場的負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度ξ，見表5。
表5 負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度ξTable 5 Developing degree of negative ionic wind
由表5可見：隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅?fù)離子風(fēng)發(fā)展程度逐漸增大，這與實(shí)驗(yàn)中的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐?、壓力峰值增大率ΔPmax、火焰不穩(wěn)定性隨初始?jí)毫Φ淖兓厔菹嘁恢?，說明與，ΔPmax和火焰不穩(wěn)定性之間存在必然聯(lián)系。圖9所示為負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度與火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐?、壓力峰值增大率ΔPmax、火焰面褶皺系數(shù)W的擬合曲線。由圖9可見：隨著負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐省毫Ψ逯翟龃舐师max、火焰面褶皺系數(shù)W均逐漸增大，并且擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)分別為0.992，0.991 和0.991，由此說明Δ，ΔPmax和W與負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度高度相關(guān)。隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，?fù)離子風(fēng)發(fā)展程度逐漸增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐师?、壓力峰值增大率ΔPmax、火焰面褶皺系數(shù)W均逐漸增大，說明在不同初始?jí)毫ο拢怯捎陔妶霎a(chǎn)生的負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)造成了火焰的不穩(wěn)定性與火焰燃燒特性的差異性，同時(shí)，說明利用負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度來評(píng)價(jià)正直流電場對(duì)球形膨脹火焰的影響程度是可行的。
圖9 負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度ξ與火焰特性參數(shù)的擬合曲線Fig.9 Fitting curves of developing degree of negative ionic wind and flame characteristic parameters
4 結(jié)論
1)火焰在加載電場的方向上明顯被拉伸發(fā)生形變，隨著施加電壓的增大，火焰形變?cè)龃?，隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅鹧婷骜薨櫹禂?shù)增大，火焰不穩(wěn)定性增強(qiáng)。
4)加載電壓后，隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，?fù)離子風(fēng)發(fā)展程度逐漸增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐?、壓力峰值增大率ΔPmax、火焰褶皺系數(shù)W與負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度密切相關(guān)，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.992，0.991 和0.991，由此說明負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)主導(dǎo)了正直流電場對(duì)甲烷空氣球形膨脹火焰的影響。
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