正直流電場對球形火焰影響的機理分析

孟浩, 楊猛, 何子奇, 魏旭星, 吳筱敏

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

天然氣相對于汽油燃燒速度慢、燃燒穩定性較差的問題限制了天然氣發動機更廣泛的應用,電場助燃技術因可以增強天然氣火焰穩定性[1-2]、提高火焰傳播速度[3-4]、有效降低污染物排放[5-6]而得到廣泛關注,國內外學者對其作用機理也進行了深入的研究。在球形火焰中由于化學離子化的作用在鋒面反應區內產生大量正離子與電子[7],故國內外部分學者認為電場主要通過作用于正離子形成的正離子風效應以及作用于電子形成的電化學效應影響燃燒[1-4]。試驗研究表明,正直流電場對火焰也有明顯促進作用,由于正電場下正離子風方向與火焰傳播方向相反無法促進火焰傳播,因此一般認為正直流電場主要通過電化學效應促進燃燒[8]。然而,Kim等在對低頻交流電場影響本生燈火焰的研究中發現了雙離子風效應(正離子風與負離子風的耦合效應)的存在[2],說明正直流電場下還會產生負離子風效應,但目前的研究并不能確定哪種效應在正直流電場影響火焰過程中占據主導。

研究表明,負直流電場主要通過正離子風效應促進火焰傳播[4,9],高頻交流電場主要通過電化學效應加速燃燒[10-11],因此將正直流電場與另外兩種電場的助燃效果進行對比研究將有助于確定正電場助燃的主導效應。本文選取了過量空氣系數λ為1.2、1.4、1.6的預混稀燃氣,在303.975 kPa初始壓力下,分別施加幅值為5 kV的正/負直流電壓以及有效值為5 kV、頻率為15 kHz的高頻交流電壓,通過對比直流正電場與另外兩種電場下球形傳播火焰的傳播特性的異同,最終確定正電場輔助燃燒的機理。

1 實驗裝置與方法

該定容燃燒裝置由定容燃燒彈、配氣機構、點火電路、高速紋影攝像系統、燃燒壓力采集系統、高壓電源及其電路系統組成,如圖1所示。定容燃燒彈的結構如圖2所示。實驗所用的定容燃燒彈內徑為140 mm、長為180 mm,容彈內裝有聚四氟乙烯材質的絕緣套,絕緣套內徑為130 mm、外徑為140 mm、長為180 mm。兩個點火電極在容彈內豎直對稱安裝,間距為2 mm、直徑為2 mm,材質為45號鋼。點火電極既能通過火花放電形成火核,也充當外加交流電場的一極。一對網電極由45號鋼鍛造而成,形狀為外徑為60 mm的圓盤,網格大小為8.5mm×8.5 mm,水平對稱地安裝在距點火電極35 mm處,將其與高壓電源連接,與點火電極構成點-網電場分布結構。

圖1 實驗裝置圖

圖2 定容燃燒彈與電極

實驗用高壓電源為威思曼高壓電源(咸陽)公司生產的高穩定精密DEL系列高壓電源,高頻交流高壓電源型號為WPS20P20,輸出0～20 kV電壓連續可調。負直流高壓電源型號為DEL30N45,輸出0～-30 kV電壓連續可調。正直流高壓電源型號為DEL15P15,輸出0～15 kV電壓連續可調。實驗中采用了美國Redlake公司生產的HG-100K型高速攝像機,每幀圖像的拍攝間隔為0.2 ms。

2 實驗結果

2.1 電場數值模擬結果

本文利用ANSOFT Maxwell 14.0工程電磁場有限元分析軟件對不同電場下的空間靜電場進行數值仿真,得到了其對應的電場強度分布。

圖5 3種電場下火焰傳播圖片

2.1.1 電場強度幅值和矢量空間分布 圖3為加載不同電壓后容彈中心截面電場強度和電場線分布的數值模擬結果。從圖中可以看出,加載電壓后,電極間的電場線方向近似水平,直流正電場與負電場、高頻交流電場的波峰與波谷時刻下容彈內的電場線方向正好相反。加載正/負直流電壓時容彈內電場強度分布幾乎完全相同,電極間電場強度變化不大。同樣,在加載的高頻交流電壓波峰和波谷時刻容彈內也有相同的電場強度分布。

(a)直流正電壓 (b)直流負電壓

(c)高頻交流電壓波峰 (d)高頻交流電壓波谷圖3 不同加載電壓下的電場數值模擬結果

圖4 不同電壓下容彈內沿中心水平軸線的電場強度分布

2.1.2 高壓電極中心水平軸線上電場強度分布 圖4為加載不同電壓后電場強度沿中心水平軸線的分布,其中正/負直流電壓、高頻交流電壓波峰/波谷時刻下場強分布相同。由圖可見,無論加載何種高壓電場,隨著離容彈中心處距離d的增加,電場強度均呈現出先減小后增大的趨勢,但是場強值變化幅度較小。

2.2 火焰傳播圖像

圖5給出了3種不同電壓下火焰傳播的對比圖片。由圖可見:當λ為1.2時,3種電場下的火焰水平前鋒面拉伸均較小且相近;當λ為1.4時,直流正/負電場的拉伸作用開始強于高頻交流電場;當λ為1.6時,火焰鋒面在高頻交流電場下的變化依然較小,而在直流正/負電場下則出現了明顯的形變。因此,在火焰傳播圖片的對比上,正直流電場與負直流電場保持了較好的一致性。

2.3 水平方向火焰傳播速度

SL=dL/dt

(1)

(2)

(3)

式中:t為火焰傳播時間;S0為未加載電場時的火焰傳播速度;L25=25 mm;L6=6 mm。

圖6 火焰傳播距離示意圖

圖7給出了加載不同電壓時水平傳播速度隨距離變化的曲線。由圖可見,當λ不變時,高頻交流電場下SL隨L先減小后增大,并與圖4交流電場下E-d曲線變化相似。這是由于電化學效應下SL正相關于E,且電化學效應影響燃燒存在遲滯性,使SL-L曲線滯后E-d曲線1～2 mm。負直流電場下SL隨L有增大的趨勢,這是正離子風不斷積累發展的結果。對比直流正電場下SL-L曲線,可明顯看出其與加載直流負電場時有幾乎相同的變化規律。

(a)λ=1.2

(b)λ=1.4

(c)λ=1.6圖7 不同電場下火焰水平傳播速度隨傳播距離的變化

圖8 加載不同電壓后平均火焰傳播速度的變化率隨過量空氣系數的變化

3 直流正電場助燃機理分析

由于火焰中存在大量正離子,目前為止一直假設對離子風效應負責的帶電粒子是正離子,但是由于電子與中性粒子吸附反應的存在,稀燃火焰中負離子與正離子濃度比相當可觀,加載正直流電場后,由于電場使電子能量升高,促進了電子與電負性物質的吸附反應。同時,大量電子遷移到焰前預熱區參與生成負離子,預熱區的低溫環境延長了負離子的存在時間,使火焰中的負離子濃度進一步提高。

圖9給出了預混層流甲烷火焰中總的正、負離子濃度分布曲線[15]。由圖可見,即使稀燃火焰中負離子與正離子濃度比較濃燃火焰有了明顯升高,火焰中負離子濃度仍小于正離子,因此正電場對火焰傳播的促進作用弱于負電場,但圖7中當λ為1.6時,正直流電場的促進效果超過了負直流電場,這是因為負離子風的形成機理與正離子風有較大差別。

(a)稀混合氣

(b)濃混合氣圖9 甲烷/氧氣火焰中總的正、負離子濃度分布曲線[15]

根據火焰中帶電粒子分布理論[15-17],圖10a模擬了正直流電場下球形火焰中負離子的分布以及負離子風發展狀況。如圖所示,負離子主要在火焰鋒前預熱區內通過電子與中性粒子的吸附反應生成,加載正直流電場后負離子沿水平方向遷移形成負離子風,且由于越靠近豎直中心負離子受電場作用時間越長、負離子風發展程度越高,電場的促進作用也越明顯。圖10b給出了現有研究中正離子風發展模擬圖[18],加載負直流電場后火焰中正離子沿火焰鋒面遷移,當正離子風發展到一定程度會形成渦流[18],渦流的出現阻礙了火焰水平鋒面中心的傳播速度。當λ為1.6時,由于火焰傳播時間長,正負離子風都有了較高程度的發展,正是正離子風產生的渦流使正直流電場對火焰傳播的促進作用超過負直流電場。

正直流電場下負離子風的形成機理表明了其應用場景,燃料越稀,火焰中負離子濃度占比越高,負離子風效應越強,正直流電場較另外兩種電場的促進效果越明顯。因此,對λ≥1.6的稀薄混合氣,應優先選擇正直流電場來輔助燃燒。

(a)加載正直流電場

(b)加載負直流電場圖10 直流電場下的火焰鋒面反應區離子分布以及離子風發展

4 結 論

(2)負離子風效應與正離子風效應在形成機理與作用效果上都存在區別?；鹧嬷姓x子主要通過化學離子化作用生成,負離子主要通過電子與中性分子的吸附反應生成,這使得正離子風發展到一定程度后會在火焰鋒面內形成渦流阻礙其促進效果,而負離子風則隨著發展程度的提高逐步增強其促進效果。

(3)燃料越稀,正直流電場較另外兩種電場的助燃效果越明顯。對λ≥1.6的稀薄混合氣,應加載正直流電場輔助燃燒。