表面介質(zhì)阻擋放電對(duì)擴(kuò)散火焰燃燒特性的影響

陳慶亞，車學(xué)科，仝毅恒，陳川，朱楊柱，聶萬(wàn)勝，*

(1.航天工程大學(xué) 宇航科學(xué)與技術(shù)系，北京101416； 2.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，西安710043）

非平衡等離子體因其富含大量化學(xué)活性物質(zhì)，當(dāng)作用于火焰參與燃燒化學(xué)反應(yīng)時(shí)，可有效增大火焰?zhèn)鞑ニ俣?、改善火焰結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性、拓寬熄滅極限，成為強(qiáng)化燃燒的重要技術(shù)途徑［1-3］。介 質(zhì) 阻 擋 放 電(Dielectric Barrier Discharge，DBD）作為激發(fā)非平衡等離子體的主要方式之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、作用頻帶寬等優(yōu)勢(shì)，是等離子體輔助燃燒技術(shù)中使用的重要放電形式。其中，表面介質(zhì)阻擋放電(Surface Dielectric Barrier Discharge，SDBD）除活化效應(yīng)外，同時(shí)具備顯著氣動(dòng)效應(yīng)(輸運(yùn)效應(yīng)），可形成近壁面射流對(duì)主流產(chǎn)生擾動(dòng)，增強(qiáng)氧化劑/燃料摻混，能夠更充分發(fā)揮氣動(dòng)效應(yīng)在強(qiáng)化燃燒中的作用。

在SDBD等離子體強(qiáng)化燃燒研究中，分析其氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)燃燒器射流形態(tài)的影響具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在SDBD增強(qiáng)射流摻混方面已經(jīng)開展了初步研究，現(xiàn)有研究主要集中于對(duì)單股射流施加等離子體氣動(dòng)激勵(lì)，基于矩形和圓形等不同截面的噴嘴構(gòu)型，分別從二維和三維流場(chǎng)方面分析了等離子體氣動(dòng)激勵(lì)下的射流特性變化，并驗(yàn)證了SDBD增強(qiáng)射流摻混的可行性。Kozato等［4］開展了矩形單噴嘴射流等離子體流動(dòng)控制研究，在噴嘴上下內(nèi)表面同時(shí)敷設(shè)SDBD激勵(lì)器，分析了等離子體正向射流對(duì)矩形單股流射流發(fā)展特性的影響。結(jié)果表明，放電電壓能夠明顯影響對(duì)射流傳播的控制效果。Benard等［5］在圓柱擴(kuò)散單噴嘴上敷設(shè)環(huán)狀SDBD激勵(lì)器，分析了等離子體氣動(dòng)激勵(lì)在射流速度10～40 m/s范圍內(nèi)對(duì)射流流場(chǎng)的影響，實(shí)驗(yàn)表明等離子體氣動(dòng)激勵(lì)會(huì)誘導(dǎo)出渦結(jié)構(gòu)從而增大射流湍動(dòng)能，并通過這些渦結(jié)構(gòu)容易將射流的高速核心區(qū)轉(zhuǎn)入到周圍空氣中，從而增強(qiáng)射流與周圍空氣的摻混。李亮等［6］實(shí)驗(yàn)研究同樣驗(yàn)證了SDBD等離子體氣動(dòng)激勵(lì)可有效增強(qiáng)射流摻混，并進(jìn)一步分析了電源激勵(lì)參數(shù)對(duì)摻混控制效果的影響。結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)條件下放電電壓和脈沖頻率的提高均會(huì)增強(qiáng)摻混效果，增大射流寬度，而占空比則存在最優(yōu)區(qū)間。對(duì)于同軸剪切氣-氣噴注雙股射流形式，周思引等［7］已開展的介質(zhì)阻擋體放電研究表明等離子體氣動(dòng)激勵(lì)可顯著增強(qiáng)同軸剪切噴注兩股射流之間的摻混，并認(rèn)為這主要由誘導(dǎo)射流的徑向速度分量增大造成，此外控制效果與射流的初始速度密切相關(guān)。

目前國(guó)內(nèi)外基于多種構(gòu)型燃燒器開展了大量的等離子體強(qiáng)化燃燒研究，包括高頻交流、微秒脈沖和納秒脈沖等多種電源激勵(lì)模式，主要從活化效應(yīng)方面分析了等離子體對(duì)預(yù)混/非預(yù)混火焰燃燒特性的影響，同時(shí)放電形式以介質(zhì)阻擋體放電為主，而采用SDBD的研究還相對(duì)較少。為分析等離子體對(duì)火焰吹熄極限的影響，Giorgi等［8］在本生燈燃燒器外噴嘴環(huán)縫電離產(chǎn)生等離子體，通過對(duì)甲烷/空氣擴(kuò)散火焰和反擴(kuò)散火焰施加控制表明，在等離子體放電功率25 W時(shí)，在燃料流量較高和較低情況下分別可使吹熄極限的空氣流量增大10%和30%。李騰等［9］實(shí)驗(yàn)研究表明，等離子體可以有效抑制擴(kuò)散火焰的根部抬升，增強(qiáng)火焰在噴嘴出口駐留能力，但對(duì)火焰的空間作用距離有限，并認(rèn)為這與等離子體活性粒子壽命有關(guān)。在SDBD控制火焰燃燒方面，Kimura等［10-11］在單噴嘴燃燒器內(nèi)壁面基于高頻交流正向激勵(lì)對(duì)火焰施加控制，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)等離子體誘導(dǎo)射流會(huì)改變噴嘴出口速度分布曲線，從而影響火焰面形狀，同時(shí)該氣動(dòng)效應(yīng)有利于增強(qiáng)火焰在噴嘴處的附著能力。Li等［12］將多組SDBD激勵(lì)器在單噴嘴內(nèi)壁面沿軸向平行布置，分析了等離子體對(duì)甲烷預(yù)混火焰的影響，實(shí)驗(yàn)表明，這種控制方案會(huì)形成明顯的周向旋流，發(fā)揮旋流器作用，能有效提高火焰亮度和降低火焰長(zhǎng)度。當(dāng)前，對(duì)于同軸剪切燃燒器的SDBD等離子體強(qiáng)化燃燒研究?jī)H有少量公開發(fā)表的文獻(xiàn)，尚處于早期研究階段，同軸剪切噴注是航天動(dòng)力系統(tǒng)中噴嘴主要噴注形式之一，由于增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性、提高燃燒效率和縮短火焰長(zhǎng)度對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升具有重要意義，因此有必要深入開展SDBD等離子體對(duì)同軸剪切燃燒火焰影響的研究，以探索等離子體強(qiáng)化燃燒在航天推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用效能。

本文基于高頻交流放電模式，采用SDBD等離子體誘導(dǎo)射流與來流方向相反的逆向氣動(dòng)激勵(lì)方式，對(duì)同軸剪切噴注的空氣/甲烷擴(kuò)散火焰施加控制，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲取的射流紋影圖、火焰圖像和CH*自發(fā)輻射，分析了等離子體對(duì)火焰射流流場(chǎng)和燃燒特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和研究參數(shù)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中φ為直徑，燃燒器為同軸剪切噴嘴構(gòu)型，采用內(nèi)噴嘴甲烷/外噴嘴空氣的噴注形式，均使用集氣瓶作為供氣氣源，通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)氣體流量。為保證高壓放電等離子體穩(wěn)定施加，燃燒器內(nèi)噴嘴和外噴嘴均使用絕緣材質(zhì)加工，內(nèi)噴嘴為Al2O3陶瓷材料，出口內(nèi)壁面直徑(di）為15 mm，外側(cè)直徑為25 mm；外噴嘴為石英玻璃材質(zhì)，內(nèi)側(cè)直徑為30 mm，外噴嘴環(huán)縫寬度為2.5 mm，其壁面厚度為1 mm。內(nèi)噴嘴出口端面相對(duì)外噴嘴出口端面縮進(jìn)6 mm。SDBD激勵(lì)器兩電極均為環(huán)狀結(jié)構(gòu)銅箔，以石英玻璃管作為介質(zhì)阻擋層。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

敷設(shè)在外噴嘴內(nèi)外兩側(cè)，電極寬度均為10 mm。高壓電極位于外噴嘴內(nèi)側(cè)，其上沿距離外噴嘴出口端面為10 mm；地電極在高壓電極下方位于外噴嘴外側(cè)，兩電極間隙為0 mm。等離子體放電使用CTP-2000K型電源，輸出為高頻高壓正弦交流激勵(lì)，頻率調(diào)節(jié)范圍為1～100 kHz，電壓輸出范圍0～30 kV。激勵(lì)器上的電壓、電流信號(hào)分別使用Tektronix P6015A高壓探頭和Pearson線圈進(jìn)行測(cè)量，并通過Agilent DSO3024A示波器進(jìn)行采集顯示，采樣頻率為200 MHz。當(dāng)激勵(lì)器工作時(shí)，外噴嘴環(huán)縫空氣射流會(huì)電離產(chǎn)生等離子體，并在近壁面產(chǎn)生誘導(dǎo)射流，其射流方向與空氣射流相反。

為獲取火焰圖像，實(shí)驗(yàn)使用Cannon 600D相機(jī)沿水平方向?qū)鹧孢M(jìn)行拍攝，并用灰度圖顯示火焰亮度圖像以便于觀察火焰形態(tài)。CH*激發(fā)態(tài)自由基輻射圖像通過相機(jī)配合使用光學(xué)窄帶濾鏡的方法拍攝獲?。?3］，濾鏡中心波長(zhǎng)為430 nm，帶寬10 nm，測(cè)量的CH*輻射帶為A2Δ→X2II(0，0）。在獲取火焰亮度圖像和CH*自發(fā)輻射圖像時(shí)，均采用4 s長(zhǎng)時(shí)曝光以得到火焰時(shí)均形態(tài)，感光度ISO值100，光圈分別為F/22、F/14。實(shí)驗(yàn)基于紋影測(cè)量技術(shù)獲取噴嘴空氣/甲烷同軸剪切射流的流場(chǎng)形態(tài)，具體將燃燒器置于紋影儀的兩球面鏡水平中央位置，燃燒器噴嘴出口位于鏡面反射光路底部位置以盡可能多的顯示射流流場(chǎng)，兩球面鏡焦距為1.5 m，鏡面直徑為140 mm，燃燒器外噴嘴出口端面位于鏡面縱向高度13 mm處。在獲取紋影圖像時(shí)，相機(jī)參數(shù)設(shè)定為曝光時(shí)長(zhǎng)1/320 s，ISO值100，光圈F/2。

實(shí)驗(yàn)中電源中心頻率設(shè)定為10 kHz保持不變，通過改變放電電壓和火焰燃燒工況，以分析不同因素下SDBD等離子體對(duì)火焰燃燒特性的影響。具體地，電壓峰-峰值Upp變化范圍為12～22 kV，空氣流量V·air分別設(shè)定為10、15、20、25 L/min，在每種空氣流量下通過調(diào)節(jié)甲烷流量使全局當(dāng)量比(下稱當(dāng)量比）Φoverall分別為0.6、1.0和1.4，以實(shí)現(xiàn)火焰在貧燃、恰當(dāng)比和富燃3種狀態(tài)下的燃燒。實(shí)驗(yàn)不同燃燒條件下對(duì)應(yīng)射流速度u、射流雷諾數(shù)Re和空氣-甲烷動(dòng)量比(O/F）mon(簡(jiǎn)稱動(dòng)量比）等多種參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)不同燃燒條件Table 1 Different combustion conditions inexperiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 火焰形態(tài)和射流紋影

為分析在不同當(dāng)量比下，等離子體對(duì)火焰的控制效果以及放電電壓的影響，圖2給出了在空氣流量V·air=10 L/min，Φoverall=0.6、1.0、1.4三種當(dāng)量比下放電后的火焰灰度圖，0 kV指未施加等離子體的無(wú)控制狀態(tài)，燃燒器內(nèi)噴嘴出口端面在縱向坐標(biāo)0 mm處，并用白色實(shí)線標(biāo)出。對(duì)于空氣/甲烷同軸剪切燃燒，空氣由于速度高、動(dòng)量大，在其射流根部形成了低壓區(qū)，從而將甲烷夾帶到空氣中發(fā)生卷吸作用，該作用是剪切層發(fā)生初始摻混的主要機(jī)制［13］。其中，反擴(kuò)散火焰由于卷吸作用會(huì)在火焰根部附近位置形成火焰頸，從而將火焰分成2個(gè)部分，一是頸部上方的細(xì)長(zhǎng)火焰；二是頸部下方的基火焰，基火焰附著于噴嘴出口，軸向距離較短，此處甲烷與空氣發(fā)生撞擊形成初始摻混，是發(fā)生卷吸的主要區(qū)域［14-15］。由于擴(kuò)散火焰和反擴(kuò)散火焰的理論火焰外形在數(shù)學(xué)模型上具有一致性［16］，在圖2中可以看到，以出口內(nèi)壁面直徑di為長(zhǎng)度單位，其縱向位置約在di處，擴(kuò)散火焰根部同樣存與反擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)類似的火焰頸，用白色虛線予以標(biāo)注。

根據(jù)圖2可知，在無(wú)控制狀態(tài)下，空氣流量一定時(shí)，隨著當(dāng)量比的增大火焰長(zhǎng)度逐漸增大，這與文獻(xiàn)［14］的變化規(guī)律一致。在施加等離子體激勵(lì)后，可以看出，相比無(wú)控制時(shí)火焰形態(tài)發(fā)生明顯變化?；鹧娓叨仍?種當(dāng)量比下均有不同程度降低，對(duì)應(yīng)在Φoverall=0.6、1.4時(shí)該現(xiàn)象更為顯著，且隨放電電壓增大整體降幅更為明顯；在火焰高度降低的同時(shí)，下游火焰寬度明顯增大，火焰形態(tài)變得更加“矮胖”。在噴嘴附近處可以看出，3種當(dāng)量比下火焰上游區(qū)域的亮度均有明顯增大，可知等離子體可有效提高火焰上游燃燒強(qiáng)度，在Upp=12、16 kV時(shí)火焰右側(cè)亮度提高更為明顯，這可能與介質(zhì)阻擋放電的不均勻性有關(guān)［17］，增大至Upp=20 kV時(shí)火焰上游整個(gè)區(qū)域亮度均得到提高，這說明火焰上游燃燒強(qiáng)度得到進(jìn)一步增大。此外，放電后的火焰邊緣輪廓變得更為模糊，這表明火焰的抖動(dòng)劇烈程度有所增強(qiáng)。結(jié)合以上圖2所述火焰形態(tài)變化特征，為分析SDBD氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)火焰的影響機(jī)制，圖3給出了圖2對(duì)應(yīng)工況下的空氣/甲烷剪切射流的流場(chǎng)紋影圖，將放電開啟后的射流包絡(luò)線夾角定義為射流角。

通過圖3可以看出，在未施加等離子體氣動(dòng)激勵(lì)時(shí)，由于射流雷諾數(shù)較小，3種當(dāng)量比下射流的湍流形態(tài)較低，在縱坐標(biāo)約40 mm以內(nèi)的火焰上游區(qū)域未形成渦結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)接近層流流動(dòng)，可知空氣/甲烷在上游的摻混能力較低。射流在向下游進(jìn)一步發(fā)展時(shí)盡管湍流度增大形成了渦結(jié)構(gòu)，但射流寬度并未顯著增大，因此圖2中無(wú)控制時(shí)的火焰形態(tài)也較為細(xì)長(zhǎng)。在SDBD激勵(lì)器開啟后，可以看出，等離子體氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)射流形態(tài)存在明顯影響，一是增強(qiáng)了射流湍流強(qiáng)度，射流自噴嘴出口起始即湍流特征明顯，形成了連續(xù)的渦結(jié)構(gòu)，并且隨著激勵(lì)電壓提高流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)尺度更小，分布更為密集，這說明湍流強(qiáng)度逐漸增大［18］，可知等離子體通過提高剪切射流的湍流強(qiáng)度有利于增強(qiáng)空氣/甲烷摻混。二是增大了空氣/甲烷剪切射流角，在0 k V未放電狀態(tài)下，不同當(dāng)量比下的射流兩側(cè)輪廓包絡(luò)線接近平行，射流寬度無(wú)明顯增大，放電后射流形成擴(kuò)張式發(fā)展，并且其射流角隨放電電壓提高不斷增大。

圖2 不同當(dāng)量比下火焰圖像隨激勵(lì)電壓的變化(r=10 L/min）Fig.2 Variation of flame images with excitation voltage under different equivalence ratios( V·air=10 L/min）

結(jié)合圖2、圖3等離子體分別對(duì)火焰形態(tài)、射流流場(chǎng)的影響分析可知，SDBD等離子體對(duì)火焰產(chǎn)生的控制效果中其氣動(dòng)效應(yīng)發(fā)揮了重要作用，射流角的增大和摻混度的提高會(huì)擴(kuò)大火焰下游燃燒寬度，同時(shí)寬范圍的燃燒會(huì)促進(jìn)火焰高度降低，這與圖2中放電后火焰變得“矮胖”現(xiàn)象一致。此外，放電后火焰輪廓變得模糊，這可能與放電增大了流場(chǎng)湍流強(qiáng)度導(dǎo)致脈動(dòng)流振幅增大有關(guān)。

圖3 不同當(dāng)量比下射流紋影圖隨激勵(lì)電壓的變化(ir=10 L/min）Fig.3 Variation of schlieren images of jet flow with excitation voltage under different equivalence ratios( air=10 L/min）

為分析不同空氣流量下，等離子體對(duì)火焰形態(tài)和射流流場(chǎng)的影響，電壓峰-峰值Upp根據(jù)前文實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定為控制效果最為明顯的20 kV，選取當(dāng)量比Φoverall=0.6、1.4兩種邊界條件，在air=15、20、25 L/min 3種流量下獲得的火焰圖像和射流紋影圖分別如圖4、圖5所示。

根據(jù)圖4可以看出，在火焰高度方面，SDBD等離子體對(duì)火焰高度的控制能力與產(chǎn)生等離子體的外噴嘴噴注的空氣流量密切相關(guān)。在空氣流量air=15L/min與圖2的air=10L/min的現(xiàn)象較為一致，放電后火焰高度均發(fā)生明顯降低，當(dāng)增大至air=20、25L/min時(shí)火焰高度已無(wú)明顯變化，此外3種流量下的火焰寬度也無(wú)顯著變化，可知?dú)怏w流量增大使等離子體對(duì)火焰形態(tài)的控制能力減弱。在火焰對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)方面，從圖5可以看出，無(wú)控制時(shí)隨著射流雷諾數(shù)的增大，流場(chǎng)湍流形態(tài)逐漸增強(qiáng)，形成了明顯的擴(kuò)張射流且射流角逐漸增大，這一變化使SDBD氣動(dòng)效應(yīng)作用效果逐漸減弱，在air=15 L/min時(shí)相比無(wú)控制時(shí)湍流強(qiáng)度和射流角均有明顯增大，至air=25 L/min時(shí)射流角和流場(chǎng)渦的結(jié)構(gòu)尺寸放電后并無(wú)明顯變化，由此可知，隨著空氣流量增大等離子體對(duì)火焰形態(tài)的控制能力減弱這一現(xiàn)象，主要與等離子體氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)射流的控制能力減弱有關(guān)。

圖4 不同空氣流量下放電對(duì)火焰圖像的影響(U pp=20 kV）Fig.4 Influence of discharge on flame images at different air flow rates(U pp=20 k V）

在火焰上游值得注意的是，根據(jù)圖5可以看到，在無(wú)等離子體時(shí)，由于初始射流在轉(zhuǎn)化為湍流流動(dòng)時(shí)需要經(jīng)歷充分發(fā)展的階段［6］，當(dāng)空氣流量由15 L/min增大至25 L/min時(shí)盡管下游湍流強(qiáng)度不斷增大，但在火焰上游距離噴嘴約40 mm以內(nèi)的范圍流場(chǎng)湍流形態(tài)依然較低，而等離子體誘導(dǎo)射流的逆向擾動(dòng)使空氣射流在噴嘴內(nèi)就已具備較高湍動(dòng)能，因此即使射流速度增大后等離子體仍可有效增強(qiáng)火焰上游的空氣/甲烷摻混，提高火焰上游的燃燒強(qiáng)度，這與圖4中的火焰圖像變化一致，可以看到上游區(qū)域縱坐標(biāo)約在di至40 mm之間的火焰，3種流量下放電后的火焰亮度均有不同程度提高。此外，位于縱坐標(biāo)di以下的基火焰，相比無(wú)控制時(shí)火焰亮度顯著提高，且具有兩方面特征：①亮度增幅與其di以上的細(xì)長(zhǎng)火焰相比存在明顯的不連續(xù)性；②在同一空氣流量下，對(duì)較低當(dāng)量比(Φoverall=0.6）的基火焰亮度增強(qiáng)程度明顯高于高當(dāng)量比(Φoverall=1.4）條件。結(jié)合這2個(gè)特征進(jìn)行分析，本文認(rèn)為基火焰亮度的提高主要與等離子體活化效應(yīng)有關(guān)，這是因?yàn)榛钚粤Ｗ訅勖?、衰減快，附著在燃燒器出口的基火焰是受等離子體活化效應(yīng)影響最強(qiáng)的區(qū)域，此外，基火焰是空氣對(duì)甲烷產(chǎn)生卷吸作用的主要區(qū)域，Φoverall=0.6時(shí)對(duì)應(yīng)空氣-甲烷動(dòng)量比較高使卷吸作用較強(qiáng)，可以獲得更多的甲烷與空氣摻混，在活性粒子作用下使其燃燒更為劇烈，因此火焰亮度明顯高于Φoverall=1.4。

圖5 不同空氣流量下放電對(duì)射流紋影圖的影響(U pp=20 kV）Fig.5 Influence of discharge on schlieren images of jet flow at different air flow rates(U pp=20 kV）

2.2 CH*自發(fā)輻射圖像

對(duì)于甲烷燃燒火焰，其CH*輻射強(qiáng)度可用于表征燃燒釋熱速率［19］，實(shí)驗(yàn)研究中在不需要精確定量分析時(shí)可將CH*輻射強(qiáng)度與火焰釋熱速率近似為正比關(guān)系［20］。CH*自發(fā)輻射圖像在表征輻射強(qiáng)度的同時(shí)也代表了粒子濃度的空間分布狀態(tài)［13］，本文對(duì)圖像采用云圖顯示。為分析在不同當(dāng)量比下放電電壓對(duì)火焰CH*輻射特性的影響，圖6給出了圖2對(duì)應(yīng)工況下的CH*自發(fā)輻射圖像。

根據(jù)圖6可知，3種當(dāng)量比下放電后火焰CH*空間分布高度隨著電壓增高逐漸降低，這與圖2相同工況下火焰圖像高度變化趨勢(shì)相同，這主要是由于等離子體氣動(dòng)效應(yīng)增強(qiáng)了射流摻混，加之空氣放電生成的不同能態(tài)O原子、O3等粒子的活化效應(yīng)，促進(jìn)了燃料提前燃燒所致。此外，在Φoverall=1.4下，Upp=20 kV時(shí)火焰下游CH*輻射強(qiáng)度相比無(wú)控制時(shí)明顯增大，可知等離子體激勵(lì)能夠增強(qiáng)火焰下游釋熱強(qiáng)度，促進(jìn)甲烷充分燃燒，而在Φoverall=0.6、1.0時(shí)無(wú)明顯變化可能是因?yàn)榧淄楹肯鄬?duì)較低，甲烷在上游提前燃燒使下游含量降低所致。

圖6 不同當(dāng)量比下CH*自發(fā)輻射圖像隨激勵(lì)電壓的變化Fig.6 Variation of CH*chemiluminescence images with excitation voltage under different equivalence ratios

為分析不同空氣流量時(shí)，等離子體對(duì)火焰CH*輻射特性的影響，對(duì)應(yīng)圖4空氣流量air=15～25 L/min下的實(shí)驗(yàn)工況，圖7給出了放電前后的火焰CH*自發(fā)輻射圖像?？梢钥闯?，不同燃燒條件下放電后火焰下游區(qū)域的CH*輻射強(qiáng)度均有不同程度增大，這與V ·air=10 L/min的影響規(guī)律相同，由此可知，盡管圖3結(jié)果表明在空氣流量增大后，等離子體氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)火焰下游射流流場(chǎng)和火焰形態(tài)的控制能力減弱，但等離子體仍能有效增大火焰下游釋熱速率，提高甲烷燃燒效率，這一結(jié)果可能主要與等離子體活化效應(yīng)有關(guān)，這是因?yàn)樵诨鹧嫔嫌慰諝夥烹姰a(chǎn)生的活性粒子有部分并未接觸到甲烷完全反應(yīng)，并和上游燃燒反應(yīng)不完全的中間產(chǎn)物一同傳遞到火焰下游從而促進(jìn)了下游的燃燒［21］。在火焰上游區(qū)域，不同燃燒條件下放電后的空氣/甲烷剪切燃燒層的CH*輻射強(qiáng)度均有一定程度增大，這與對(duì)應(yīng)火焰圖像表明的上游燃燒強(qiáng)度得到增大的變化規(guī)律一致。

圖7 不同空氣流量下放電對(duì)CH*自發(fā)輻射圖像的影響Fig.7 Influence of discharge on CH*chemiluminescence images at different air flow rates

2.3 CH*輻射強(qiáng)度徑向分布

根據(jù)2.1節(jié)可知，由于等離子體氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)火焰上游流場(chǎng)存在明顯影響，為進(jìn)一步分析在不同燃燒條件下等離子體對(duì)火焰上游釋熱強(qiáng)度的影響，圖8給出了空氣流量ir由10～25 L/min，在Φoverall=0.6、1.4兩種當(dāng)量比下無(wú)控制和放電電壓Upp=20 kV時(shí)的CH*輻射強(qiáng)度徑向分布曲線，分別距內(nèi)噴嘴出口端面為di、2di、3di共3種高度。橫坐標(biāo)為橫向距離r和di的比值。可以看出，CH*輻射強(qiáng)度曲線呈“M”形，以噴注器中心軸線為基準(zhǔn)兩側(cè)峰值近似對(duì)稱分布，這由中心甲烷注入到兩側(cè)空氣射流后形成的流場(chǎng)特征決定。無(wú)等離子體激勵(lì)時(shí)，在不同燃燒條件下對(duì)于同一火焰，若以CH*輻射強(qiáng)度值0作為其徑向分布寬度截止范圍，可以看到曲線位置由di升高到3di，CH*分布寬度不斷增大，可知隨著射流向下游發(fā)展，剪切層甲烷不斷向空氣一側(cè)擴(kuò)散摻混，使剪切層的燃燒厚度逐漸增大。此外，對(duì)于Φoverall=0.6、1.4兩種不同當(dāng)量比下的火焰CH*輻射分布曲線，Φoverall=1.4的曲線峰值均明顯大于Φoverall=0.6，而當(dāng)從峰值位置向兩側(cè)空氣方向移動(dòng)時(shí)，對(duì)于大部分 工 況(di，air=10～25 L/min；2di～3di，動(dòng)量比(O/F）mon相對(duì)較低，使空氣對(duì)甲烷的卷吸能力減弱［13］，導(dǎo)致擴(kuò)散能力降低，因此相比Φoverall=0.6，曲線向空氣一側(cè)移動(dòng)時(shí)其CH*輻射強(qiáng)度又快速減小。

施加等離子體激勵(lì)后，根據(jù)圖8觀察可知，等離子體對(duì)CH*輻射強(qiáng)度曲線的影響規(guī)律與曲線di～3di范圍內(nèi)的所在高度有關(guān)，同一高度時(shí)在4種空氣流量下的影響趨勢(shì)基本一致，圖中，從左至右依次距離內(nèi)噴嘴出口距離為di，2di，3di。其中，曲線在火焰頸對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)di時(shí)，不同工況下在放電前后難以獲得一致性的變化規(guī)律，這可能是由于此處流動(dòng)劇烈，使得實(shí)驗(yàn)裝置安裝誤差和隨機(jī)環(huán)境擾動(dòng)對(duì)流場(chǎng)形成較強(qiáng)干擾所致，在激勵(lì)器開啟后可以看出，不同空氣流量下對(duì)應(yīng)Φoverall=0.6的曲線左側(cè)峰值和Φoverall=1.4的兩側(cè)峰值均發(fā)生降低，此外在air=15、20 L/minair=20～25 L/min）可以看到Φoverall=1.4的CH*輻射強(qiáng)度則又明顯小于Φoverall=0.6。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是因?yàn)樵诮?jīng)歷基火焰的初始卷吸之后，空氣與甲烷速度差有所減小使卷吸作用減弱，在空氣和甲烷的剪切層可形成清晰的接觸面，當(dāng)量比更高時(shí)剪切層附近的甲烷局部濃度更高，因此燃燒產(chǎn)生了更多CH*，以致高當(dāng)量比時(shí)CH*輻射強(qiáng)度峰值更大。由于甲烷向空氣一側(cè)的擴(kuò)散主要與卷吸作用有關(guān)，而Φoverall=1.4時(shí)空氣-甲烷時(shí)，2種當(dāng)量比下放電后峰值外側(cè)的CH*輻射強(qiáng)度有所增大，且CH*分布寬度有一定拓展，這表明放電后火焰頸內(nèi)側(cè)的釋熱速率有所降低，同時(shí)等離子體的氣動(dòng)效應(yīng)有利于促進(jìn)甲烷向空氣一側(cè)的摻混，從而提高了外側(cè)的燃燒強(qiáng)度并擴(kuò)大了燃燒范圍。由于火焰頸下方是基火焰，根據(jù)2.1節(jié)可知放電后基火焰燃燒強(qiáng)度有顯著提高，由此分析，放電后火焰頸部釋熱峰值降低可能是因?yàn)榛鹧婊幣c空氣摻混的甲烷在等離子體作用下快速燃燒消耗，使中心主流處的甲烷沒有及時(shí)向空氣一側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散摻混所致。此外，根據(jù)放電增強(qiáng)了火焰頸部甲烷與外側(cè)空氣摻混這一變化可知，盡管基火焰區(qū)域是空氣對(duì)甲烷卷吸的初始作用區(qū)，本身流場(chǎng)變化較為劇烈，但等離子體氣動(dòng)效應(yīng)仍可有效增強(qiáng)該處的空氣/甲烷摻混。

當(dāng)CH*輻射強(qiáng)度曲線對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)2di、3di時(shí)，曲線位于火焰頸上方的細(xì)長(zhǎng)火焰區(qū)域，根據(jù)圖8可知，與縱坐標(biāo)di對(duì)應(yīng)現(xiàn)象不同的是，在2di、3di時(shí)CH*輻射強(qiáng)度峰值在所有燃燒條件下放電后均得到顯著提高，表明等離子體可有效增大火焰頸上方剪切層的燃燒釋熱速率，同時(shí)CH*分布寬度得到擴(kuò)大，這與縱坐標(biāo)為di時(shí)影響趨勢(shì)一致，可有效拓寬燃燒的徑向分布寬度。值得注意的是，等離子體對(duì)CH*分布的拓寬效果在Φoverall=0.6時(shí)更加明顯，而Φoverall=1.4時(shí)僅在V ·air=10 L/min有一定效果，其他大部分燃燒工況下現(xiàn)象并不明顯，由于空氣/甲烷摻混過程受等離子體氣動(dòng)效應(yīng)影響，可知同軸剪切射流在氧-燃動(dòng)量比較高，本身卷吸摻混更為劇烈的條件下，更有利于發(fā)揮等離子體氣動(dòng)效應(yīng)的強(qiáng)化摻混作用。此外，在Φoverall=1.4時(shí)可知，盡管等離子體對(duì)射流的氣動(dòng)摻混能力減弱，但仍可有效增大CH*輻射強(qiáng)度峰值，顯著提高剪切層燃燒釋熱速率，且在縱坐標(biāo)3di時(shí)，air=10～15 L/min部分工況下增幅明顯高于Φoverall=0.6，這表明盡管火焰頸上方的細(xì)長(zhǎng)剪切層距噴嘴出口有一定距離，活性粒子在傳播過程中濃度有一定衰減，但對(duì)提高剪切層的燃燒釋熱速率仍起到重要作用。

圖8 不同空氣流量下放電對(duì)CH*自發(fā)輻射強(qiáng)度徑向分布曲線的影響Fig.8 Influence of discharge on CH*chemiluminescence radiation intensity radial distribution profiles at different air flow rates

3 結(jié) 論

1）對(duì)于空氣/甲烷同軸剪切氣-氣噴注，SDBD等離子體逆向氣動(dòng)激勵(lì)可有效增大射流流場(chǎng)湍流強(qiáng)度，強(qiáng)化空氣和甲烷摻混，擴(kuò)大下游射流范圍，并且對(duì)下游流場(chǎng)的作用效果隨射流速度增大明顯減弱。

2）等離子體對(duì)火焰形態(tài)的影響主要與其氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)火焰下游流場(chǎng)的作用效果有關(guān)，全局當(dāng)量比一定時(shí)，在空氣流量較低條件下，施加等離子體后火焰高度降低且寬度增大，形態(tài)更加“矮胖”，隨著空氣流量增大，等離子體對(duì)火焰形態(tài)的控制能力逐漸減弱。

3）等離子體氣動(dòng)激勵(lì)在火焰上游區(qū)域可顯著提高火焰基和細(xì)長(zhǎng)剪切層的燃燒釋熱速率，這主要與其活化效應(yīng)有關(guān)，同時(shí)其氣動(dòng)效應(yīng)有助于剪切層增強(qiáng)摻混實(shí)現(xiàn)更寬范圍的燃燒。此外，等離子體可促進(jìn)火焰下游區(qū)域甲烷充分燃燒，在全局當(dāng)量比或射流速度較高時(shí)，會(huì)顯著提高下游CH*輻射強(qiáng)度。