交流電場(chǎng)電壓幅值對(duì)球形火焰影響的理論研究

張聰,侯俊才,段浩,李超,吳筱敏,2

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.陜西理工學(xué)院陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,723001,陜西漢中)

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交流電場(chǎng)電壓幅值對(duì)球形火焰影響的理論研究

張聰1,侯俊才1,段浩1,李超1,吳筱敏1,2

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.陜西理工學(xué)院陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,723001,陜西漢中)

為了獲得高頻交流電場(chǎng)電壓幅值對(duì)球形擴(kuò)展火焰的影響因素,運(yùn)用電磁學(xué)原理進(jìn)行了研究,得出:以兩網(wǎng)狀電極為底面的圓柱體中任意一點(diǎn)在任意時(shí)刻產(chǎn)生的電磁能量大小與交流電電壓有效值的平方成正比,與該點(diǎn)到圓柱體軸心的距離成正比,在圓柱體中電磁能量密度沿徑向遞減;電磁能量產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電化學(xué)效應(yīng)可提高火焰平均傳播速度,電磁能量密度的不均分布會(huì)引起火焰變形。同時(shí),通過對(duì)常溫、常壓下定容燃燒彈中3種過量空氣系數(shù)的甲烷-空氣預(yù)混球形擴(kuò)展火焰的平均傳播速度和形狀變化與加載交流電壓有效值的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明:當(dāng)電壓有效值小于2 kV時(shí),電磁能量以熱效應(yīng)的方式促進(jìn)火焰?zhèn)鞑?當(dāng)電壓有效值大于2 kV時(shí),電磁能量以電化學(xué)效應(yīng)的方式促進(jìn)燃燒;實(shí)驗(yàn)中電磁能量密度的不均勻分布導(dǎo)致了火焰橫向拉伸。該結(jié)果可為高頻電場(chǎng)助燃研究提供新的思路和方法

高頻交流電場(chǎng);球形擴(kuò)展火焰;平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?電磁能量

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇,有效提高能源利用率成為迫在眉睫的任務(wù)。電場(chǎng)助燃技術(shù)以其促進(jìn)燃燒達(dá)到高效率、低污染的特點(diǎn)引起越來越多學(xué)者的廣泛關(guān)注。Jaggers等發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣仍陔妶?chǎng)作用下顯著提高[1]。后續(xù)大量學(xué)者應(yīng)用各種不同類型火焰的研究結(jié)果驗(yàn)證了電場(chǎng)能夠提高火焰?zhèn)鞑ニ俣萚2-4]。除此之外,電場(chǎng)對(duì)提高火焰穩(wěn)定性[5-7]和減少碳煙排放[8-11]同樣效果明顯。孟祥文等人通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了直流電場(chǎng)強(qiáng)度和高壓電極結(jié)構(gòu)對(duì)球形擴(kuò)展傳播火焰的影響,并將該影響合理地解釋為離子風(fēng)效應(yīng)[12-13]。Min等人的研究表明,在交流電場(chǎng)中火焰受離子風(fēng)效應(yīng)的影響隨著電場(chǎng)頻率的增加呈遞減趨勢(shì),當(dāng)電場(chǎng)頻率高于1 kHz時(shí),離子風(fēng)效應(yīng)已經(jīng)微乎其微[14],這意味著高頻交流電場(chǎng)對(duì)燃燒的促進(jìn)作用需要新的機(jī)理進(jìn)行解釋。Timothy等人發(fā)現(xiàn),高頻電場(chǎng)的能量對(duì)燃燒過程中氧氣的分解產(chǎn)生電化學(xué)的作用促進(jìn)了燃燒[15-16]。張揚(yáng)等人研究發(fā)現(xiàn),火焰形變隨電壓幅值呈非單調(diào)性變化,并把這一變化的原因歸結(jié)為熱效應(yīng)、離子風(fēng)效應(yīng)和電化學(xué)效應(yīng)[17]。以上研究結(jié)果表明,熱效應(yīng)和離子風(fēng)效應(yīng)可能是高頻交流電場(chǎng)的助燃機(jī)理,但這兩種效應(yīng)對(duì)火焰的影響隨高頻交流電場(chǎng)變化的關(guān)系卻并不明確。

本文引入電磁學(xué)經(jīng)典理論推導(dǎo)出定容燃燒裝置中電磁能量密度分布趨勢(shì)和能量隨電壓幅值和頻率的變化公式,對(duì)熱效應(yīng)和電化學(xué)效應(yīng)作用于火焰的影響隨高頻交流電場(chǎng)產(chǎn)生的電磁能量的變化關(guān)系加以研究,并通過在定容燃燒裝置中加入高頻交流電場(chǎng)的甲烷-空氣稀燃火焰實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,以期為高頻電場(chǎng)助燃研究提供新的思路和方法。

1 理論研究

1.1 高頻交流電場(chǎng)產(chǎn)生的電磁能量

以兩網(wǎng)狀電極為底面的圓柱體的研究區(qū)域1如圖1所示。兩網(wǎng)狀電極間接有正弦變化的高頻交流電源,此時(shí)兩網(wǎng)狀電極相當(dāng)于一組平行板電容器,研究區(qū)域1(以下簡(jiǎn)稱為區(qū)域1)內(nèi)任意兩點(diǎn)在任意時(shí)刻的電場(chǎng)強(qiáng)度相等、方向相同,且任意一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間成正弦變化,方向由正電壓正極板指向負(fù)極板。

麥克斯韋方程組在開放空間中的磁場(chǎng)環(huán)路定理的微分形式為

(1)

式中:H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;ε為電介質(zhì)常數(shù)。從式(1)可以發(fā)現(xiàn),受區(qū)域1中正弦變化的電場(chǎng)激發(fā),磁場(chǎng)將環(huán)繞電場(chǎng)產(chǎn)生。為了確定區(qū)域1中不同位置磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小,確定了區(qū)域1中任意與網(wǎng)狀電極平行的截面(研究區(qū)域2,見圖1),引入麥克斯韋方程組在開放空間中的磁場(chǎng)環(huán)路定理的積分形式

(2)

圖1 研究區(qū)域示意圖

式中:L為圖1中半徑為r的圓周長(zhǎng);s為半徑為r的圓面積。對(duì)式(2)以半徑為r的圓面進(jìn)行積分,使之成為在任意時(shí)刻不隨位置變化的量,則有

(3)

式(3)表明,在區(qū)域2中,任意時(shí)刻的磁場(chǎng)隨著半徑的增大而增大,這說明靠近區(qū)域2邊界附近的區(qū)域產(chǎn)生的磁場(chǎng)將遠(yuǎn)大于圓心處產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因?yàn)閰^(qū)域2為區(qū)域1中任意橫截面,因而區(qū)域2中的結(jié)論適用于整個(gè)區(qū)域1,即區(qū)域1中的磁場(chǎng)以圓柱軸線為起點(diǎn)呈徑向分布,且隨著半徑的增大而增大,并在圓柱體表面附近達(dá)到最大。

區(qū)域1中任意時(shí)刻的電場(chǎng)強(qiáng)度

(4)

式中:ω=2πf,f為電場(chǎng)頻率;U0為交流電壓峰值;d為兩網(wǎng)狀電極之間的距離。由式(3)可知,任意時(shí)刻磁場(chǎng)強(qiáng)度

(5)

電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間中相互作用產(chǎn)生電磁能量,并以輻射的形式充滿區(qū)域1。在電磁學(xué)中電磁能量的大小由坡印亭矢量[18]來表征,區(qū)域1中任意一點(diǎn)在任意時(shí)刻產(chǎn)生的電磁能量為

(6)

從式(6)中我們得出本文最重要的結(jié)論,即:區(qū)域1中任意一點(diǎn)在任意時(shí)刻產(chǎn)生的電磁能量大小與交流電壓幅值的平方成正比,與該點(diǎn)到區(qū)域1軸心的距離成正比;電磁能量的大小隨時(shí)間正弦變化。這一結(jié)論將成為接下來電磁能量密度推導(dǎo)和提高電壓幅值促進(jìn)燃燒理論的依據(jù)。

1.2 高頻交流電場(chǎng)產(chǎn)生的電磁能量分布

電場(chǎng)中產(chǎn)生的電磁能量是徑向傳播的,式(6)顯示電磁能量的傳播方向?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的叉積方向。區(qū)域2中任意一點(diǎn)(見圖1中點(diǎn)A)的電磁能量傳播方向(由式(6)可知)應(yīng)為該點(diǎn)沿徑向指向圓心,同理可以推得區(qū)域1中任意一點(diǎn)電磁能量傳播方向?yàn)樵擖c(diǎn)沿徑向指向軸心,因此區(qū)域1距離軸心的位置越近,該區(qū)域接收到的來自其他區(qū)域的電磁能量越大,所以區(qū)域1中的電磁能量呈現(xiàn)從軸心沿徑向的分布,且沿徑向呈遞減的趨勢(shì),如圖2所示。

圖2 區(qū)域1坡印亭矢量正半周期電磁能量分布示意圖

由于坡印亭矢量為正弦變量,因而在負(fù)半周期內(nèi)電磁能量的傳播方向?qū)⑴c正半周期相反,即區(qū)域1內(nèi)任意一點(diǎn)電磁能量的方向?qū)⒀貜较虼怪敝赶驁A柱柱面,此時(shí)電磁能量分布形式將呈現(xiàn)沿軸心徑向分布,且隨著半徑的增大而增大。由于靠近軸心處的電磁能量小于靠近柱面處的能量,因而靠近柱面的電磁能量密度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靠近軸心處的密度。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖3所示。定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)和點(diǎn)火電路相互配合完成甲烷-空氣混合氣的燃燒,容彈內(nèi)交變電磁場(chǎng)由高頻交流電源提供,火焰?zhèn)鞑サ恼麄€(gè)過程由高速紋影攝像機(jī)記錄。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

定容燃燒彈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。定容燃燒彈整體由45號(hào)碳鋼加工而成,燃燒彈的內(nèi)腔為圓柱體結(jié)構(gòu)(Φ130 mm×130 mm)。圓柱體內(nèi)腔上鑲嵌著一層厚度為8.5 mm的聚四氟乙烯絕緣套。內(nèi)腔的水平方向?qū)ΨQ分布45號(hào)鋼制圓形網(wǎng)狀平板電極,間距為70 mm,電極直徑為60 mm。內(nèi)腔的豎直方向?qū)ΨQ分布45號(hào)鋼制點(diǎn)火電極,間距為2 mm,點(diǎn)火電極的直徑為2 mm。

(a)定容燃燒彈 (b)圓形網(wǎng)狀平板電極

(c)點(diǎn)火電極 單位:mm圖4 電極和容彈結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中采用了美國(guó)Redlake公司生產(chǎn)HG-100K型高速攝像機(jī),拍攝速度高達(dá)5 000幀/s,選用了Wisman公司生產(chǎn)的WPS20P20型高壓交流電源,輸出電壓范圍為0～20kV,功率范圍為1.5～45W,輸出電壓變化為±10%。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

常溫、常壓下向定容燃燒彈中充入過量空氣系數(shù)λ=1.2,1.4,1.6的甲烷-空氣混合氣并靜置2min以消除混合氣擾動(dòng)。待混合氣均勻混合后,向網(wǎng)狀電極分別施加頻率f=15kHz、電壓有效值(下文簡(jiǎn)稱電壓)U=1,2,3,4,5kV的交流電壓。按下點(diǎn)火按鈕的同時(shí)高速攝像機(jī)和壓力傳感器開始采集燃燒數(shù)據(jù),燃燒結(jié)束后用真空泵抽氣1/2min,以保證下次實(shí)驗(yàn)不受燃燒廢氣的影響。每個(gè)工況點(diǎn)完成3次上述操作,并取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

本實(shí)驗(yàn)主要研究了電場(chǎng)對(duì)軸線火焰?zhèn)鞑サ挠绊?忽略了電場(chǎng)對(duì)縱向火焰?zhèn)鞑サ挠绊?因此本文定義的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xL為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

(7)

L1和L2由紋影照片確定,如圖5所示。

圖5 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x示意圖

當(dāng)L<6 mm時(shí),受點(diǎn)火能量的影響火焰的發(fā)展會(huì)產(chǎn)生波動(dòng);當(dāng)L>25 mm時(shí),容彈內(nèi)溫度、壓力和網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)的變化對(duì)火焰產(chǎn)生影響[19],因此本文中L的范圍為6～25 mm。

SL=dL/dt

(8)

(9)

(10)

式中:t為火焰?zhèn)鞑r(shí)間;SLi為i點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?S0為未加載電場(chǎng)時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 火焰?zhèn)鞑D像分析

λ=1.6、U=1,2,3,4,5 kV時(shí)的火焰?zhèn)鞑D像如圖6所示。由圖可見:未加載電壓時(shí)火焰呈球形傳播,火焰沿各個(gè)方向的傳播速度相同;當(dāng)電壓從0增加到2 kV 時(shí),火焰依然呈球形傳播,只是球形半徑略有增加,這說明火焰沿各個(gè)方向的傳播速度隨著電壓的增加而有所增大;當(dāng)電壓增加到3 kV時(shí),火焰形狀由球形逐漸變化成橢球形,說明火焰在水平方向上得到拉伸,即水平方向的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?當(dāng)電壓增加到5 kV時(shí),火焰的橫向拉伸更加明顯。

電壓從0增加到2 kV時(shí)火焰沒有明顯的橫向拉伸,這是電磁能量與電壓幅值的平方成正比的緣故,見式(6)。當(dāng)電壓比較小時(shí),加載在兩電極之間的電磁能量不大,這部分電磁能量可能無法對(duì)燃燒過程中的中間反應(yīng)物產(chǎn)生電化學(xué)效應(yīng),但卻可以轉(zhuǎn)化為熱能通過熱效應(yīng)來提高反應(yīng)區(qū)的溫度,溫度的提高使得化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)增大,因而燃燒反應(yīng)加快,平均火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?表現(xiàn)為球形半徑增大。

當(dāng)電壓增加到3 kV時(shí),電磁能量進(jìn)一步加大,燃燒反應(yīng)的中間產(chǎn)物吸收這部分能量后可能被激勵(lì)到更高能級(jí),使得接下來的化學(xué)反應(yīng)需要的能量更少,進(jìn)而達(dá)到了降低化學(xué)反應(yīng)活化能的目的,表現(xiàn)為交流電場(chǎng)對(duì)火焰的電化學(xué)效應(yīng)。當(dāng)電壓進(jìn)一步增大到5 kV時(shí),與電壓平方成正比關(guān)系的電磁能量迅速增大,帶來更顯著的電化學(xué)效應(yīng),而電磁能量在區(qū)域1中沿徑向的遞減分布(見圖2)導(dǎo)致電化學(xué)效應(yīng)沿徑向遞減,從而造成了火焰面橫向被明顯拉伸。

由圖6還可以看出,火焰受電磁能量影響的主要區(qū)域?yàn)榭拷鼌^(qū)域1軸心附近的區(qū)域,靠近區(qū)域1柱面的區(qū)域?qū)鹧鎺缀鯖]有影響,而當(dāng)坡印亭矢量為負(fù)半周期時(shí),區(qū)域1中電磁能量主要分布在靠近柱面的區(qū)域,這說明坡印亭矢量為負(fù)半周期時(shí)電磁能量對(duì)于火焰的影響很小,可以忽略。

圖6 λ=1.6、f=15 kHz時(shí)不同電壓下的火焰?zhèn)鞑D像

3.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?/p>

f=15 kHz、λ=1.2,1.4,1.6時(shí)平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入S交流電壓的變化如圖7所示。結(jié)合表1看,在3種過量空氣系數(shù)下,平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入S電壓的增大而增大。當(dāng)電壓從0增大到2 kV時(shí),平均火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣呔徛?這是交流電場(chǎng)對(duì)火焰產(chǎn)生熱效應(yīng)的結(jié)果,此時(shí)電化學(xué)效應(yīng)還未出現(xiàn)。

圖7 f=15 kHz,λ=1.2,1.4,1.6時(shí)平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入S電壓的變化

U/kVSL/m·s-1ΔSL/%λ=1.2SL/m·s-1ΔSL/%λ=1.4SL/m·s-1ΔSL/%λ=1.601.140.770.5111.161.750.803.900.545.8821.183.510.837.800.569.8031.237.890.9118.180.6731.3741.3316.671.0232.470.8464.7151.4325.441.1448.050.9892.08

(11)

(12)

4 結(jié) 論

通過交流電場(chǎng)對(duì)火焰鋒面加載電磁能量,使得燃燒產(chǎn)生熱效應(yīng)和電化學(xué)效應(yīng),進(jìn)而促進(jìn)燃燒,并表現(xiàn)為火焰鋒面變形和平均火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?。由電磁學(xué)理論的推導(dǎo)和理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)合得到以下結(jié)論。

(1)提高電壓幅值,在λ=1.2,1.4,1.6工況下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣染玫教岣?λ=1.6時(shí)提高得最為明顯。與未加載電場(chǎng)相比,λ=1.6、f=15 kHz、U=5 kV工況下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣茸疃嗫商岣?2.08%。

(2)本實(shí)驗(yàn)中電壓小于2 kV時(shí)對(duì)燃燒的影響主要為熱效應(yīng),當(dāng)電壓大于2 kV時(shí)該影響主要為電化學(xué)效應(yīng)。

(3)在以兩網(wǎng)狀電極為底面的圓柱體區(qū)域內(nèi),高頻交流電提供的電磁能量以軸心為起點(diǎn)沿徑向遞減分布,因而靠近軸線的火焰鋒面吸收到更多的電磁能量,產(chǎn)生更明顯的電化學(xué)效應(yīng),從而造成平均火焰?zhèn)鞑ニ俣妊匕霃竭f減分布,最終導(dǎo)致火焰變形,即火焰橫向拉伸。

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李春艷,高忠權(quán),劉兵,等.電極位置與電極面積對(duì)離子電流影響的試驗(yàn)研究.2015,49(7):55-60.[doi:10.7652/xjtuxb 201507010]

崔雨辰,段浩,李超,等.電場(chǎng)分布對(duì)球形傳播火焰變形率的影響.2015,49(5):49-55.[doi:10.7652/xjtuxb201505008]

孫天旗,劉杰,段浩,等.不同電極下電場(chǎng)對(duì)甲烷/空氣稀燃火焰影響的試驗(yàn)研究.2015,49(3):38-43.[doi:10.7652/xjtuxb 201503007]

劉兵,李春艷,孫天旗,等.離子電流法測(cè)量CH4/H2混合氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶?shí)驗(yàn)研究.2015,49(1):40-45.[doi:10.7652/xjtuxb201501007]

于會(huì)賓,胡二江,楊柯,等.碳酸二甲酯層流火焰特性的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究.2014,48(11):25-31.[doi:10.7652/xjtuxb2014 11005]

段浩,房建峰,孫天旗,等.不同電極結(jié)構(gòu)下電場(chǎng)對(duì)甲烷/空氣火焰的影響.2014,48(9):62-67.[doi:10.7652/xjtuxb201409 011]

(編輯 苗凌)

Effects of AC Electric Field Voltage Amplitude on Spherical Flame

ZHANG Cong1,HOU Juncai1,DUAN Hao1,LI Chao1,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)

To find out the influence factors of high frequency AC electric field voltage amplitude on spherically expanding flame, the basic principles of electromagnetism are used to conclude that the value of electromagnetic energy gets proportional to the square of RMS AC voltage and the distance to the axial in the cylinder with two mesh electrodes as its bottom surfaces at any time; the electromagnetic energy density decreases radially in the cylinder; the thermal and electrochemical effects produced by electromagnetic energy promotes the the average flame propagation rate, and the uneven distribution of electromagnetic energy density leads to a flame deformation. An experiment is conducted to investigate the relationship between RMS AC voltage and the average flame propagation rate/deformation of premixed CH4-air mixture flame at room temperature and 3 kinds of excess air ratio, under atmospheric pressure and high frequency AC electric fields. The results show that when RMS AC voltage is lower than 2 kV, thermal effect produced by electromagnetic energy promotes the average flame propagation rate, and when RMS AC voltage is higher than 2 kV, electrochemical effect promotes the average flame propagation rate, and the uneven distribution of electromagnetic energy density leads to transverse stretch of the flame.

high frequency AC electric field; spherically expanding flame; average flame propagation speed; electromagnetic energy

2015-03-31。

張聰(1990—),男,碩士生;吳筱敏(通信作者),女,教授,博士生導(dǎo)師。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176150,51476126);清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(KF14122)。

時(shí)間:2015-08-13

10.7652/xjtuxb201511006

TK431

A

0253-987X(2015)11-0033-06

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