電場極性對甲烷 空氣混合氣燃燒特性的影響?

房建峰,吳筱敏,趙海軍

(1.洛陽理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,洛陽 471023； 2.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,西安 710049)

前言

1 試驗裝置與方法

試驗裝置如圖1所示,該裝置包括定容燃燒彈、高速攝像與紋影光路系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高壓電場系統(tǒng)。定容燃燒彈是內(nèi)徑130mm、長度為130mm的圓柱型殼體,內(nèi)腔裝有壁厚5mm、長130mm的聚四氟乙烯套以隔斷定容彈中高壓電場與外界的聯(lián)系。定容彈前后兩邊裝有厚15mm的石英玻璃,為高速攝像及紋影光路系統(tǒng)提供光學(xué)通路。高速攝像機(jī)由美國REDLAKE公司生產(chǎn),型號為 HG-100K,其拍攝速度為10 000幀/s。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的壓力傳感器安裝在燃燒彈上,用于記錄燃燒過程中混合氣壓力的變化。外圍包有聚四氟乙烯的點(diǎn)火電極垂直對稱安裝在定容燃燒彈的中心處,用于點(diǎn)燃混合氣。在定容彈中產(chǎn)生高壓電場的電極為一對直徑為4mm的鋼針,對稱安裝在定容彈中心的水平方向,相互之間距離為70mm。與高壓電極聯(lián)接的電源為威思曼DEL系列直流高壓電源,正、負(fù)電源的輸出電壓分別可在0～30kV和0～-30kV之間調(diào)整。裝有高壓電極的燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

試驗時由供氣裝置向定容彈中充入過量空氣系數(shù)λ＝1.6的甲烷-空氣混合氣,加載高壓分別為0,±5,±10和±12kV。試驗在常溫常壓下進(jìn)行,用高速攝影儀拍照記錄火焰發(fā)展變化,用數(shù)據(jù)采集儀記錄壓力變化。每組試驗至少重復(fù)3次,以便盡可能使試驗結(jié)果保持穩(wěn)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 電場數(shù)值模擬結(jié)果

在試驗中利用ANSYS13.0軟件對加載電壓后定容彈內(nèi)部形成的空間電場進(jìn)行數(shù)值模擬。由于拍攝的火焰圖片主要反映定容彈中心處火焰的發(fā)展傳播狀況,因此圖3只顯示了加載電壓為±12kV時,電場在定容彈中心處的分布狀況。

圖2 定容彈結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 加載電壓為12和-12kV時的電場分布

由圖3可見,加載電壓大小相同而極性相反時,產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小相同,且空間分布完全一致,但電場的方向完全相反。水平方向的電場強(qiáng)度在數(shù)值上明顯要大于豎直方向的數(shù)值。輸入負(fù)電壓時,電場方向近似從定容彈豎直中心線和定容彈四周指向高壓電極；輸入正電壓時,電場方向與此相反。電場在水平方向距中心大約28mm的區(qū)域內(nèi)比較均勻,其平均電場強(qiáng)度大約為1.45×105V/m。在距離高壓電極前端大約7mm的范圍內(nèi),電場強(qiáng)度變化較為劇烈,其數(shù)值從2.6×105迅速增長到3×106V/m。由于電場強(qiáng)度與加載電壓成正比,所以加載電壓為±5和±10kV時,定容彈中電場的分布與電壓為±12kV時的電場類似,只是強(qiáng)度大小成比例降低。

2.2 不同極性的電場對火焰?zhèn)鞑サ淖饔?/h3>

圖4為正、負(fù)電場作用下的火焰?zhèn)鞑ハ嗥?。燃燒火焰的發(fā)展時間和所加電壓依次列在相關(guān)圖像的旁邊。從圖中可以看出:加載電壓為0,即沒有電場作用時,火焰呈圓球形由定容彈中心向外發(fā)展,各方向的火焰?zhèn)鞑顩r基本一致；當(dāng)加載電壓為5kV時,不論電場的極性如何,火焰水平方向的傳播稍微有所加快,而火焰豎直方向的傳播狀況變化不大,圓球形火焰的發(fā)展形狀有所變化；當(dāng)加載電壓為±10或±12kV時,水平方向的火焰前鋒明顯被拉長,幾乎均等地向左右兩邊傳播,而豎直方向火焰?zhèn)鞑プ兓缓苊黠@,此時整個火焰發(fā)展近似成圓柱形?？梢?無論加載正電場還是負(fù)電場,電場方向上的火焰發(fā)展均被明顯加快,其效果隨外加電場的增強(qiáng)而愈發(fā)顯著。

圖4 在不同電場下的火焰?zhèn)鞑D片

2.3 不同極性的電場對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖饔?/h3>

為盡量準(zhǔn)確反映不同極性的電場對火焰?zhèn)鞑サ淖饔?本文中測取了水平方向火焰半徑的發(fā)展?fàn)顩r,其方法如圖5所示。測取圖中6個方向的火焰?zhèn)鞑グ霃?然后取其平均值作為電場作用下水平方向的火焰?zhèn)鞑グ霃絩u。為了消除點(diǎn)火和燃燒壓力對測量結(jié)果的影響,火焰半徑的測量范圍控制在5～25mm之間[10]。根據(jù)測量的火焰?zhèn)鞑グ霃?火焰拉伸速度Sn＝d ru/d t,其中t為燃燒火焰的傳播時間。

圖6示出不同極性電場作用下火焰半徑的發(fā)展?fàn)顩r。在外加電場的作用下,火焰?zhèn)鞑グ霃降陌l(fā)展均隨時間近似成線性增加。不論外加電場的極性如何,火焰半徑的增加都隨所加電壓的升高而增強(qiáng)。同時,在所加電壓數(shù)值相同時,負(fù)電場對火焰半徑發(fā)展的促進(jìn)作用要強(qiáng)于正電場。比如,在外加電壓大小為12kV時,當(dāng)火焰半徑發(fā)展到25mm時,正、負(fù)電場作用下所耗費(fèi)時間分別為28.1和23.8ms,相對于沒有電場作用下的情況,火焰?zhèn)鞑r間分別縮短了24.7%和36.2%。

圖6 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時間的關(guān)系

圖7示出了火焰拉伸速度與火焰?zhèn)鞑グ霃街g的關(guān)系。隨著外加電場的增強(qiáng),火焰的拉伸速度隨之增大。且隨著火焰的發(fā)展,火焰速度的增加程度加大。同時,負(fù)電場作用下火焰速度的增加要大于正電場的作用效果。在外加電壓為12kV時,負(fù)電場作用下的最大火焰速度是0.98m/s,而正電場作用下的火焰速度是0.85m/s,相對于沒有電場作用下的情況分別增加了62.3%和41.7%。

圖7 火焰拉伸速度與傳播距離的關(guān)系

不同極性電場對火焰發(fā)展促進(jìn)作用的差異可用正、負(fù)電場產(chǎn)生的離子風(fēng)效應(yīng)來說明。從圖3可知,負(fù)電場作用下,水平方向的電場強(qiáng)度較大,且火焰?zhèn)鞑ヅc電場方向大致一致。由此火焰前鋒中的陽離子,如H3O+,沿電場方向加速運(yùn)動,與混合氣中的中性離子碰撞,從而形成較強(qiáng)的離子風(fēng)效應(yīng),增強(qiáng)了火焰前鋒與混合氣之間的熱量交換和質(zhì)量交換,促進(jìn)了電場方向的火焰?zhèn)鞑ァ＜虞d電壓越高,產(chǎn)生的離子風(fēng)效應(yīng)越強(qiáng),則火焰發(fā)展的增加程度越大。外加正電場時,水平方向的火焰?zhèn)鞑ヅc電場方向相反。如果只考慮火焰中的陽離子,則水平方向火焰的發(fā)展應(yīng)該被抑制。但事實(shí)上水平方向的火焰發(fā)展仍然加快。這說明在分析電場對火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的離子風(fēng)效應(yīng)時,不能只考慮陽離子的作用狀況?；鹧嬷匈|(zhì)量較大的陰離子雖然已經(jīng)研究了很長時間,但人們對它們的認(rèn)識程度依然較少。有學(xué)者認(rèn)為質(zhì)量較大的陰離子如存在于低溫區(qū)域中,而在高溫情況下會很快分解退變成中性分子和自由電子。

因此人們認(rèn)為火焰中的陰離子主要是自由電子,其濃度和火焰中的陽離子基本相當(dāng)。自由電子活動能力較強(qiáng),很容易與混合氣中的中性粒子,尤其是O2分子,碰撞而產(chǎn)生黏著作用并形成新的陰離子不僅質(zhì)量較大,且能在高溫環(huán)境下生存[11-12]。在正電場作用下,電場方向大致與火焰?zhèn)鞑シ较蛳喾?。自由電子和?fù)離子會逆著電力線方向從已燃區(qū)向溫度較低的未燃區(qū)移動。由此自由電子很容易與混合氣中的中性分子結(jié)合形成一定量的陰離子,特別是較多的。此時外加正電場可產(chǎn)生由陰離子,特別是,主導(dǎo)的離子風(fēng)效應(yīng)。從火焰圖形和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓芍?正電場作用下的火焰?zhèn)鞑ゴ_實(shí)比沒有電場作用時的狀況更快,且這效果隨正電場的增強(qiáng)而愈加明顯。與火焰中的陽離子相比,離子不僅生成較晚,其濃度也相對較低。有學(xué)者測得火焰中主要陽離子的運(yùn)動遷移率大約為2.9×10-4m2·(V·s)-1,而離子的運(yùn)動遷移率則為2.25×10-4m2·(V·s)-1,即電場作用下陽離子的活動能力要強(qiáng)于陰離子[13]。

從火焰中陰、陽離子的生成狀況、濃度大小和遷移速度的變化可知,在電場強(qiáng)度相同的情況下,負(fù)電場作用下由陽離子主導(dǎo)的離子風(fēng)效應(yīng)要強(qiáng)于正電場作用下由陰離子主導(dǎo)的離子風(fēng)效應(yīng)。因此負(fù)電場作用下,火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾映潭认鄬^大。

圖8 正、負(fù)電場作用下的燃燒壓力曲線

表1 不同極性電場作用下的燃燒壓力峰值、峰值時間和變化率

2.4 不同極性的電場對混合氣燃燒壓力發(fā)展的影響

正、負(fù)電場作用下的燃燒壓力變化曲線如圖8所示。沒有外加電場時,燃燒壓力的升高比較緩慢。在施加電壓后,不論電場的極性如何,燃燒初期壓力升高率均明顯加快,壓力峰值隨之增大,出現(xiàn)的時刻提前。施加電壓越大,電場對燃燒壓力的促進(jìn)作用越明顯。表1顯示了不同極性電場作用下的燃燒壓力峰值、峰值時刻和變化率?？梢钥闯?負(fù)電場作用下,燃燒壓力峰值的增量超過正電場,其壓力峰值出現(xiàn)的時刻提前較大。在施加電壓的絕對值同為12kV時,負(fù)電場作用下的壓力峰值增加了12.3%,峰值時刻提前了31.8%,而正電場作用下的壓力峰值只增加了8.5%,峰值時刻僅提前了21.1%。說明負(fù)電場對燃燒壓力的促進(jìn)作用明顯超過正電場。

電場產(chǎn)生的離子風(fēng)效應(yīng)促進(jìn)了火焰形狀的變化,增加了火焰表面積,同時提高了火焰?zhèn)鞑ニ俣?。這效果會隨著施加電壓的升高而增強(qiáng)。由此使單位時間內(nèi)燃燒的燃料增多,這個趨勢隨著燃燒過程的進(jìn)行會愈演愈烈。因此燃燒壓力迅速提高,燃燒峰值壓力出現(xiàn)時刻提前。施加電壓越高,燃燒壓力升高愈快。峰值壓力的大小主要由燃燒強(qiáng)度和燃燒混合氣對周圍散熱決定[14]。電場作用下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募涌?減少了混合氣燃燒過程對外界的散熱,使燃燒壓力的峰值提高。同時,從火焰?zhèn)鞑バ螤詈突鹧胬焖俣鹊淖兓梢钥闯?燃燒火焰在電場作用下的發(fā)展過程明顯受到了額外的拉伸效應(yīng),包括流體動力學(xué)拉伸和火焰拉伸。這兩種拉伸的具體定義和對混合氣燃燒的作用效果可參見文獻(xiàn)[15-16]。對于λ＝1.6的甲烷-空氣混合氣,其路易斯數(shù)小于1,即混合氣的熱擴(kuò)散小于質(zhì)量擴(kuò)散。拉伸作用使火焰前鋒區(qū)域化學(xué)能的獲得高于熱損失,由此提高了火焰的燃燒溫度和燃燒強(qiáng)度,導(dǎo)致混合氣燃燒壓力的峰值進(jìn)一步升高。相比于正電場,負(fù)電場對λ＝1.6混合氣燃燒過程的促進(jìn)作用更強(qiáng),燃燒壓力的峰值增加程度較大。

3 結(jié)論

(1)在外加電場作用下,火焰?zhèn)鞑ニ俣群突旌蠚馊紵龎毫Φ纳呒涌?對于不同極性的電場,負(fù)電場對燃燒的促進(jìn)作用明顯強(qiáng)于正電場。對于λ＝1.6的混合氣,在施加12kV電壓時,正、負(fù)電場作用下火焰?zhèn)鞑ニ俾实淖畲笾捣謩e增加了41.7%和62.3%,壓力峰值增大了8.5%和12.3%,壓力峰值時刻提前了21.1%和31.8%。

(2)在正、負(fù)電場作用下,燃燒火焰中分別產(chǎn)生主要由陰離子O2-和陽離子H3

+O主導(dǎo)的離子風(fēng)效應(yīng)。與火焰中的H3+O相比,O2

-產(chǎn)生較晚,濃度較小,且運(yùn)動能力較低。因此使正電場產(chǎn)生的陰離子風(fēng)效應(yīng)明顯小于負(fù)電場產(chǎn)生的陽離子風(fēng)效應(yīng)。

(3)負(fù)電場的離子風(fēng)效應(yīng)較強(qiáng),對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇龠M(jìn)作用較大,減少了火焰?zhèn)鞑ミ^程中的對外散熱。同時增強(qiáng)了火焰?zhèn)鞑ミ^程受到的拉伸效應(yīng),使混合氣的燃燒性能有較明顯的提高。