40 Hz低頻交流電場對甲烷/空氣稀燃火焰的影響

崔雨辰，段浩，張聰，吳筱敏, 2

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40 Hz低頻交流電場對甲烷/空氣稀燃火焰的影響

崔雨辰1，段浩1，張聰1，吳筱敏1, 2

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

為研究不同電壓有效值的低頻交流電場對預混稀燃火焰的影響，在40 Hz交流電壓作用下，對常溫、常壓下定容燃燒彈中過量空氣系數為1.2，1.4和1.6時的甲烷/空氣火焰的傳播特性和燃燒壓力進行研究。研究結果表明：混合氣越稀，火焰在電場中傳播的時間越長，電場對火焰的作用效果越明顯；40 Hz交流電壓作用下，火焰均在水平方向被拉伸，且拉伸的程度與電壓有效值正相關，平均火焰傳播速度和燃燒壓力隨著電壓有效值的增大而增大；與未加載電壓相比，當過量空氣系數=1.6，電壓有效值為1，2，3，4和5 kV時，平均火焰傳播速度分別提高17.24%，32.76%，46.55%，55.17%和74.14%，相對燃燒壓力增大率的最大值分別為0.19，0.24，0.36，0.49和0.65。

低頻交流電場；電壓有效值；定容燃燒彈；火焰傳播特性；燃燒壓力

隨著環境污染和能源短缺問題的日益加劇，天然氣作為清潔替代能源已經在汽車發動機上得到廣泛應用，但扼制天然氣發動機經濟性能提升的一大瓶頸就是天然氣在稀燃條件下存在著火延遲、燃燒速率低和穩定性差等缺點，而電場輔助燃燒這一新型燃燒技術，已被證實可以提高火焰傳播速度[1?3]、增強火焰穩定性[4?6]和減少碳煙排放[7?8]，這對于緩解當前能源危機有著重要的意義。對直流電場輔助燃燒的研究已經持續了將近1個世紀，對其機理的研究也相對成熟，而相比之下，對交流電場輔助燃燒的研究相對甚少。近年來，國內外的一些學者對交流電場輔助燃燒的機理展開了研究，并取得了一定的進展。WON等[9?10]用實驗的方法對比了直流和交流電場對丙烷層流同軸射流火焰的穩定性和火焰傳播速率的影響，結果表明交流電場在擴展火焰穩定極限上比直流電場更有優勢，同時他們還發現同軸射流火焰的傳播速率的增強效果與電場強度有很好的相關性。KIM等[11]研究了交流電場頻率對丙烷空氣噴焰穩定特征參數抬升和吹熄速率的影響，結果表明交流電場可以擴展火焰穩定區域。ZHANG等[12]研究了高頻交流電場(=10 kHz，=0~4 kV)對非預混甲烷空氣噴焰燃燒行為和NO排放的影響，認為引起火焰行為對高頻電壓非線性響應的原因是熱效應、離子風效應和電化學效應競爭的結果。以上的研究基本都集中在駐定火焰，很少涉及電場對諸如發動機中一類非駐定火焰的影響。為了檢驗電場輔助燃燒技術對天然氣發動機經濟性的影響，本文作者將內燃機工作理想成均質反應物的預混燃燒，將燃燒過程簡化為等容加熱循環，對簡化后的發動機建立了理想狀況下的定容燃燒彈模型，通過大量的實驗，研究不同電壓有效值的低頻流電場(=40 Hz)對甲烷/空氣預混稀燃火焰的火焰形狀、火焰傳播速度和燃燒壓力的影響。

1 實驗裝置和方法

本文中的實驗裝置如圖1所示，主要由定容燃燒彈系統、配氣系統、點火系統、高速攝像及紋影光路系統、數據采集系統和高壓電供給系統組成。

定容燃燒彈是由45號鋼加工而成的正方體，其內腔是內徑×長度為113 mm×130 mm的圓柱體。容彈內腔是布置有厚度為8.5 mm的聚四氟乙烯絕緣套，避免高壓電極和容彈發生高壓放電。容彈前后兩側裝有直徑為170 mm、厚度為30 mm的高抗沖石英玻璃為紋影成像提供光學通路，石英玻璃與容彈之間利用O型橡膠圈密封。容彈上下表面中心豎直方向對稱分布著1對外裹聚四氟乙烯的針狀點火電極，2點火電極的直徑和間距都為2 mm，點火電極在點火完成后充當地極。高壓電極是直徑為60 mm的網狀電極，其材料為45號鋼，兩網狀電極對稱地安裝在定容燃燒彈的兩側左右面的中心處，距點火電極水平距離為35 mm。電極結構及其在容彈中的安裝位置如圖2所示。

圖1 實驗裝置圖

單位：mm

低頻交流電源的型號為Hv20 kV/10~200 Hz，頻率范圍為10~200 Hz，功率范圍為0~10 W，輸出電壓變化為±10%；數據采集系統由壓力傳感器、電荷放大器和數據采集儀組成；壓力傳感器是型號為Kistler 4075A10的壓電式低壓絕對壓力傳感器，用于采集燃燒過程中容彈內的燃燒壓力，測量范圍為0~25 MPa，相對誤差為±0.5%；電荷放大器的型號為Kistler 4618A型，與壓力傳感器匹配校準，用于放大壓力傳感器接收的信號；數據采集儀為日本YOKOGAMA公司研制的DL750動態測試儀，采樣頻率為10 kHz；高速攝像機為美國Redlake公司生產的HG?100K，用于記錄火焰的傳播過程，拍攝速度為5 000幀/s。

實驗在常溫、常壓下進行，向容彈中配置過量空氣系數為1.2，1.4和1.6的甲烷/空氣混合氣，靜置2 min使其混合均勻，與此同時向網狀電極分別施加電壓有效值為1，2，3，4和5 kV，頻率=40 Hz的低頻交流電壓。點火同時觸發高速攝像機和壓力傳感器，得到火焰傳播圖像和燃燒壓力曲線。燃燒后的廢氣由真空泵抽出，并用新鮮空氣沖洗容彈至少2次以上，以消除殘留廢氣對下次燃燒的影響。每個工況點至少重復3次，取平均值，從而減小實驗誤差。

2 結果和分析

2.1 電場數值模擬結果

利用Maxwell14.0軟件對網狀電極在加載低頻交流電壓后形成的空間電場分布進行數值模擬。模擬時，點火電極接地，在網狀電極上加載頻率=40 Hz，有效值=5 kV的低頻交流電壓，取電壓波峰和波谷在容彈中心處的縱向截面云圖進行分析，數值模擬結果如圖3所示。由于電極和容彈的對稱性，對電場云圖和電場矢量圖各取一半進行分析。從圖3可以看出：無論是電壓波峰還是電壓波谷，網狀電極間的電場方向均近似水平，而兩者的方向正好相反，波峰和波谷處對應容彈空間電場分布幾乎完全相同，水平方向上的電場強度為4.0×104~3.4×105V/m，電場強度在點火電極的尖端附近空間最大；隨著離容彈中心距離的增大，電場強度先逐漸減小后增大。

(a) 電壓波峰；(b) 電壓波谷

2.2 火焰傳播圖像

由圖3可知：低頻交流電場作用的電場方向主要在水平方向，豎直方向上火焰發展受電場影響較小，因此，本文只討論火焰在水平方向上的發展情況。

圖4所示為當頻率=40 Hz且過量空氣系數為1.2，1.4和1.6時不同電壓有效值下的火焰傳播圖像。從圖4可以看出：未加載電壓時，火焰呈準球形由已燃區向未燃區傳播，且混合氣越稀，火焰傳播得越慢；加載交流電壓后，火焰均在水平方向上被拉伸，且混合氣越稀，拉伸現象越明顯，例如在電場作用下，=1.6的火焰幾乎被拉成長條形，而=1.2的火焰拉伸相對輕微，幾乎仍呈球形；當過量空氣系數一定時，電壓有效值越大，火焰在水平方向被拉伸的幅度越大。例如=1.6，=5 kV時，火焰幾乎被拉扁。

圖4 f=40 Hz且λ為1.2，1.4和1.6時不同電壓有效值下的火焰傳播圖像

交流電場對火焰的影響主要通過如下3種方式：熱效應、電化學效應和離子風效應[12]。熱效應是指當電場中存在較大電流時電能轉換成熱能而帶入的能量，由于本實驗中火焰中的電流很小，因此，可以不考慮熱效應對燃燒的影響。電化學效應是指火焰中大量離子和中性分子發生劇烈碰撞，產生大量活化基和離子直接作用于化學反應動力學，從而通過改變燃燒過程中的某些化學反應來促進火焰的發展[12?13]。由于目前廣泛認為電化學效應主要作用于高頻交流電場中當電壓有效值較高時，而低頻交流電場較小的頻率使得有限的碰撞難以產生大量活化基，因而電化學效應對火焰的影響不大[12, 14]。低頻交流電場作用下的離子風效應是一種雙離子風效應[14]，是指加載電壓后形成了方向在點火電極和網狀電極之間交替變化的電場，在此電場的作用下，大量正負離子沿電場方向定向遷移使得火焰前鋒面在橫向與未燃區的傳質和傳熱增強，從而促進火焰的橫向發展。離子風效應與高壓電極加載的電壓幅值正相關，換言之，火焰橫向受到促進的程度隨著加載電壓幅值的增大而增大，因此，當加載的交流電壓有效值越大時，離子風效應越強，對火焰的促進作用越明顯。

2.3 火焰傳播距離和火焰傳播速度

2.3.1 火焰傳播距離

本文中定義火焰傳播距離為火焰在水平方向上左右兩邊火焰前鋒面到容彈中心距離的平均值，即=(1+2)/2，1和2的確定方式如圖5所示。本文研究的火焰傳播距離的范圍是6~25 mm，因為當＜ 6 mm時，點火能量會對火焰發展產生波動影響；當＞25 mm時，容彈內溫度和壓力的變化會對火焰產生影響[15]。

圖5 火焰傳播距離示意圖

圖6所示為當=40 Hz且=1.6時不同電壓有效值下的火焰傳播距離隨時間的變化。從圖6可以看出：無論是否加載電壓，火焰傳播距離隨時間近乎呈線性增加，而?曲線的斜率在未加載電壓時最小，加載電壓后，曲線的斜率隨著電壓有效值的增大依次增大。

表1所示為當=40 Hz且為1.2，1.4和1.6時不同電壓有效值下的火焰半徑發展到25 mm所用的時間25以及加載電壓后的25比未加載電壓時縮短的比率?25。從表1可以看出：當=1.2時，未加電壓的25=16.2 ms，若交流電壓頻率≤30 Hz，則電場方向在火焰傳播到25 mm之前一直保持不變，其對火焰的作用類似于直流電場的作用，沒有研究意義，因此，本文中選取交流電頻率=40 Hz。加載電壓后的火焰傳播時間比未加電壓時的要明顯縮短，且當過量空氣系數一定時，電壓有效值越大，時間縮短的程度越大，例如當=1.6，=5 kV時，?25達43.39%，遠比該過量空氣系數下其他電壓作用下的縮短程度大。當電壓有效值一定時，混合氣越稀，25和?25均越大，此時火焰發展所用時間越長，電場對火焰的促進作用越 明顯。

電壓/kV：1—0；2—1；3—2；4—3；5—4；6—5。

表1 f=40 Hz且λ為1.2，1.4和1.6時不同電壓有效值下的t25及其縮短比率Δt25

2.3.2 火焰傳播速度

火焰傳播速度L定義為水平方向上的火焰前鋒面相對于靜止的容彈壁面的運動速度，即

式中：為火焰在水平方向上的傳播距離；為火焰傳播時間。

圖7所示為當=40 Hz且=1.6時不同電壓有效值下的火焰傳播速度隨火焰傳播距離的變化。從圖7可以看出：加載電壓后的火焰傳播速度有了較大幅度的提高，且電壓有效值越大，提高的幅度越大，這是由于離子風效應與高壓電極加載的電壓幅值正相關，加載的電壓有效值越大，離子風效應越強，對火焰的促進作用越明顯。

電壓/kV：1—0；2—1；3—2；4—3；5—4；6—5。

圖8所示為當=40 Hz且為1.2，1.4和1.6時的平均火焰傳播速度隨交流電壓有效值的變化。從圖8可以看出：加載電壓后的平均火焰傳播速度與未加載電壓時的相比有較大幅度提高，特別是電壓有效值越大，提高的幅度越大。當電壓有效值一定時，混合氣越稀，平均火焰傳播速度越小。

表2所示為當=40 Hz且為1.2，1.4和1.6時不同電壓有效值下的平均火焰傳播速度及其相比于未加載電壓時的增大程度?。從表2可以看出：加載電壓后的平均火焰傳播速度與未加載電壓時的相比有了明顯提高，且電壓有效值越大，提高的幅度越明顯，這種規律在混合氣越稀時尤為明顯，例如當= 5 kV，為1.2，1.4和1.6時，?分別為32.39%，61.63%和74.14%，由表1可知：混合氣越稀，火焰在電場中傳播的時間越長，電場對火焰的影響越大。

λ：1—1.2；2—1.4；3—1.6。

表2 f=40 Hz且λ為1.2，1.4和1.6時的平均火焰傳播速度及其增大率

2.4 燃燒壓力

為了更好地比較不同電壓有效值的低頻交流電場對預混稀燃火焰燃燒壓力的促進作用，燃燒壓力采用歸一化方式獲得相對燃燒壓力增大率，其定義為

式中：為加載低頻交流電壓后的瞬時燃燒壓力；0為未加載電壓時的瞬時燃燒壓力。

圖9所示為當=40 Hz且=1.6時不同電壓有效值下的相對燃燒壓力增大率隨時間的變化。從圖9可以看出：加載交流電壓后的燃燒壓力與未加載電壓時的相比有了較大幅度提高，且電壓有效值越大，壓力增加的幅度越大，峰值出現時間也提前得越多，由此可見，低頻交流電場對火焰燃燒有一定的促進作用，且電壓有效值越大，促進的效果越明顯。從圖9還可以看出：相對燃燒壓力增大率隨時間呈現出先增大后減小的趨勢。這主要是因為燃燒初期，容彈內的燃料相對充足，電場對火焰傳播的促進作用明顯；隨著燃燒的進行，容彈內的燃料逐漸被消耗，電場對火焰的促進作用沒有比開始時明顯，又由于容彈內壁等的傳熱，火焰燃燒壓力增勢逐漸降低。

電壓/kV：1—0；2—1；3—2；4—3；5—4；6—5。

表3所示為當=40 Hz且為1.2，1.4和1.6時不同電壓有效值下的相對燃燒壓力增大率的最大值及其出現時間max。從表3可以看出：當過量空氣系數一定時，隨著電壓有效值的增大，越大，max越小，由此可見，電壓有效值越大，火焰傳播受到的促進作用越大；當電壓有效值一定時，隨過量空氣系數的增大而增大，例如當=5 kV，為1.2，1.4和1.6時，分別為0.44，0.56和0.65。由此可見，混合氣越稀，電場對火焰燃燒壓力的影響越明顯。

表3 f=40 Hz且λ為1.2，1.4和1.6時的相對燃燒壓力增大率的最大值φmax及其出現時間tmax

3 結論

1) 在40 Hz交流電壓作用下，火焰在水平方向得到拉伸，拉伸程度隨著電壓有效值的增大而增大。當電壓有效值一定時，混合氣越稀，火焰拉伸越明顯。

2) 在40 Hz交流電壓作用下，火焰傳播速度和燃燒壓力與未加載電壓時的相比均有所提高，且電壓有效值越大，提高的幅度越大。與未加載電壓相比，當過量空氣系數=1.6，電壓有效值為1，2，3，4和5 kV時，平均火焰傳播速度分別提高17.24%，32.76%，46.55%，55.17%和74.14%，相對燃燒壓力增大率的最大值分別為0.19，0.24，0.36，0.49和0.65。

3) 混合氣越稀，火焰在電場中停留的時間越長，電場對火焰的促進作用越明顯。與未加載電壓相比，當頻率=40 Hz，電壓有效值=5 kV，過量空氣系數為1.2，1.4和1.6時，平均火焰傳播速度分別提高32.39%，61.63%和74.14%，相對燃燒壓力增大率的最大值分別為0.44，0.56和0.65。

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(編輯 楊幼平)

Effects of low-frequency alternating electric fields at frequency of 40 Hz on lean methane/air flames

CUI Yuchen1, DUAN Hao1, ZHANG Cong1, 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 723001, China)

An experiment was conducted under a lean combustion conduction to investigate the influences of low-frequency alternating electric fields of different voltage virtual values on the flame propagation and combustion characteristics of premixed CH4/air mixtures at the excess air ratio() of 1.2, 1.4 and 1.6, room temperature and atmospheric pressure. The results show that the effect of electric field on the flame is greater when the mixture is diluted. The flame is stretched in the horizontal when low-frequency alternating electric field at the frequency of 40 Hz is applied in the electrodes and the flame is stretched more severely when the voltage virtual value increases. Both the average flame propagation speed and the combustion pressure increase as the voltage virtual value increases. Compared with those without the applied voltage, when the excess air ratio is 1.6, the average flame propagation speeds at the voltage virtual value of 1, 2, 3, 4 and 5 kV increase by 17.24%, 32.76%, 46.55%, 55.17% and 74.14%; the maxima of the increasing rate of relative combustion pressure are 0.19, 0.24, 0.36, 0.49 and 0.65, respectively.

low-frequency alternating electric field; voltage virtual value; constant volume combustion bomb; flame propagation characteristics; combustion pressure

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.034

TK431

A

1672?7207(2017)01?0255?07

2016?01?18；

2016?03?03

國家自然科學基金資助項目(51176150, 51476126)；清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室開放基金資助項目(KF14122) (Projects(51176150, 51476126) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(KF14122) supported by Open-end Fund of State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy of Tsinghua University)

吳筱敏，教授，博士生導師，從事發動機工作過程，燃燒與電場，燃燒測量和控制等研究；E-mail: xmwu@mail.xjtu.edu.cn