低頻交流電場(chǎng)對(duì)甲烷/空氣預(yù)混火焰影響的機(jī)理研究

何子奇,高忠權(quán),賈偉東,孟浩,楊猛,鄧宇

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

隨著能源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出,能源行業(yè)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),應(yīng)對(duì)這一問題,目前主要有兩種解決方案:一種是新能源領(lǐng)域的研究;另一種是提高現(xiàn)有能源的利用效率,開發(fā)更清潔高效的燃燒技術(shù)。電場(chǎng)輔助燃燒技術(shù)可以提高火焰?zhèn)鞑ニ俾屎腿紵蔥1],降低碳煙和氮氧化物的排放[2-3],利用該技術(shù)可有效提高燃料利用率。近年來,電場(chǎng)輔助燃燒理論受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,在平板火焰、對(duì)沖火焰、本生燈火焰、射流火焰、球形火焰上加載正/負(fù)直流(DC)電場(chǎng)、低頻及高頻交流(AC)電場(chǎng)、脈沖直流電場(chǎng)等方面做了諸多研究。Kim等對(duì)本生燈火焰加載不同頻率低頻交流電場(chǎng),研究發(fā)現(xiàn),低頻交流電場(chǎng)下火焰中的正負(fù)離子在電場(chǎng)力作用下交替遷移,與中性分子發(fā)生碰撞進(jìn)而引起宏觀體積流,此現(xiàn)象稱為雙離子風(fēng)效應(yīng)[4]。

天然氣作為目前常用的一種清潔燃料,在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐等多處廣泛使用,因此研究低頻交流電場(chǎng)對(duì)甲烷/空氣預(yù)混火焰的助燃機(jī)理很有必要。為定量分析電場(chǎng)下火焰中帶電粒子與中性分子間的作用,需計(jì)算參與碰撞的各種粒子的數(shù)密度以及正負(fù)離子與中性分子間的碰撞頻率和碰撞響應(yīng)時(shí)間等參數(shù),進(jìn)而獲得電場(chǎng)下粒子間的碰撞作用與火焰拉伸現(xiàn)象之間的聯(lián)系。本文分析了高初始?jí)毫ο录虞d不同低頻(40～100 Hz)交流電場(chǎng)對(duì)甲烷/空氣預(yù)混稀燃火焰的燃燒特性,并將Prager/Peterersen離子反應(yīng)機(jī)理[5-6]與CHEMKINPRO軟件相結(jié)合,對(duì)實(shí)驗(yàn)工況下燃燒過程的離子產(chǎn)物及其濃度分布進(jìn)行了模擬,通過實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果的分析,進(jìn)一步明確了低頻交流電場(chǎng)對(duì)預(yù)混球形火焰的助燃機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括定容燃燒彈、點(diǎn)火系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、低頻交流電供給系統(tǒng)、高速攝像及紋影系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)等,如圖1所示。其中定容燃燒彈容彈外部形狀為正方體,材料為45號(hào)鋼,容彈內(nèi)腔為中空?qǐng)A柱體,直徑為140 mm,長(zhǎng)度為180 mm。為防止外加高電壓時(shí)高壓電極與容彈內(nèi)腔壁面之間放電影響燃燒室的電場(chǎng)分布,在容彈的內(nèi)腔壁面上覆蓋厚度為5.0 mm的聚四氟乙烯絕緣套。容彈的上下對(duì)置安裝針狀點(diǎn)火電極,外表面包裹聚四氟乙烯,兩點(diǎn)火電極之間距離為2 mm。容彈左右兩側(cè)對(duì)置安裝一對(duì)高壓電極,中間為網(wǎng)格狀鏤空,用于施加外部高電壓。厚度為60 mm、直徑為190 mm的高抗沖石英玻璃安裝在容彈的前后兩面,提供紋影成像的光學(xué)通路。容彈結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電極位置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中低頻交流電供給系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)和壓力采集系統(tǒng)所涉及的儀器型號(hào)及參數(shù)如表1所示。

圖2 定容燃燒彈結(jié)構(gòu)及電極位置

實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)參數(shù)高壓電源XIELIHV20 kV/10～1 000 Hz輸出電壓～20 kV頻率10～1 000 Hz高速攝像機(jī)Redlake HG-100 K5 000幀/s壓力傳感器Kistler7061B壓電式測(cè)量范圍0～25 MPa電荷放大器Kistler5011型±10～±999 000 pC數(shù)據(jù)采集儀日本橫河DL750采樣頻率10 kHz

在常溫、初始?jí)毫?.3 MPa下,向容彈內(nèi)充入過量空氣系數(shù)λ=1.4的甲烷/空氣混合氣,靜置消除氣體擾動(dòng)后向左右兩側(cè)網(wǎng)狀電極分別施加電壓有效值U=5 kV,頻率f=40,60,80,100 Hz的低頻交流電并點(diǎn)火。每個(gè)工況點(diǎn)至少重復(fù)3次,取最接近平均值的工況數(shù)據(jù),從而減小實(shí)驗(yàn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 火焰?zhèn)鞑D像

初始?jí)毫?.3 MPa、過量空氣系數(shù)為1.4時(shí),在有效值為5 kV的不同頻率低頻交流電場(chǎng)下的火焰?zhèn)鞑ゼy影圖像如圖3所示。由圖3可知:未加載電場(chǎng)時(shí),火焰呈近似球形向外傳播,水平和豎直方向變化程度基本一致;加載低頻交流電場(chǎng)后,火焰在水平方向有明顯的拉伸,豎直方向火焰拉伸幅度較小,這主要是因?yàn)榫W(wǎng)狀電極布置于水平方向;隨著交流頻率減小,火焰的拉伸變形程度逐漸增大,火焰鋒面褶皺也略有增加,當(dāng)交流頻率為40 Hz時(shí),火焰拉伸變形程度最大。

圖3 火焰?zhèn)鞑ゼy影圖像

2.2 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和傳播速度

2.2.1 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x 由于加載低頻交流電場(chǎng)的網(wǎng)狀電極水平對(duì)置于容彈內(nèi),因而火焰在水平方向拉伸明顯。本文定義火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xL為水平方向兩側(cè)火焰前鋒面到容彈中心距離La、Lb之和的平均值,即L=(La+Lb)/2。紋影圖通過Matlab程序處理提取火焰前鋒面,La、Lb分別為圖像中心到火焰兩側(cè)前鋒面的距離,火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x如圖4所示。本文研究的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x范圍為6～25 mm,主要是避免了點(diǎn)火能量和容彈內(nèi)溫度和壓力變化對(duì)火焰造成的影響[7]。

圖4 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x示意圖

不同低頻交流電壓作用下水平方向火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時(shí)間的變化如圖5所示。由圖5可知:隨著時(shí)間的增加,加載和未加載電壓時(shí)火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x均呈近似線性增長(zhǎng),且在相同時(shí)間間隔下,加載低頻交流電場(chǎng)下的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x均比未加載電場(chǎng)時(shí)的大;當(dāng)交流電場(chǎng)頻率f減小時(shí),L隨t的變化率逐漸增大,當(dāng)f=40 Hz時(shí),L隨t的變化率最大,即火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲蟆?/p>

圖5 不同頻率交流電場(chǎng)下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時(shí)間的變化

2.2.2 平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L為火焰前鋒面相對(duì)于靜止的容彈內(nèi)腔的運(yùn)動(dòng)速度,即SL=dL/dt。

式中:L6-25、t6-25分別為火焰從6 mm傳播到25 mm的距離和對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

表2 加載不同頻率交流電壓下的和

2.3 燃燒特性參數(shù)

初始?jí)毫?.3 MPa、過量空氣系數(shù)為1.4時(shí),不同頻率交流電場(chǎng)作用下燃燒壓力隨時(shí)間的變化如圖6所示。由圖6可知,相較于未加載電場(chǎng),加載低頻交流電場(chǎng)后燃燒壓力峰值Pmax增大且壓力峰值時(shí)刻tp提前。由于電場(chǎng)加速了火焰?zhèn)鞑?相同時(shí)間內(nèi)有更多未燃?xì)鈪⑴c燃燒,整個(gè)燃燒過程加速完成,因此壓力峰值時(shí)刻tp提前,壓力峰值Pmax增大。

圖6 不同頻率交流電場(chǎng)下燃燒壓力隨時(shí)間的變化

表3給出了加載不同低頻交流電場(chǎng)的壓力峰值Pmax、壓力峰值時(shí)刻tp及其相較未加載電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的變化率ΔPmax、Δtp。由表3可知,加載交流電場(chǎng)后壓力峰值Pmax均增大,且頻率越低增大程度越大,壓力峰值時(shí)刻tp均減小,且頻率越低減小程度越大。加載有效值為5 kV,頻率分別為40、60、80、100 Hz的交流電場(chǎng)時(shí),燃燒壓力峰值分別增大3.48%、2.90%、1.91%、1.49%,壓力峰值時(shí)刻分別提前15.01%、13.82%、11.81%、5.88%。

表3 低頻交流電場(chǎng)燃燒特性參數(shù)

3 模擬計(jì)算及機(jī)理分析

3.1 火焰中粒子的模擬計(jì)算

交流電場(chǎng)作用下,火焰中的正負(fù)離子在電場(chǎng)力作用下發(fā)生遷移,與中性分子發(fā)生碰撞。為定量分析電場(chǎng)下火焰中帶電粒子的碰撞作用,獲取離子數(shù)密度變得尤為關(guān)鍵。將離子反應(yīng)機(jī)理與CHEMKINPRO軟件相結(jié)合,對(duì)初始?jí)毫?.3 MPa、過量空氣系數(shù)為1.4的未加電場(chǎng)的甲烷/空氣預(yù)混燃燒進(jìn)行模擬,獲取燃燒過程中的離子產(chǎn)物及其濃度分布。

圖7 初始?jí)毫?.3 MPa、λ=1.4的甲烷/空氣預(yù)混火焰帶電粒子濃度分布圖

3.2 雙離子風(fēng)發(fā)展程度分析

在電場(chǎng)作用下,火焰鋒面帶電粒子受電場(chǎng)力作用加速,與中性分子發(fā)生碰撞,進(jìn)行動(dòng)量和熱量的傳遞,促進(jìn)電場(chǎng)方向上火焰已燃區(qū)與未燃區(qū)之間的傳質(zhì)和傳熱,進(jìn)而促進(jìn)火焰?zhèn)鞑10]。正離子濃度和電子濃度均較高,電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于中性分子質(zhì)量,與中性分子之間的動(dòng)量傳遞忽略不計(jì),負(fù)離子的濃度較低,但不可忽略[11-12],本實(shí)驗(yàn)工況負(fù)離子濃度約占正離子濃度的27%。

直流電場(chǎng)下離子定向遷移進(jìn)而促進(jìn)火焰的發(fā)展,稱這種作用為離子風(fēng)效應(yīng)[13];低頻交流電場(chǎng)下,網(wǎng)狀電極與點(diǎn)火電極之間形成方向交替變化的電場(chǎng),正負(fù)離子交替沿電場(chǎng)線方向遷移,Kim等的研究將其歸為雙離子風(fēng)效應(yīng)[4],這是低頻交流電場(chǎng)對(duì)火焰促進(jìn)作用的主要機(jī)理。

離子風(fēng)效應(yīng)對(duì)火焰?zhèn)鞑サ拇龠M(jìn)效果可由離子風(fēng)發(fā)展程度ξ表示,即

(1)

(2)

(3)

式中:t為離子在火焰中作用的時(shí)間;tc為碰撞響應(yīng)時(shí)間[14];z為離子與中性分子的碰撞頻率;Ri為離子與尚未發(fā)生碰撞的中性分子濃度之比,由于中性分子濃度比正負(fù)帶電離子濃度約大8個(gè)數(shù)量級(jí)[4],使用中性分子總濃度代替未發(fā)生碰撞的中性分子濃度;σ為碰撞直徑,根據(jù)CHEMKINPRO輸運(yùn)參數(shù)文件取為3.746×10-10m;p=3×105Pa為初始?jí)毫?m是平均粒子質(zhì)量,根據(jù)模擬結(jié)果以單位體積粒子總質(zhì)量比粒子總數(shù)求得為4.59×10-26kg;kB=1.390 62×10-23J·K-1為玻爾茲曼常數(shù);T為絕熱火焰溫度。使用CHEMKIN-PRO軟件,計(jì)算λ=1.4、初始溫度為298 K、壓力為3×105Pa時(shí)絕熱火焰溫度為1 863 K,將數(shù)值代入式(3),得到實(shí)驗(yàn)工況下離子與中性分子的碰撞頻率為8.65×109s-1。

正離子和負(fù)離子的濃度不同,因而其對(duì)應(yīng)的碰撞響應(yīng)時(shí)間也不相同,低頻交流電場(chǎng)下正負(fù)離子交替遷移形成雙離子風(fēng)作用,發(fā)展程度可表示為

ξeff=ξp-ηξn=

(4)

式中:tcp為正離子的碰撞響應(yīng)時(shí)間;η為負(fù)離子與正離子濃度之比;ξp、ξn分別為正負(fù)離子單獨(dú)作用下的離子風(fēng)效應(yīng)。通過離子的模擬計(jì)算,過量空氣系數(shù)為1.4、初始?jí)毫?.3 MPa的甲烷/空氣火焰中正離子與中性分子濃度之比為2.09×10-9,z為8.65×109s-1、η為0.27、tcp為55.20 ms、U=5 kV、f=40,60,80,100 Hz的低頻交流電場(chǎng)單位周期時(shí)間的雙離子風(fēng)發(fā)展程度分別為0.33、0.24、0.19、0.15。雙離子風(fēng)發(fā)展程度ξeff隨交流頻率的變化如圖8所示,可知隨著頻率的增大,雙離子風(fēng)發(fā)展程度逐漸減小。

圖8 雙離子風(fēng)發(fā)展程度ξeff隨頻率的變化

3.3 雙離子風(fēng)發(fā)展程度與平均火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃舐始皦毫Ψ逯翟龃舐实南嚓P(guān)性分析

圖9 雙離子風(fēng)發(fā)展程度ξeff與的擬合曲線

圖10 雙離子風(fēng)發(fā)展程度ξeff與ΔPmax的擬合曲線

低頻交流電場(chǎng)呈周期變化,電場(chǎng)方向每隔半周期變化一次,正負(fù)離子交替作用,當(dāng)交流電場(chǎng)頻率增大時(shí),每半周期離子受電場(chǎng)作用的時(shí)間減小,離子加速碰撞還未形成較大的體積流時(shí),電場(chǎng)方向發(fā)生改變,離子風(fēng)無法持續(xù)發(fā)展,因此雙離子風(fēng)發(fā)展程度受到限制[15],宏觀上表現(xiàn)為火焰在多周期累積作用下拉伸效果減弱。當(dāng)交流電場(chǎng)頻率較小時(shí),雙離子風(fēng)發(fā)展程度ξeff較大,離子與中性分子之間碰撞更加充分,電場(chǎng)對(duì)火焰的促進(jìn)效果變強(qiáng)。因此,低頻交流電場(chǎng)對(duì)預(yù)混球形火焰的作用機(jī)制主要為正負(fù)離子與中性分子之間的碰撞作用,運(yùn)用雙離子風(fēng)發(fā)展程度ξeff可以準(zhǔn)確描述不同頻率低頻交流電場(chǎng)對(duì)預(yù)混球形火焰的影響程度。

4 結(jié) 論

(2)低頻交流電場(chǎng)對(duì)火焰的促進(jìn)作用主要基于雙離子風(fēng)效應(yīng),隨著頻率的減小,雙離子風(fēng)發(fā)展程度ξeff逐漸增大,火焰拉伸程度增大,平均火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Ψ逯稻龃?。?dāng)頻率分別為100、80、60、40 Hz時(shí),雙離子風(fēng)發(fā)展程度分別為0.15、0.19、0.24、0.33。