負(fù)電場下點(diǎn)電極和網(wǎng)狀電極對(duì)預(yù)混稀燃火焰的影響

康嬋，楊星，劉杰，孟祥文，房建峰，吳筱敏

（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，710049，西安）

20世紀(jì)90年代初，國內(nèi)外的學(xué)者開始對(duì)電場與火焰的關(guān)系進(jìn)行廣泛的研究，通過對(duì)本生燈、平板火焰、燭形火焰等在穩(wěn)定工況下的火焰分析，發(fā)現(xiàn)電場在提高火焰速度［1-3］、增加火焰穩(wěn)定性［4-6］、減少碳煙排放［7-8］等方面具有顯著的效果。定容裝置中的火焰作為一種基本的火焰類型，是一種燃燒機(jī)理較為復(fù)雜的瞬態(tài)火焰，因而在近年來才受到關(guān)注。Min等研究了定容燃燒彈中利用電場使得球形外擴(kuò)火焰表面破裂，來縮短火焰初始時(shí)間，但對(duì)燃燒持續(xù)時(shí)間影響不大［9］；Shinichi等研究發(fā)現(xiàn)，在平板電極的非均勻電場下，當(dāng)輸入電壓達(dá)到一定值時(shí)，定容裝置中火焰前鋒面出現(xiàn)了湍流，火焰底部的燃燒明顯增強(qiáng)［10］；Meng等通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得出，平板網(wǎng)狀電極下直流電場對(duì)甲烷-空氣預(yù)混層流火焰的燃燒特性提升具有顯著的作用［11］。上述研究僅針對(duì)平板電極電場對(duì)當(dāng)量比附近的混合氣火焰的影響，未涉及極限稀燃條件下不同電極的電場對(duì)火焰的影響。

本文在定容燃燒彈內(nèi)，以點(diǎn)電極和網(wǎng)狀電極加載直流負(fù)電壓的方式，對(duì)過量空氣系數(shù)φa=1.6的甲烷-空氣稀燃火焰?zhèn)鞑ズ腿紵匦赃M(jìn)行了定量分析，對(duì)比了在相同能耗下2種電極對(duì)火焰的作用，為電場對(duì)擴(kuò)散的非穩(wěn)定火焰的作用研究提供了數(shù)據(jù)，也為稀燃的性能指標(biāo)研究提供了新的思路和方法。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置，由定容燃燒彈系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和高壓電供給系統(tǒng)組成。定容燃燒彈整體由碳鋼澆鑄而成，其內(nèi)腔為Φ130mm×130mm的圓柱體，容彈內(nèi)有聚四氟乙烯加工而成的厚度為8.5mm的絕緣套，容彈兩側(cè)裝有厚度為30mm的石英玻璃。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

容彈中心上下端對(duì)稱地分布著一對(duì)外裹聚四氟乙烯的針狀電極，在火花點(diǎn)火后充當(dāng)?shù)仉姌O。圖2為容彈和電極結(jié)構(gòu)。針狀電極直徑為2mm，兩電極的間距為2mm。測量系統(tǒng)由壓力采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)組成。壓力傳感器為Kistler 4075A10壓電式低壓絕對(duì)壓力傳感器，采集頻率為20kHz，誤差小于±0.3%。數(shù)據(jù)采集儀為日本Yokogama公司的DL750型動(dòng)態(tài)測試儀，采樣頻率為10kHz。攝像機(jī)為美國Redlake公司的HG-100K型高速攝像機(jī)，拍攝速度為5 000幀／s。

實(shí)驗(yàn)中負(fù)電場采用Wisman DEL30N45負(fù)高壓電源（輸出電壓范圍為0～-30kV，最大輸出功率45W）提供，高壓電極是一對(duì)網(wǎng)狀電極和一對(duì)點(diǎn)電極。兩高壓電極對(duì)稱地布置在容彈中心的水平位置，間距為70mm。網(wǎng)狀電極為Φ20mm的45號(hào)鋼圓盤，點(diǎn)電極為Φ4mm的45號(hào)鋼實(shí)心柱體。

圖2 容彈和電極結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行，依次向燃燒彈中充入φa=1.6的甲烷和空氣，靜置90s以消除擾動(dòng)，與此同時(shí)加載電壓。點(diǎn)火的同時(shí)觸發(fā)測量系統(tǒng)，得到壓力、火焰燃燒距離與時(shí)間的關(guān)系。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的廢氣由真空泵抽出，并用空氣多次沖洗燃燒彈，以消除殘留廢氣對(duì)下次燃燒的影響。每個(gè)工況點(diǎn)至少重復(fù)3次，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差。

2 結(jié)果及分析

2.1 火焰?zhèn)鞑D像分析

圖3為φa=1.6時(shí)點(diǎn)電極和網(wǎng)狀電極下加載不同電壓所對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑D像。從圖中看出，2種電極下加載電壓后的火焰均出現(xiàn)了形變，變形的程度與加載電壓正相關(guān)。網(wǎng)狀電極時(shí)，火焰在橫向拉伸的同時(shí)縱向稍有壓縮；點(diǎn)電極時(shí)，火焰橫向、縱向均明顯拉伸。

圖3 φa=1.6時(shí)點(diǎn)電極和網(wǎng)狀電極下加載不同電壓所對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑D像

加載電壓使得火焰變形的原因是，加載電壓后電極（高壓電極）與針狀尖電極（地電極）形成了方向?yàn)橛傻仉姌O指向高壓電極的電場，在此電場的作用下，大量粒子沿電場方向定向遷移，該現(xiàn)象稱為離子風(fēng)效應(yīng)［11］。離子風(fēng)會(huì)使得火焰前鋒面在橫向與未燃區(qū)的傳質(zhì)和傳熱增強(qiáng)，從而促進(jìn)了火焰的橫向發(fā)展。離子風(fēng)效應(yīng)與高壓電極加載的電壓幅值正相關(guān)，因此火焰橫向拉伸的程度隨著加載電壓幅值的增加而增大。

網(wǎng)狀電極和點(diǎn)電極對(duì)火焰縱向發(fā)展影響的差異可能來自于電暈放電效應(yīng)［12］。電暈放電是指，高壓電極表面曲率半徑過大，在加載高壓時(shí)局部電場強(qiáng)度大于氣體的電離強(qiáng)度，使得氣體發(fā)生電離和激勵(lì)。以加載電壓-12kV為例，網(wǎng)狀電極的表面曲率半徑較小，其最高場強(qiáng)大致為0.518MV／m，而點(diǎn)電極附近的最高場強(qiáng)達(dá)到1.560MV／m［13］。本實(shí)驗(yàn)中網(wǎng)狀電極的最高場強(qiáng)不足以使氣體電離，不會(huì)產(chǎn)生電暈放電，因此加載電壓后離子風(fēng)效應(yīng)使得燃燒產(chǎn)生的離子被牽引到橫向的火焰前鋒面，縱向火焰前鋒面的離子濃度降低且反應(yīng)速度變慢，所以縱向火焰發(fā)展受到抑制。加載高壓（-10、-12kV）時(shí)，在點(diǎn)電極產(chǎn)生的電場中除了離子風(fēng)效應(yīng)外，還存在電暈放電效應(yīng)，該放電產(chǎn)生的正離子主要分布在點(diǎn)電極附近的負(fù)高壓電場內(nèi)，產(chǎn)生的電子將高速跑出包圍點(diǎn)電極的負(fù)高壓電場且速度大幅下降，并被中性粒子吸附而形成負(fù)離子。在電場的作用下，負(fù)離子加速向火焰前鋒面運(yùn)動(dòng)，局部火焰前鋒面與未燃區(qū)的傳質(zhì)和傳熱得以增強(qiáng)，離子風(fēng)效應(yīng)加劇，火焰前鋒面在接近電極時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈的皺褶和扭曲，形成湍流，使得更多未燃混合氣被卷吸到火焰區(qū)，從而促進(jìn)了火焰的全局發(fā)展，所以火焰縱向拉伸。

2.2 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

火焰的發(fā)展在橫向和縱向存在差異，為了研究加載電壓對(duì)橫向和縱向火焰的影響，本文將火焰橫向和縱向的傳播距離Rh和Rv分別定義為火焰前鋒面橫向和縱向最遠(yuǎn)處到容彈中心的距離，即Rh=（L1+L2）／2，Rv=（H1+H2）／2，如圖4所示。

圖4 2種電極下火焰橫向和縱向的傳播距離示意

火焰前鋒面相對(duì)于靜止的容彈壁面的運(yùn)動(dòng)速度定義為火焰?zhèn)鞑ニ俣?，?duì)于火焰橫向和縱向的傳播速度分別記為Sh和Sv，則

為了消除點(diǎn)火和燃燒壓力對(duì)火焰的影響，本文研究了Rh=5～25mm內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕?4］。圖5為φa=1.6，且在2種電極加載電壓U 分別為0、-5、-10、-12kV時(shí)火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時(shí)間的關(guān)系。從圖中可以看出：2種電極加載電壓后，同時(shí)刻的Rh均比不加載電壓時(shí)大，即U可以促進(jìn)火焰的橫向傳播，同時(shí)刻的Rh隨著加載電壓幅值｜U｜的增加而增大；網(wǎng)狀電極加載-5kV后，同時(shí)刻的Rv與未加載電壓時(shí)基本無差別，加載-10、-12kV電壓后，同時(shí)刻的Rv比未加載電壓時(shí)??；點(diǎn)電極加載電壓后，同時(shí)刻的Rv均比未加載電壓時(shí)有所增加，且在一定范圍內(nèi)隨著｜U｜的增加也有增加的趨勢。

圖6為2種電極下加載不同電壓時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xR的關(guān)系。從圖中可以看出：在2種電極下，未加載電壓時(shí)Sh和Sv差別不大，加載電壓后Sh有所增加且與｜U｜正相關(guān)；網(wǎng)狀電極下，Sv隨著｜U｜的增加而減小；點(diǎn)電極下，Sv在一定范圍內(nèi)隨著｜U｜的增加而增大。

圖5 2種電極加載不同電壓時(shí)火焰的傳播距離與時(shí)間的關(guān)系（φa=1.6）

定義火焰橫向平均傳播速度ˉSh為在Rh=5～25mm下火焰的傳播距離與火焰在該距離內(nèi)傳播所用時(shí)間t1之比；定義火焰縱向平均傳播速度ˉSv為時(shí)間t1內(nèi)火焰縱向前鋒面?zhèn)鞑サ木嚯x與t1之比。圖7為2種電極下ˉSh、ˉSv與｜U｜的關(guān)系。從圖中可以看出：在2種電極下，加載電壓后火焰的ˉSh均有較大幅度的增加，且隨｜U｜的增大而增加；網(wǎng)狀電極下，加載-5kV電壓時(shí)ˉSv幾乎不變（見如表1），而當(dāng)加載-10、-12kV電壓時(shí)，由于離子風(fēng)使得火焰前鋒面的離子沿水平方向運(yùn)動(dòng)，縱向火焰面的離子數(shù)減少，所以U對(duì)ˉSv有明顯的抑制作用；點(diǎn)電極下，在離子風(fēng)和電暈放電的作用下，U對(duì)ˉSv有促進(jìn)作用，特別是加載-12kV電壓時(shí)，火焰縱向傳播速度增幅ΔSv小于加載-5、-10kV電壓時(shí)的情況，這是由于加載-12kV電壓時(shí)，離子風(fēng)效應(yīng)強(qiáng)烈導(dǎo)致縱向火焰前鋒面的離子濃度減小的緣故。由表1可以看出：加載-12kV電壓時(shí)，網(wǎng)狀電極下ΔSh為58.3%，ΔSv為-22.8%；點(diǎn)狀電極下，ΔSh、ΔSv分別為55.5%和4.67%。由此得出，加載高電壓時(shí)，點(diǎn)電極對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇龠M(jìn)作用大于網(wǎng)狀電極。

圖6 2種電極加載不同電壓時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰?zhèn)鞑グ霃降年P(guān)系

圖7 火焰橫向、縱向傳播的平均速度與加載電壓的關(guān)系

表1 2種電極下平均速度及變化

2.3 燃燒壓力

圖8 加載電壓時(shí)火焰壓力與時(shí)間的關(guān)系

圖8為2種電極下U 分別為0、-5、-10、-12kV時(shí)火焰壓力與時(shí)間的關(guān)系。 從圖中可以看出：2種電極在加載電壓后的壓力峰值均比未加載電壓時(shí)高，峰值到達(dá)的時(shí)間縮短，說明2種電極下U對(duì)燃燒具有促進(jìn)作用。另外，網(wǎng)狀電極下，雖然加載電壓后壓力峰值均大于未加載電壓，但當(dāng)｜U｜大于5kV時(shí)，壓力峰值隨著｜U｜的增加而降低。其原因是，網(wǎng)狀電極下加載高電壓，火焰初期的橫向傳播速度明顯提高，使得火焰更早地與網(wǎng)狀電極接觸而導(dǎo)致傳熱損失增大，所以壓力峰值比加載-5kV電壓時(shí)小。點(diǎn)電極下，壓力峰值隨著｜U｜的增大而增大，峰值到達(dá)的時(shí)間縮短，這是離子風(fēng)效應(yīng)和電暈放電效應(yīng)共同作用的結(jié)果。其原因是，點(diǎn)電極下離子風(fēng)效應(yīng)使得Sh明顯增大，但是點(diǎn)電極的表面積很小，火焰橫向發(fā)展加快所增加的傳熱損失比較小，點(diǎn)電極下加載高電壓會(huì)產(chǎn)生電暈放電，使得火焰發(fā)生褶皺和湍流，這進(jìn)一步促進(jìn)了火焰的全局發(fā)展。

表2是2種電極下U 分別為0、-5、-10、-12kV時(shí)火焰壓力峰值和峰值到達(dá)時(shí)間與加載電壓的關(guān)系。表中顯示：當(dāng)加載-5kV電壓時(shí)，2種電極下壓力峰值增加幅度相當(dāng)，但點(diǎn)電極下峰值到達(dá)時(shí)間更早；當(dāng)加載-10、-12kV電壓時(shí)，網(wǎng)狀電極的壓力峰值增幅分別為2.4%、1.3%，峰值提前到達(dá)的時(shí)間分別為21.0、10.6ms，而點(diǎn)電極下壓力峰值增幅分別為9.8%、11.2%，峰值提前到達(dá)的時(shí)間分別為49.6、59.7ms。由表中結(jié)果得出，點(diǎn)電極下加載高電壓對(duì)火焰燃燒有促進(jìn)作用。

3 結(jié) 論

（1）2種電極下，火焰橫向傳播速度隨著加載電壓幅值的增大而增加。加載-5、-10、-12kV電壓時(shí)，網(wǎng)狀電極下火焰橫向傳播速度分別提高了28.3%、34.6%、58.3%，點(diǎn)電極下分別提高了25.1%、44.0%、55.5%。

（2）加載-5、-10、-12kV 電壓時(shí)，網(wǎng)狀電極下ΔSv分別為0.62%、-20.9%、-22.8%，點(diǎn)電極下 ΔSv分別為9.32%、17.20%、4.67%。

表2 火焰壓力峰值和峰值出現(xiàn)時(shí)間與加載電壓的關(guān)系

（3）2種電極下加載電壓后的壓力峰值均有所增大。當(dāng)加載-5、-10、-12kV電壓時(shí)，網(wǎng)狀電極下壓力峰值增幅分別為5.6%、2.4%、1.3%，點(diǎn)電極下壓力峰值增幅分別為6.4%、9.8%、11.2%。

（4）加載電壓后，2種電極對(duì)火焰燃燒都有明顯的促進(jìn)作用，加載高電壓（-10、-12kV）時(shí)，點(diǎn)電極的促進(jìn)作用較網(wǎng)狀電極更明顯。

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