直流電壓下電場(chǎng)對(duì)植被火焰影響的機(jī)理分析

普子恒，孫?？?，黎?鵬，吳?田，方春華

直流電壓下電場(chǎng)對(duì)植被火焰影響的機(jī)理分析

普子恒1, 2，孫?？?，黎?鵬1, 2，吳?田1, 2，方春華1, 2

(1. 三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，宜昌 443002；2. 湖北省輸電線路工程技術(shù)研究中心，宜昌 443002)

為研究直流電壓對(duì)植被火焰溫度、高度和離子濃度等燃燒狀態(tài)的影響，提出了化學(xué)反應(yīng)-溫度-流體-電場(chǎng)多物理場(chǎng)耦合模型．首先確定流體、溫度等之間相互關(guān)系，然后確定植被燃燒相關(guān)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式，最后利用多物理場(chǎng)耦合模型仿真分析不同電場(chǎng)作用下火焰的溫度、流速以及離子濃度的變化規(guī)律．結(jié)果表明，負(fù)極性條件下隨著電壓升高，靠近電極火焰的最高溫度依次增高，且－10kV、－20kV和－30kV分別比無(wú)電壓條件下高139℃、215℃和219℃；正極性條件下隨著電壓升高，靠近電極火焰的最高溫度呈先下降后上升的趨勢(shì)，且10kV、20kV和30kV分別比無(wú)電壓條件下高200℃、159℃和286℃．火焰達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，10kV與－10kV相較于無(wú)電壓條件下火焰高度增幅分別為11.31%和31.98%．在一定電壓范圍內(nèi)，正極性電壓越高，火焰向上傳播速率越快，而負(fù)極性電壓越高，火焰向上傳播速率越慢．通過(guò)分析離子變化規(guī)律，20s時(shí)刻－10kV火焰H3O＋、HCO＋摩爾分?jǐn)?shù)分別比無(wú)電壓情況下增加34.5%和45.7%．

直流電壓；多物理場(chǎng)；燃燒熱解；化學(xué)反應(yīng)

近年來(lái)隨著特高壓直流線路相繼建成投運(yùn)，長(zhǎng)距離直流輸電線路的山火問(wèn)題日益突出，使得山火跳閘事故頻發(fā)．國(guó)內(nèi)外針對(duì)山火條件下間隙擊穿特性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)[1-4]．研究表明，火焰體中帶電粒子受電場(chǎng)影響[5-6]，導(dǎo)致不同極性下火焰形態(tài)存在明顯差異．火焰中帶電粒子畸變電場(chǎng)是導(dǎo)致整個(gè)間隙擊穿的原因之一，而不同極性火焰的離子產(chǎn)生的畸變場(chǎng)強(qiáng)各異，致使擊穿場(chǎng)強(qiáng)不同[7-9]；另外，山火燃燒使得溫度升高，粒子熱電離和碰撞電離概率增大，同時(shí)空氣密度下降，增大電子平均自由行程，電子在電場(chǎng)中加速到相應(yīng)電離能的電場(chǎng)強(qiáng)度降低．不同極性電壓對(duì)火焰存在不同程度的壓縮或拉伸效應(yīng)，導(dǎo)致電極附近火焰溫度存在差異，引起電暈起始場(chǎng)強(qiáng)和起始電壓改變．因此，研究不同極性電壓的火焰形態(tài)對(duì)擊穿電場(chǎng)的影響具有重要意義．

電場(chǎng)會(huì)改變火焰中離子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，調(diào)控火焰特性．Belhi等[10]針對(duì)電場(chǎng)對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，證實(shí)電場(chǎng)中火焰電體積力的存在，表明電場(chǎng)作用可改變火焰?zhèn)鞑ニ俾?，施加正極性電壓后，火焰尖端軸向速度先下降后上升，最后穩(wěn)定在0.38m/s. Fialkov[11]針對(duì)火焰中離子的產(chǎn)生以及相關(guān)作用機(jī)理進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量火焰中的帶電物質(zhì)，描述相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，最后對(duì)電場(chǎng)控制火焰進(jìn)行了總結(jié)綜述. Wisman等[12]研究直流靜電場(chǎng)對(duì)甲烷火焰穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為高壓下可以產(chǎn)生靜電壓力，向反應(yīng)區(qū)注入H3O+、HCO+離子，使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，起到穩(wěn)定燃燒的作用．但上述研究均僅在微尺度條件下考慮電場(chǎng)對(duì)甲烷或其他氣體火焰特性的影響．植被燃燒過(guò)程相較于預(yù)混火焰更為復(fù)雜，預(yù)混火焰是可燃?xì)怏w之間發(fā)生反應(yīng)，而植被燃燒過(guò)程存在高分子裂解，各種氣體揮發(fā)分的氧化，并在燃燒過(guò)程中大量的堿金屬和堿土金屬卷入火焰，高溫區(qū)發(fā)生熱電離，產(chǎn)生大量的電子和離子以及大量荷電顆粒．這種復(fù)雜的效應(yīng)將嚴(yán)重影響火焰與電場(chǎng)之間的相互作用．

部分學(xué)者針對(duì)單純的森林可燃物熱解和燃燒動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了一定程度的研究．?；鄄齕13]引入化學(xué)意義上統(tǒng)一的氣-固兩相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，對(duì)3種森林可燃物的熱解和燃燒過(guò)程進(jìn)行擬合．陳海翔[14]提出了適用于空氣氣氛下的兩步連續(xù)反應(yīng)模型，結(jié)合氣-固兩相傳熱傳質(zhì)模型，對(duì)兩種木材(柞木和落葉松)在空氣氣氛下的燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算．王秋華等[15]測(cè)定不同林型地表可燃物的火焰高度、最大火焰深度以及最高溫度，并得出4種可燃物燃燒時(shí)溫度在700℃左右．以上研究針對(duì)不同的生物質(zhì)種類，進(jìn)行了生物質(zhì)在不同氣氛下的熱解過(guò)程研究，根據(jù)熱分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，但較少關(guān)注電場(chǎng)對(duì)于森林火災(zāi)的火焰體影響，因此需要建立合理仿真模型，分析電場(chǎng)對(duì)植被火焰燃燒狀態(tài)的影響．

為此，本文結(jié)合上述兩類研究，利用多物理場(chǎng)耦合模型，通過(guò)模型加載10kV/20kV/30kV、－10kV/－20kV/－30kV電壓，分析對(duì)比不同極性以及不同電壓大小下火焰燃燒狀態(tài)，最后得到不同極性下空間流速大小以及電場(chǎng)對(duì)HCO＋、H3O＋濃度的影響規(guī)律．

1?電場(chǎng)作用下火焰燃燒的多物理場(chǎng)仿真方法

1.1?多物理場(chǎng)耦合關(guān)系

圖1?植被燃燒多物理場(chǎng)耦合關(guān)系

1.2?控制方程

1.2.1?氣相守恒方程

1.2.2?電場(chǎng)作用方程

式中：＋和－分別表示正負(fù)載流子的性質(zhì)；表示電子電荷．其中電場(chǎng)強(qiáng)度求解通過(guò)與電勢(shì)的微分關(guān)系：

根據(jù)帶電物質(zhì)濃度隨時(shí)間變化，求解每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下電勢(shì)分布的泊松方程：

1.3?含帶電物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)模型

植被燃燒一般分為5個(gè)階段：預(yù)熱、分解、著火、燃燒和蔓延．森林高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)以杉木為主，本文采用杉樹木垛作為研究對(duì)象．杉木的主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素．纖維素化學(xué)式(C6H10O5)，一般認(rèn)為纖維素?zé)峤膺^(guò)程分為兩個(gè)階段：通過(guò)纖維素?zé)峤到馍蓳]發(fā)性和非揮發(fā)性中間物，該過(guò)程被視為一次反應(yīng)；進(jìn)一步降解產(chǎn)生氣體、焦油以及炭和焦炭等最終產(chǎn)物，該過(guò)程被視為二次反應(yīng)．由于燃燒過(guò)程復(fù)雜，假定揮發(fā)分為甲烷、二氧化碳和一氧化碳，不可揮發(fā)分為炭．相關(guān)反應(yīng)如下：

同時(shí)高溫作用下會(huì)存在一定的熱電離和化學(xué)電離，火焰離子來(lái)源如式(11)所述[17]：

通過(guò)以下反應(yīng)，HCO＋迅速轉(zhuǎn)化為H3O+：

此反應(yīng)瞬間發(fā)生，特征時(shí)間短．假定HCO+立即轉(zhuǎn)化為H3O+，忽略HCO+離子的輸運(yùn)時(shí)間．H3O+通過(guò)與電子的離解復(fù)合反應(yīng)重新結(jié)合：

火焰中的大量離子與電子主要來(lái)源于碰撞電離和化學(xué)燃燒產(chǎn)生的化學(xué)電離、熱電離、光電離．植被火焰中電子數(shù)密度為108～1011cm-3[18]．

1.4?仿真模型建立

1.4.1?幾何模型

火焰條件下的模型主要包括：棒電極、空氣間隙、固體燃料區(qū)．本文考慮火焰體存在近似軸對(duì)稱關(guān)系，棒電極產(chǎn)生的靜電場(chǎng)具有近似軸對(duì)稱關(guān)系，此處對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用二維軸對(duì)稱模型，減少計(jì)算量并促進(jìn)收斂，如圖2所示．

圖2?仿真模型(單位：cm)

仿真模型中將燃燒植被固體燃料部分簡(jiǎn)化等效為半徑10cm、高15cm的梯形與矩形的組合．棒電極半徑為1.5cm，長(zhǎng)度為20cm，距離地面高度為110cm．并設(shè)置半徑為100cm，高度為 200cm的空氣包為外邊界，邊界條件設(shè)置為開放邊界．

1.4.2?模型特性參數(shù)

固體燃料區(qū)作為植被主要燃燒區(qū)域，其化學(xué)成分如表1所示[19]．纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在植被中的近似比例約為2∶1∶1，這些高分子化合物在植被烘干后的質(zhì)量中占90%左右，它們的主要化學(xué)元素為C(碳)，H(氫)，O(氧)．通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)得植被的物性參數(shù)如表2所示[14]．

表1?植被杉樹的化學(xué)成分

Tab.1?Chemical composition of fir %

表2?植被物性參數(shù)

Tab.2?Physical parameters of vegetation

由表1可知，纖維素占主要成分，而纖維素主要分解過(guò)程如式(8)，模型由固體燃料區(qū)首先通過(guò)反應(yīng)式(8)得到氣體揮發(fā)分．在非等溫條件下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程可以表述為

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定[14]，反應(yīng)(8)的指前因子為0.880×1010s-1，活化能a為80kJ/mol．

考慮揮發(fā)分與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，各反應(yīng)速率方程如表3[20]所示．離子反應(yīng)的阿倫尼烏斯系數(shù)如表4所示[21]，速率常數(shù)＝ATexp(a/)，單位為cm3/(mol·s)．

表3?氧化反應(yīng)方程式與反應(yīng)速率方程

Tab.3 Oxidation reaction equations and reaction rate equations

表4?離子反應(yīng)的阿倫尼烏斯系數(shù)

Tab.4?Arrhenius coefficient of ionic reactions

1.4.3?模型設(shè)置

由多物理場(chǎng)耦合關(guān)系可知，植被燃燒包括流體流動(dòng)、傳熱與傳遞等過(guò)程．溫度模塊與流體模塊構(gòu)成非等溫流體傳熱，在處理這種湍流流動(dòng)的模擬計(jì)算中，在對(duì)比于標(biāo)準(zhǔn)模型后，采用更適用于模擬燃燒渦旋的重整化群RNG(renormalization group)-模型，化學(xué)反應(yīng)熱源的溫度變化影響流體的流速與壓強(qiáng)，并且通過(guò)化學(xué)反應(yīng)與傳熱進(jìn)行耦合．流體中空氣設(shè)置為弱可壓縮流并考慮自然對(duì)流．濃度場(chǎng)與化學(xué)反應(yīng)存在強(qiáng)耦合關(guān)系，其中化學(xué)反應(yīng)模塊提供化學(xué)方程，濃度場(chǎng)中設(shè)置物質(zhì)的量以及物質(zhì)荷電量．

2?仿真結(jié)果與分析

2.1?直流電場(chǎng)數(shù)值模擬

利用軟件對(duì)棒電極加載高電位，木垛區(qū)域接地，對(duì)空間電場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬．由于正負(fù)極性電場(chǎng)大小相等方向相反，圖3給出加載10kV電壓下空間電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖．由圖可知，電場(chǎng)集中分布在電極附近，且從電極往木垛方向電場(chǎng)強(qiáng)度依次衰減．

圖3?10kV空間電場(chǎng)分布

2.2?不同加壓方式下火焰溫度分布特征

圖4和圖5分別給出了無(wú)電壓與施加±10kV情況下不同時(shí)刻的溫度分布和火焰輪廓．仿真設(shè)定初始溫度150℃作為點(diǎn)火溫度，以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，環(huán)境溫度設(shè)定為25℃．從圖4可知：燃燒初期，反應(yīng)物受流體影響產(chǎn)生了自然對(duì)流，火焰整體呈半橢圓形態(tài)．粒子靠近電極下方距離越近，受到電場(chǎng)強(qiáng)度作用越大，電子以及離子運(yùn)動(dòng)速度加快，遠(yuǎn)離電極的離子遷移速度與電極下方流體離子遷移速度存在速度差，因此燃燒中期火焰呈錐形分布．負(fù)極性電壓下大量陽(yáng)離子向上運(yùn)動(dòng)，部分離子擴(kuò)散至火焰外焰．故負(fù)極性下火焰擴(kuò)散速度快于正極性火焰．Oka等在研究中發(fā)現(xiàn)溫升為 200～300℃的等溫線與攝像機(jī)記錄的火焰形態(tài)較為吻合．因此，圖5每隔100℃設(shè)置等溫區(qū)域，采用200～300℃的等溫線作為平均火焰輪廓．各時(shí)刻-10kV/10kV火焰高度與無(wú)電壓火焰高度對(duì)比如表5所示．

通過(guò)表5得到-10kV/10kV相較于正常情況下火焰高度均有所增加，-10kV增加幅度明顯大于10kV．兩者增加趨勢(shì)呈現(xiàn)差異，-10kV增幅呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，整體平均幅度穩(wěn)定在32%左右；10kV增幅呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，火焰達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，火焰增幅為11.31%．

表5?火焰高度對(duì)比

Tab.5?Comparison of flame height

正極性電壓下，燃燒前中期階段，大量離子受向上的流體力，越靠近電極，陽(yáng)離子所受的電場(chǎng)力越大，導(dǎo)致陽(yáng)離子速度減慢，抑制陽(yáng)離子向上運(yùn)動(dòng)．反應(yīng)主要發(fā)生在電極以下，故正極性下火焰增加幅度相較于負(fù)極性更?。姌O附近流體場(chǎng)發(fā)生改變，反應(yīng)物質(zhì)受電極固體的影響速度方向發(fā)生改變，導(dǎo)致電極附

近存在渦流[22]．上述現(xiàn)象表明，電場(chǎng)通過(guò)改變離子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致火焰溫度的分布差異影響火焰形態(tài)．實(shí)驗(yàn)表明正極性下其火焰振蕩相較于負(fù)極性不明顯，但有明顯電弧產(chǎn)生[23]．

分析不同高度及不同時(shí)間的間隙溫度變化，取4個(gè)截點(diǎn)，如圖6所示．截點(diǎn)與對(duì)稱軸水平距離交替變化，并依次增加高度．以截點(diǎn)、、分析火焰外焰溫度分布，截點(diǎn)為分析電極附近溫度變化．無(wú)電壓與施加±10kV情況下火焰燃燒周期的溫度曲線如圖7所示．

一個(gè)燃燒周期內(nèi)，不同加壓方式整體溫度分布趨勢(shì)大致相同，并存在衰減式振蕩[24]．在點(diǎn)、、處施加負(fù)極性電壓火焰的整體溫度明顯高于施加正極性電壓火焰的整體溫度，達(dá)到峰值時(shí)間也相對(duì)前置. 燃燒中期，負(fù)極性電壓通過(guò)電場(chǎng)對(duì)離子的作用促進(jìn)火焰的傳播；帶電離子加速中可能與中性粒子或者電子發(fā)生碰撞進(jìn)行能量與動(dòng)量的交換以及發(fā)生相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，改變了附近流場(chǎng)的變化，加速了化學(xué)反應(yīng)速率，故負(fù)極性電壓下火焰溫度整體較高．負(fù)極性下火焰到達(dá)峰值時(shí)間超前正極性火焰1～2s，由于火焰中主要發(fā)生反應(yīng)的陽(yáng)離子在負(fù)極性電場(chǎng)下被加速，而正極性電壓下運(yùn)動(dòng)受到抑制．由點(diǎn)可以明顯看出加壓條件下火焰溫度高于正?；鹧鏈囟?00℃，表明在電極附近反應(yīng)劇烈，提高了電極附近溫度．

圖6?截點(diǎn)位置

圖7?不同加壓方式的各點(diǎn)溫度分布

2.3?電壓大小對(duì)火焰的影響分析

對(duì)電極分別施加10kV、20kV、30kV電壓，一個(gè)周期內(nèi)，各截點(diǎn)溫度曲線如圖7(b)和圖8所示，各點(diǎn)溫度峰值對(duì)比如表6所示．圖8可以看出，點(diǎn)、、最高溫度存在振蕩衰減并最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)．隨著電壓的升高，火焰向上傳播的速度提高，溫度達(dá)到峰值的時(shí)間超前．由表6可知，20kV各點(diǎn)溫度峰值均低于10kV、30kV溫度峰值，隨著電壓升高，各點(diǎn)最高溫度呈先下降后上升的趨勢(shì)，且10kV、20kV和30kV靠近電極火焰點(diǎn)分別比無(wú)電壓條件下高200℃、159℃和286℃．點(diǎn)溫度上升與下降速率較快，離子最初由于流體力往上運(yùn)動(dòng)，一部分離子被吸附，另一部分離子當(dāng)受流體力大于電場(chǎng)力時(shí)，離子被迅速加速到電極上方，在電極附近發(fā)生離子反應(yīng)時(shí)間極短，導(dǎo)致溫度產(chǎn)生突變．

圖8?正極性不同電壓下各點(diǎn)溫度分布

對(duì)電極分別施加-10kV，-20kV，-30kV電壓，一個(gè)周期內(nèi)，各截點(diǎn)溫度如圖7(c)和圖9所示，各點(diǎn)溫度峰值對(duì)比如表7所示．圖9可以看出，-10kV火焰的傳播速率最快，負(fù)極性電極電子擴(kuò)散速度遠(yuǎn)大于離子速度，電子受到電場(chǎng)影響，減弱了電子的遷移，在火焰底部發(fā)生離子反應(yīng)．電壓升高，陽(yáng)離子遷移速率變快，電子的遷移速度下降．由表7可知，電壓升高，除點(diǎn)外，各點(diǎn)火焰峰值溫度逐漸升高，且-10kV、-20kV和-30kV分別比無(wú)電壓條件下高139℃、215℃和219℃．點(diǎn)，點(diǎn)和點(diǎn)達(dá)到最高溫度的時(shí)間相較于-10kV滯后，表明負(fù)極性電壓升高，削弱了火焰擴(kuò)散速度．

表6?正極性電壓下各點(diǎn)溫度峰值對(duì)比

Tab.6 Comparisonof temperature peaks at various points under positive polarity voltage

圖9?負(fù)極性不同電壓下各點(diǎn)溫度分布

表7?負(fù)極性電壓下各點(diǎn)溫度峰值對(duì)比

Tab.7 Comparisonof temperature peaks at various points under negative polarity voltage

2.4?不同極性對(duì)流場(chǎng)的影響分析

不同極性各個(gè)時(shí)刻流速云圖如圖10所示．電極作用下離子運(yùn)動(dòng)影響流體流速．加壓情況下火焰空氣流速明顯增大．流速初始階段呈現(xiàn)凸型分布，空氣存在溫度差與壓強(qiáng)差，同時(shí)熱力環(huán)流使熱空氣向上遇冷空氣產(chǎn)生流速差[25]．-10kV相較于0kV與10kV更快傳播到電極附近，10kV在橫向流速擴(kuò)散寬度大于-10kV，主要受到離子遷移速度影響，負(fù)極性下陽(yáng)離子遷移更快，越靠近電極所受的電場(chǎng)力越大，電子由于熱力環(huán)流向上運(yùn)動(dòng)，靠近電極速度逐漸變慢．正極性下陽(yáng)離子受電場(chǎng)排斥，未到達(dá)電極或向電極外運(yùn)動(dòng)，而電子迅速向電極移動(dòng)，因此電子與陽(yáng)離子主要在電極以下發(fā)生反應(yīng)，使得電極以下流速變化比較?明顯．

2.5?不同極性下離子摩爾分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

圖11給出不同極性情況下離子隨時(shí)間的變化規(guī)律．由圖可知，HCO+摩爾分?jǐn)?shù)明顯低于H3O+摩爾分?jǐn)?shù)，反應(yīng)方程(12)的反應(yīng)速率極快，反應(yīng)產(chǎn)生的HCO+馬上轉(zhuǎn)變成H3O+．

無(wú)電極與正極性下HCO+、H3O+摩爾分?jǐn)?shù)呈先上升后下降的趨勢(shì)，18s左右離子的生成速率最快．負(fù)極性電壓下，大量HCO+受電場(chǎng)以及流體的作用向上運(yùn)動(dòng)，充分與水分子發(fā)生反應(yīng)生成H3O+，由圖可知，20s時(shí)刻下-10kV火焰H3O+、HCO+摩爾分?jǐn)?shù)分別比無(wú)電壓情況下增加34．5%和45.7%．

圖11?離子隨時(shí)間變化規(guī)律

3?結(jié)?論

本文結(jié)合直流電壓下典型植被的燃燒特征，建立溫度、流體、電場(chǎng)和化學(xué)反應(yīng)的多物理場(chǎng)耦合模型，分析不同極性下火焰體的溫度分布、流體流速，以及相關(guān)離子的摩爾分?jǐn)?shù)．主要結(jié)論如下：

(1) 在火焰上施加正負(fù)極性電壓，火焰在施加電壓的方向均受到不同程度的拉伸并產(chǎn)生變形，相較于無(wú)電壓條件下-10kV火焰高度增幅大于10kV，-10kV火焰各個(gè)時(shí)刻增幅穩(wěn)定在31.98%左右，而10kV火焰高度增幅不超過(guò)11.31%．

(2) 正極性電壓下，電壓增大，火焰的傳播速度逐漸增加，各點(diǎn)最高溫度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)．負(fù)極性電壓下，電壓增大，火焰的傳播速度下降，火焰底部溫度分布呈先下降后上升趨勢(shì)．

(3) 無(wú)電極與正極性下離子生成速率存在特定峰值．20s時(shí)刻下-10kV火焰H3O+、HCO+摩爾分?jǐn)?shù)分別比無(wú)電壓情況下增加34.5%和45.7%．

［1］ 黎?鵬，阮江軍，黃道春，等．模擬山火條件下導(dǎo)線-板間隙擊穿特性影響因素分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，33(1)：195-201.

Li Peng，Ruan Jiangjun，Huang Daochun，et al. Anal-ysis of factors affecting conductor-plate gap breakdown characteristics under simulated hill fire conditions[J].，2018，33(1)：195-201(in Chinese).

［2］ 吳?田，阮江軍，胡?毅，等. 500kV輸電線路的山火擊穿特性及機(jī)制研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(34)：163-170.

Wu Tian，Ruan Jiangjun，Hu Yi，et al. Study of hillfi-re breakdown characteristics and mechanism of 500kV transmission lines[J].，2011，31(34)：163-170(in Chinese).

［3］ Mphale K M，Heron M，Ketlhwaafetse R，et al. Interferometric measurement of ionization in a grassfire [J].，2010，106(2/3)：191-203.

［4］ Kago E M，Mphale K，Douglas L，et al. Measurement of breakdown electric field strength for vegetation and hydrocarbon flames[J].，2018，10：53-66.

［5］ 劉小平，林其釗. 上山火加速過(guò)程的模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2000，6(4)：359-362.

Liu Xiaoping，Lin Qizhao. Simulation calculation and experimental research on the accelerating process of uphill fire[J].，2000，6(4)：359-362(in Chinese).

［6］ 陳?琪，閆麗敏，張?浩，等. 直流及低頻交流電場(chǎng)條件下擴(kuò)散火焰電學(xué)特性分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2014，20(4)：307-312.

Chen Qi，Yan Limin，Zhang Hao，et al. Analysis and experimental verification of the electrical characteristics of the diffusion flame under DC and low-frequency AC electric fields[J].，2014，20(4)：307-312(in Chinese).

［7］ 普子恒，阮江軍，吳?田，等. 火焰中顆粒對(duì)間隙放電特性的影響[J]. 高電壓技術(shù)，2014(1)：103-110.

Pu Ziheng，Ruan Jiangjun，Wu Tian，et al. Effect of particles in flames on gap discharge characteristics[J].，2014(1)：103-110(in Chinese).

［8］ 普子恒，王子鳴，史星濤，等. 直流電壓下燃燒顆粒在間隙中的運(yùn)動(dòng)和分布規(guī)律[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2020，35(S2)：612-619.

Pu Ziheng，Wang Ziming，Shi Xingtao，et al. Combustion particles under DC voltage movement and distribution law in the gap[J].，2020，35(S2)：612-619(in Chinese).

［9］ 普子恒，史星濤，周晨曲，等. 直流電壓下植被燃燒顆粒在火焰間隙中的運(yùn)動(dòng)分析[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2020，42(2)：68-74.

Pu Ziheng，Shi Xingtao，Zhou Chenqu，et al. Analysis of the motion of vegetation burning particles in the flame gap under DC voltage[J].()，2020，42(2)：68-74(in Chinese).

［10］ Belhi Memdouh，Pascale Domingo，Pierre Vervisch. Direct numerical simulation of the effect of an electric field on flame stability[J].，2010，157(12)：2286-2297.

［11］ Fialkov A B. Investigations on ions in flames[J].，1997，23(5/6)：399-528.

［12］ Wisman D L，Marcum S D，Ganguly B N. Electrical control of the thermodiffusive instability in premixed propane-air flames[J].，2007，151(4)：639-648.

［13］ 牛慧昌. 森林可燃物熱解動(dòng)力學(xué)及燃燒性研究[D]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，2014.

Niu Huichang. Study on Pyrolysis Kinetics and Com-bustibility of Forest Combustibles [D]. Hefei：School of Engineering Science，University of Science and Technology of China，2014(in Chinese).

［14］ 陳海翔. 生物質(zhì)熱解的物理化學(xué)模型與分析方法研究[D]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，2006.

Chen Haixiang. Research on Physicochemical Modeling and Analytical Methods of Biomass Pyrolysis [D]. Hefei：School of Engineering Science，University of Science and Technology of China，2006(in Chinese).

［15］ 王秋華，張文文，繆秀麗，等. 昆明周邊4種主要林型地表可燃物的火焰特征[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)，2021，40(7)：1082-1085.

Wang Qiuhua，Zhang Wenwen，Miao Xiuli，et al. Flame characteristics of surface combustible materials in four major forest types around Kunming[J].，2021，40(7)：1082-1085(in Chinese)

［16］ UhmHan S. Properties of plasmas generated by electrical breakdown in flames[J].，1999，6(11)：4366-4374.

［17］ Byram G M.[M]. New York，USA：McGraw Hill，1959.

［18］ Pedersen T，Brown R C. Simulation of electric field effects in premixed methane flames[J].，1993，94(4)：433-448.

［19］ 李?堅(jiān). 木材科學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2002.

Li Jian.[M]. Beijing：Higher Education Press，2002(in Chinese).

［20］ Zhou H，Jensen A D，Glarborg P，et al. Numerical modeling of straw combustion in a fixed bed [J].，2005，84(4)：389-403.

［21］ 崔?巍，楊君宇，任翊華，等. 電場(chǎng)作用下火焰中離子對(duì)燃燒反應(yīng)速率的數(shù)值模擬研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2018，39(6)：1395-1400.

Cui Wei，Yang Junyu，Ren Yihua，et al. Numerical simulation of ion-to-combustion reaction rate in flame under electric field [J].，2018，39(6)：1395-1400(in Chinese).

［22］ 唐安東，孟祥文，周竹杰，等. 非均勻電場(chǎng)對(duì)球形火焰特性的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2013，19(3)：275-280.

Tang Andong，Meng Xiangwen，Zhou Zhujie，et al. The influence of non-uniform electric field on the characteristics of spherical flame[J].，2013，19(3)：275-280(in Chinese).

［23］ 普子恒，阮江軍，黃道春，等. 火焰條件下間隙的直流電壓擊穿特性研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(3)：453-459.

Pu Ziheng，Ruan Jiangjun，Huan Daochun，et al. Study of DC voltage breakdown characteristics of gaps under flame conditions [J].，2014，34(3)：453-459(in Chinese).

［24］ 任翊華. 基于氣相合成的復(fù)雜火焰場(chǎng)在線光學(xué)診斷與調(diào)控[D]. 北京：清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2018.

Ren Yihua. Online Optical Diagnosis and Tuning of Complex Flame Fields Based on Gas-Phase Synthesis [D]. Beijing：School of Mechanical Engineering，Tsinghua University，2018(in Chinese).

［25］ 金?武，任超群，湯朝偉，等. 強(qiáng)湍流下甲烷稀燃預(yù)混火焰的穩(wěn)定性研究[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2021，27(2)：148-154.

Jin Wu，Ren Chaoqun，Tang Chaowei，et al. Study on the stability of methane lean burn premixed flame under strong turbulence[J].，2021，27(2)：148-154(in Chinese).

Mechanism Analysis of Effect of Electric Field on Vegetation Flame Under DC Voltage

Pu Ziheng1, 2，Sun Ruikang1，Li Peng1, 2，Wu Tian1, 2，F(xiàn)ang Chunhua1, 2

(1. School of Electrical and New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，China；2. Hubei Provincial Engineering Technology Research Center for Power Transmission Line，Yichang 443002，China)

In order to study the effect of DC voltage on the vegetation combustion states，such as flame tempera-ture，height and ion concentration，a coupled multiphysics model of chemical reaction-temperature-fluid-electric field was proposed. First，the interrelationship between fluid and temperature was determined. Then，the chemical reaction processes and chemical reaction formulas related to vegetation combustion were determined. Finally，the changes of flame temperature，flow rate and ion concentration under the effect of different electric fields were simulated and analyzed by the coupled multiphysics model. The results showed that the maximum temperature of the flame near the electrode increased with the increase of voltage under the negative polarity condition，which was 139℃，215℃ and 219℃ higher than that under the no-voltage condition at -10kV，-20kV and -30kV，respectively，under the positive polarity condition，the maximum temperature of the flame near the electrode decreased first and then increased with the increase of voltage，which was 200℃，159℃ and 286℃ higher than that under the no-voltage condition at 10kV，20kV and 30kV，respectively. When the flame reached stability，compared with that under the no-voltage condition the flame height increased by 11.31% and 31.98% at 10kV and ?-10kV，respectively. Within a certain voltage range，the higher the positive polarity voltage，the faster the flame propagation；the higher the negative polarity voltage，the slower the flame propagation. The analysis of the ion changing law shows that compared with those in the no-voltage case the mole fractions of H3O+and HCO+of the ?-10kV flame at 20s increased by 34.5% and 45.7%，respectively.

DC voltage；multiphysics field；combustion pyrolysis；chemical reaction

TM75

A

1006-8740(2022)04-0379-10

10.11715/rskxjs.R202112009

2021-12-16.

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51607103).

普子恒（1987—??），男，博士，副教授.

普子恒，pzhdq@ctgu.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)