電場(chǎng)對(duì)火焰特性的影響

郭宏展,姜根柱

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇省 鎮(zhèn)江市 212100)

0 引言

飛速發(fā)展的科技和不斷加快的經(jīng)濟(jì)全球化使能源問(wèn)題日益突出。能源短缺、現(xiàn)有燃料使用效率不高、排放的污染物過(guò)多都是導(dǎo)致環(huán)境惡化的原因。提高現(xiàn)有能源利用效率、開(kāi)發(fā)可替代的清潔能源是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。電場(chǎng)助燃、等離子體助燃等新型燃燒技術(shù)在近些年逐步走進(jìn)大眾視野[1-3]。第一批研究火焰導(dǎo)電性的學(xué)者指出,在燃燒過(guò)程中,火焰中不僅產(chǎn)生自由離子,也產(chǎn)生自由電子,所以利用電磁場(chǎng)可從火焰的外部來(lái)影響燃燒。近代有關(guān)研究顯示,電場(chǎng)的加入可使燃料燃燒的效率得到提升,且污染物的排放也會(huì)得到有效減少。因此,深入研究分析電場(chǎng)輔助燃燒技術(shù),對(duì)于應(yīng)對(duì)能源問(wèn)題具有重要意義。

電場(chǎng)輔助燃燒是利用電場(chǎng)與燃燒火焰產(chǎn)生的流場(chǎng)進(jìn)行耦合的方法,使燃料的燃燒火焰特性(如火焰穩(wěn)定性、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃燒產(chǎn)生的污染物數(shù)量[4-8]等)出現(xiàn)變化,而這些與施加的電場(chǎng)形式、強(qiáng)度和施加方式等又有關(guān)。1951年,文獻(xiàn)[9]研究了在縱向電場(chǎng)條件下Bunsen火焰的特性,發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)Bunsen火焰的穩(wěn)定性影響強(qiáng)烈。同時(shí)文獻(xiàn)[9]建立了正離子與環(huán)境空氣動(dòng)量轉(zhuǎn)移的力學(xué)模型,從而定性解釋了多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以電場(chǎng)輔助燃燒已成為提高燃燒效率的不可忽視的一種方法;但在實(shí)際燃燒系統(tǒng)中添加電場(chǎng)之前,需對(duì)電場(chǎng)中火焰的燃燒行為進(jìn)行詳細(xì)研究和理解。為此,首先要了解電場(chǎng)的加入使火焰加速燃燒的原因,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和建模來(lái)表征火焰結(jié)構(gòu)和其他火焰特性,以遍從化學(xué)動(dòng)力學(xué)和物理學(xué)的角度更好地理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

當(dāng)前最令人信服的解釋電場(chǎng)能輔助燃燒的一種說(shuō)法是離子風(fēng)效應(yīng)。當(dāng)火焰與外部施加的電場(chǎng)發(fā)生接觸時(shí),由于電場(chǎng)的作用,電荷載流子被分離并朝著相應(yīng)的電極加速。電子和負(fù)離子移向陽(yáng)極(高電位電極),而正離子沿著電場(chǎng)線向陰極(低電位電極)移動(dòng),并可能與混合氣體中的中性分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生自由基。而火焰中濃度較高、質(zhì)量較大的帶電離子,可將自身運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量和動(dòng)能傳遞給與之碰撞的中性粒子,加速中性粒子的運(yùn)動(dòng),這會(huì)產(chǎn)生近似電場(chǎng)方向的粒子大規(guī)模遷移運(yùn)動(dòng)[10-11]。

離子風(fēng)效應(yīng)可使火焰面積改變,并挾帶一點(diǎn)空氣,所以火焰的穩(wěn)定性會(huì)有所變化。只要四周的火焰面發(fā)生彎曲,就會(huì)增大向它們的傳熱。電場(chǎng)下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾邮怯捎诨鹧驿h面內(nèi)電子溫度的上升,而電子溫度的上升減少了電子的附著率,這會(huì)使電子的濃度和系統(tǒng)中電子組分的化學(xué)活性增加。文獻(xiàn)[12]在研究火焰中等離子體行為時(shí),發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)的存在會(huì)使火焰產(chǎn)生離子風(fēng)效應(yīng),離子風(fēng)效應(yīng)可大大提高火焰的穩(wěn)定性。

由于一般火焰區(qū)產(chǎn)生的離子都是正離子,所以早期的離子風(fēng)效應(yīng)認(rèn)為火焰反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的都是正離子,正離子會(huì)使整體的離子風(fēng)在電場(chǎng)作用下單向地往陰極方向移動(dòng)。文獻(xiàn)[13]通過(guò)滯止火焰法,并使用粒子圖像測(cè)速的方法使離子風(fēng)變得可視化;通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到火焰位于流動(dòng)停滯平面時(shí),原始流場(chǎng)在火焰附近分離,從而導(dǎo)致雙停滯流動(dòng),這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了離子風(fēng)實(shí)際上是負(fù)離子吹向陽(yáng)極、正離子吹向陰極的雙向運(yùn)動(dòng)。但由于電場(chǎng)力的作用,火焰會(huì)被拉向陰極。

綜上所述,電場(chǎng)作為一種外部干擾因素,對(duì)火焰燃燒特性具有重要影響。本文總結(jié)前人的研究成果,從多方面詳細(xì)分析其影響方式。首先,總結(jié)不同數(shù)值模型對(duì)電場(chǎng)的影響;其次,描述電場(chǎng)橫向、豎向等分布形式對(duì)火焰的影響情況;最后,分析電場(chǎng)類型、頻率和強(qiáng)度等施加類型對(duì)火焰的影響。了解電場(chǎng)如何影響火焰的燃燒有助于優(yōu)化燃燒過(guò)程,提高能源利用效率,減少環(huán)境污染,推動(dòng)更高效的火焰控制技術(shù)開(kāi)發(fā)。

1 電場(chǎng)下預(yù)混火焰的數(shù)值分析

電場(chǎng)輔助燃燒實(shí)驗(yàn)中,最重要的是知曉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。理論分析法的優(yōu)點(diǎn)是所得結(jié)果具有普遍性,各種影響因素清晰可見(jiàn),是指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的數(shù)值計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)。可先通過(guò)數(shù)值仿真來(lái)預(yù)測(cè)數(shù)值的合理范圍[14];但它往往需要對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化,才有可能得到理論解。實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠,是理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。然而,實(shí)驗(yàn)往往受模型尺寸、流體擾動(dòng)和測(cè)量精度的限制,有時(shí)可能很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法得到結(jié)果。而數(shù)值模擬恰好可克服前2種方法的弱點(diǎn),在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行特定的計(jì)算與在計(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)一樣,通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算可得到流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的分布情況。

1.1 相關(guān)理論及其問(wèn)題

關(guān)于電場(chǎng)對(duì)火焰產(chǎn)生影響的主流理論是離子風(fēng)效應(yīng)。火焰鋒面在電場(chǎng)作用下,化學(xué)離子化產(chǎn)生的離子加速分離,離子在加速和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與中性粒子發(fā)生碰撞,從而發(fā)生了能量傳遞,周而復(fù)始的碰撞使大量中性粒子發(fā)生定向的位置偏移,這種現(xiàn)象稱為離子風(fēng)。本生火焰在電場(chǎng)作用下所產(chǎn)生的變化如圖1所示[15],可見(jiàn),在電場(chǎng)作用下火焰中的正離子和負(fù)離子分別朝著電場(chǎng)的負(fù)極和正極移動(dòng)。

離子風(fēng)效應(yīng)是基于駐點(diǎn)火焰得出來(lái)的結(jié)果,并沒(méi)有考慮空間上火焰?zhèn)鞑?duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在空間時(shí),火焰內(nèi)的粒子和中子的碰撞并不能像駐點(diǎn)火焰那樣隨時(shí)間的積累會(huì)達(dá)到平衡點(diǎn)。所以,離子風(fēng)效應(yīng)對(duì)于傳播火焰的作用相比于駐點(diǎn)火焰,其作用更小。

初始離子濃度對(duì)電場(chǎng)下火焰特性的影響也被多位學(xué)者所研究。文獻(xiàn)[16]的研究表明,火焰中離子濃度的摩爾分?jǐn)?shù)在10-9～10-7量級(jí)。文獻(xiàn)[17]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)電場(chǎng)下火焰中的離子濃度進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn):外加電場(chǎng)0～0.9kV/cm時(shí)對(duì)應(yīng)離子未飽和區(qū);0.9～1.2kV/cm 對(duì)應(yīng)離子飽和區(qū);1.2kV/cm以上對(duì)應(yīng)離子過(guò)飽和區(qū)。文獻(xiàn)[18]采用數(shù)值模擬方法研究了燃燒過(guò)程中火焰區(qū)附近形成離子的變化規(guī)律。通過(guò)計(jì)算,火焰區(qū)離子濃度最高約為10-7量級(jí)。外加電場(chǎng)會(huì)使離子從火焰溫度較高的區(qū)域轉(zhuǎn)移向溫度較低的區(qū)域,這時(shí)離子對(duì)反應(yīng)的影響較大。這時(shí)的離子風(fēng)效應(yīng)雖然可改變火焰面位置和形狀,但對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響較弱。所以離子風(fēng)效應(yīng)還存在著很多不足,需開(kāi)發(fā)更加完善的數(shù)值模擬模型來(lái)研究電場(chǎng)對(duì)火焰的影響。

1.2 數(shù)值研究方法及其模型

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示,對(duì)包含有流體流動(dòng)、熱傳導(dǎo)和燃料燃燒等相關(guān)現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析。CFD也可看作流體基本方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。通過(guò)這種數(shù)值模擬,可求解極其復(fù)雜問(wèn)題的流場(chǎng)內(nèi)各位置上的基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)分布。數(shù)值模擬的總體工作過(guò)程如圖2表示。

圖2 數(shù)值模擬的一般過(guò)程圖Fig.2 General process diagram of numerical simulation

1.2.1 一維模型

一維數(shù)值模擬在研究電場(chǎng)通過(guò)作用于火焰中存在的離子來(lái)增強(qiáng)燃燒的能力時(shí)具有建模簡(jiǎn)單、模擬準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。使用一維模型來(lái)驗(yàn)證這種現(xiàn)象時(shí),所需花費(fèi)的時(shí)間往往比二維和三維模型要少。

最初是由ZELDOVICH 等人開(kāi)發(fā)的兩步鏈支化化學(xué)模型改善了一步模型[19]。DOLD 等人在后來(lái)的研究中修改了自由基的重組步驟,使鏈支化反應(yīng)在一個(gè)交叉溫度下可保持穩(wěn)定[20-21]。鏈支化反應(yīng)通常位于火焰的高溫區(qū)域,反應(yīng)的中間物種或化學(xué)自由基在該細(xì)鏈分支區(qū)域的上游和下游擴(kuò)散,并通過(guò)非常放熱的鏈終止反應(yīng)。SHARPE等人認(rèn)為DOLD等人優(yōu)化過(guò)后的兩步動(dòng)力學(xué)模型比單步模型更好,這種模型在描述碳?xì)浠衔锖蜌浠鹧鏁r(shí)更加準(zhǔn)確和真實(shí)[22]。

文獻(xiàn)[23]合并了2個(gè)附加反應(yīng)來(lái)說(shuō)明帶電物種的產(chǎn)生和消耗,從而補(bǔ)充了DOLD提出的模型。表1給出了文獻(xiàn)[23]用于模擬預(yù)混火焰中電場(chǎng)影響的反應(yīng)公式,其中:F為燃料;Z為中性自由基;M 為觸發(fā)反應(yīng)所需的任何分子,但在反應(yīng)中不會(huì)發(fā)生變化;P為反應(yīng)產(chǎn)物;qi(i=Ⅱ,Ⅳ)為反應(yīng)熱;Z+為正離子自由基;e-為電子;Ωi(i=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)為與溫度無(wú)關(guān)的完全反應(yīng)速率;Αi(i=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)為速率常數(shù);ρ為混合密度;WF、WZ、WZ+、We-為相應(yīng)分子量為平均分子量;Y′Z、Y′F、Y′Z+、Y′e為相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù);Ei(i=Ⅰ,Ⅲ)為活化能;R為通用氣體常數(shù);T為溫度。反應(yīng)I和Ⅱ分別復(fù)制了DOLD提出的模型;而反應(yīng)Ⅲ和Ⅳ分別模擬了CALCOTE等人提出的理論,并用于多個(gè)數(shù)值研究的化學(xué)離子化和解離重組[24-26]。

表1 文獻(xiàn)[23]使用的鏈支化、化學(xué)電離和離解復(fù)合反應(yīng)Table 1 Chain branching,chemical ionization and dissociation complex reactions used by Reference [23]

文獻(xiàn)[22]的一維仿真結(jié)果表明,外部電場(chǎng)(電場(chǎng)強(qiáng)度為E)的施加使薄鏈支化層周圍質(zhì)子和電子的分布發(fā)生了一些變化,這個(gè)變化讓放熱的速率增加,并使火焰速度也隨之變化。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是:電場(chǎng)的溫度高到可克服反應(yīng)Ⅲ的活化能時(shí),正電場(chǎng)則可促進(jìn)電子在火焰的寒冷區(qū)域中進(jìn)行積累,并且電子通過(guò)反應(yīng)Ⅳ與質(zhì)子反應(yīng)的可用性也得到了增加;當(dāng)E<0時(shí),觀察到相反的效果。

一維模型并不能進(jìn)行定量預(yù)測(cè),只能更好地認(rèn)知一些現(xiàn)象。仿真中添加一些比如熱膨脹、流體動(dòng)力學(xué)或化學(xué)動(dòng)力學(xué)這些原理,是減少建模工作量、搭建抽象模型的基礎(chǔ)。

1.2.2 二維模型

二維數(shù)值模擬具有網(wǎng)格少、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn),學(xué)者們對(duì)燃燒的機(jī)制數(shù)值模擬研究大多集中在二維模擬。二維模擬相比于一維模擬所考慮的東西會(huì)多一些,但二維模擬也會(huì)為提高計(jì)算效率而做一些簡(jiǎn)化。比如在搭建二維模型時(shí),對(duì)于火焰鋒面能量源項(xiàng)的添加,會(huì)采用不區(qū)分物種統(tǒng)一添加的簡(jiǎn)化方法,模擬電場(chǎng)力和電磁場(chǎng)能對(duì)火焰鋒面內(nèi)離子的影響。

二維數(shù)值模擬中的氣動(dòng)效應(yīng)和熱效應(yīng)的模擬一般通過(guò)用戶自定義函數(shù)(user-defined function,UDF)實(shí)現(xiàn),向Navier-Stokes(N-S)方程中的特定粒子添加x方向的動(dòng)力源項(xiàng)是最常見(jiàn)的方法。N-S沿x方向動(dòng)量守恒方程的一般式為

式中Fconst為交變體積力的有效值。當(dāng)模擬交流電時(shí),其表達(dá)式為

式中ω為交流頻率。而外加電場(chǎng)對(duì)動(dòng)量守恒方程的影響通常涉及電場(chǎng)力的引入,當(dāng)外加電場(chǎng)方式改變時(shí),動(dòng)量守恒方程中會(huì)引入電場(chǎng)作用的源項(xiàng),此時(shí)其動(dòng)量守恒方程將轉(zhuǎn)化為

式中ρE表示電場(chǎng)力對(duì)流體動(dòng)量的貢獻(xiàn),用于描述外加電場(chǎng)對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響。這使動(dòng)量守恒方程更全面地考慮了電場(chǎng)作用下的流體運(yùn)動(dòng)行為。

電磁熱效應(yīng)則是通過(guò)向N-S方程中特定粒子添加能量源項(xiàng)實(shí)現(xiàn)。N-S方程的能量守恒方程的一般式為

式中:r為位置矢量;f(r)表示位置r上的能量源項(xiàng)。

當(dāng)外加電場(chǎng)方式改變時(shí),能量守恒方程中的源項(xiàng)會(huì)隨之改變。在電磁場(chǎng)作用下,電場(chǎng)對(duì)流體中電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響,因此能量守恒方程中會(huì)引入電場(chǎng)作用的源項(xiàng),此時(shí)能量守恒方程將變?yōu)?/p>

式中Φe表示電磁場(chǎng)作用導(dǎo)致的耗散率,用于描述電場(chǎng)對(duì)流體能量守恒的影響。這使能量守恒方程更全面地考慮了電磁場(chǎng)作用下的能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過(guò)程。

文獻(xiàn)[27]在搭建電場(chǎng)對(duì)于火焰影響的二維模型時(shí)簡(jiǎn)化了一些所要考慮的條件。在所建立的模型中,離子與電子的運(yùn)輸方程不同時(shí)考慮,且認(rèn)為電場(chǎng)是個(gè)理想的穩(wěn)定電場(chǎng);文獻(xiàn)[28]研究了離子擴(kuò)散與粒子遷移對(duì)于離子風(fēng)的影響,在搭建模型時(shí)簡(jiǎn)化了一些條件,使火焰可在出口處保持穩(wěn)定。

文獻(xiàn)[29]為驗(yàn)證已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,分別搭建了幾個(gè)二維模型,結(jié)果表明:如果僅考慮化學(xué)動(dòng)力學(xué)的影響,火焰中的離子密度最后會(huì)趨于穩(wěn)定;如果僅考慮離子風(fēng)的影響,那么離子風(fēng)的存在使火焰的穩(wěn)定性得到了提升。這與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論吻合。

電場(chǎng)下離子和粒子的遷移對(duì)于電場(chǎng)對(duì)火焰的作用有重要影響,需要全部考慮。大多數(shù)的數(shù)值模擬所使用的恒定值假設(shè),以及混合物成分和溫度關(guān)系的建立需要改進(jìn);負(fù)離子影響的仿真建模還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究,尤其是在施加反向電位時(shí)。

1.2.3 三維模型

盡管一維與二維模型對(duì)電場(chǎng)下火焰的現(xiàn)象可提供定性的物理與化學(xué)上的解釋,但火焰燃燒過(guò)程中的一些電子遷移過(guò)程和電離現(xiàn)象的作用還未搭建完整的模型來(lái)說(shuō)明。特別是,在負(fù)電荷的作用下火焰的現(xiàn)象模擬還需進(jìn)一步研究。三維模型可使火焰對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)更加清楚地呈現(xiàn),但這需要高質(zhì)量的電子遷移和化學(xué)模型來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電子和相關(guān)離子的空間分布[30-31]。三維模型的問(wèn)題在于計(jì)算量巨大、計(jì)算效率低下,如果考慮到電子漂移速度,將會(huì)進(jìn)一步增加計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)[32],所以對(duì)于三維模型中某些化學(xué)影響的簡(jiǎn)化是必須的[33]。比如多維問(wèn)題中對(duì)多組分輸運(yùn)系數(shù)的準(zhǔn)確描述是困難的,使用恒定的Lewis數(shù)是一種提高計(jì)算效率的選擇。文獻(xiàn)[34-36]通過(guò)使用團(tuán)隊(duì)在過(guò)去幾年中開(kāi)發(fā)的模型框架,研究搭建了橫向電場(chǎng)下甲烷-空氣的完整非穩(wěn)態(tài)三維火焰響應(yīng)模型。該模型完整模擬了離子風(fēng)效應(yīng)并對(duì)其進(jìn)行了證明;并將之前搭建的模型整合在一起,將電場(chǎng)方面、電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的流體動(dòng)力學(xué)影響、歐姆加熱產(chǎn)生的影響、物質(zhì)擴(kuò)散的影響及電子和離子的遷移等多種因素都考慮在內(nèi)。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,這對(duì)于改善電離機(jī)制非常有用。實(shí)驗(yàn)與模型預(yù)測(cè)之間仍存在一些差異,機(jī)制還需繼續(xù)完善;三維模型的建立還可繼續(xù)完善,比如可對(duì)亞飽和狀態(tài)下不同的直流和交流電場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)地比較研究[37]。

1.3 不同模型的預(yù)測(cè)比較

通過(guò)添加簡(jiǎn)單的燃燒機(jī)制和電場(chǎng)的影響機(jī)制可搭建一維模型。一維模型不能進(jìn)行定量測(cè)量________,只能增強(qiáng)研究者對(duì)于火焰在電場(chǎng)中燃燒現(xiàn)象的了解__________。

通過(guò)將電場(chǎng)與燃燒場(chǎng)進(jìn)行耦合并添加一些比較復(fù)雜的UDF可搭建二維模型。二維模型可進(jìn)行定量測(cè)量,但模型在搭建時(shí)會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理考慮的因素會(huì)不全。當(dāng)橫向離子風(fēng)將動(dòng)量添加到主要流動(dòng)中時(shí),需從周圍環(huán)境中添加附加動(dòng)量_____,從而導(dǎo)致沿z方向夾帶流動(dòng)。二維建模無(wú)法捕獲由這些夾帶流動(dòng)引起的三維效應(yīng)。

將已有的影響因素和機(jī)制考慮周全并對(duì)部分影響較小的因素進(jìn)行簡(jiǎn)化和忽略可搭建三維模型。三維模擬的模型搭建復(fù)雜且計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng),考慮的影響因素較全,可精確測(cè)量火焰在電場(chǎng)中的各種數(shù)值,且可驗(yàn)證和改善已有的火焰在電場(chǎng)中的燃燒機(jī)制。

2 不同電場(chǎng)分布形式對(duì)火焰的影響

電場(chǎng)施加形式的不同會(huì)對(duì)火焰特性產(chǎn)生一定影響。根據(jù)電場(chǎng)方向與火焰方向是否平行或垂直,可把電場(chǎng)分為豎向電場(chǎng)、橫向電場(chǎng)及單電極電場(chǎng);根據(jù)電場(chǎng)是否均勻分布可將電場(chǎng)分為均勻電場(chǎng)和非均勻電場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō),采用均布電場(chǎng)的較少,主要以非均勻電場(chǎng)來(lái)研究燃燒火焰特性。下文從豎向電場(chǎng)、橫向電場(chǎng)和單電極式電場(chǎng)來(lái)闡述電場(chǎng)與燃燒火焰特性的近期研究進(jìn)展。

2.1 豎向電場(chǎng)

使用豎向電場(chǎng)時(shí),當(dāng)施加的電場(chǎng)力方向和火焰燃燒所受的熱浮力方向相反時(shí),液滴可達(dá)到一個(gè)近似于平衡的狀態(tài),利用這個(gè)原理可模擬出火焰在微重力下的燃燒現(xiàn)象。文獻(xiàn)[38]研究了單液滴在豎直放置的直流電場(chǎng)中的燃燒行為。圖3為豎直電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),最小燃燒速率常數(shù)大于微重力下最小燃燒速率常數(shù)。這表明液滴處于微重力情況下而不是完全失重。

圖3 豎直電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental setup for the vertical electric field

文獻(xiàn)[39]研究了豎直直流電場(chǎng)下在微重力環(huán)境中單液滴的燃燒情況。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),火焰變形和燃燒速率常數(shù)隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加;同時(shí)還觀察到電場(chǎng)的影響程度受燃料煙塵特性的影響。文獻(xiàn)[40]研究了浮力對(duì)液滴燃燒的影響,認(rèn)為單液滴在加速墜落情況下,火焰和熱氣區(qū)域的行為與在正常重力條件下的行為沒(méi)有太大差異。

文獻(xiàn)[41]也研究了火焰垂直對(duì)稱時(shí)施加豎向電場(chǎng)的電壓與電極距離的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):火焰的變形程度與電壓和1.5倍的電極距離呈函數(shù)關(guān)系;在不同電壓下,燃燒速率和燃燒產(chǎn)物都會(huì)有很大的影響;電壓持續(xù)升高到能擊穿空氣時(shí),燃燒產(chǎn)物比如CO和NO的數(shù)量變化會(huì)增大。

對(duì)于豎向電場(chǎng),電場(chǎng)力方向與火焰所受熱浮力的方向相反時(shí),可研究微重力下的火焰燃燒;但在豎向電場(chǎng)條件下,電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)火焰的影響不夠明顯。

2.2 橫向電場(chǎng)

施加橫向電場(chǎng)時(shí),火焰特性對(duì)其電場(chǎng)強(qiáng)度的反應(yīng)更敏感,火焰在豎直方向拉伸很小,甚至被抑制拉伸,而在水平方向的拉伸極其明顯。文獻(xiàn)[42]使用介質(zhì)阻擋放電法(dielectric barrier discharge,DBD)研究了火焰在橫向電場(chǎng)情況下的燃燒特性,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)橫向電場(chǎng)存在一個(gè)臨界電場(chǎng)強(qiáng)度,該臨界電場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)時(shí)可讓空氣處于擊穿狀態(tài)從而形成等離子電場(chǎng),該情況下電場(chǎng)可改變火焰形狀(如高度降低)和顏色,這表明DBD的低溫等離子技術(shù)可控制火焰的高度和碳煙顆粒的濃度。

文獻(xiàn)[43]在橫向?qū)ΨQ放置了外徑為60mm 的網(wǎng)狀電極,從而實(shí)現(xiàn)橫向電場(chǎng)的施加。實(shí)驗(yàn)中網(wǎng)狀電極被通負(fù)電,點(diǎn)火電極與地相連接,從而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)的施加?？紤]到電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿空氣的情況[44],所以實(shí)驗(yàn)中施加的電壓沒(méi)有超過(guò)能擊穿空氣的電壓臨界值。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):由于離子驅(qū)動(dòng)使得自由基的傳輸受到了影響,在電場(chǎng)方向上火焰位移速度提升,垂直于電場(chǎng)方向的速度受到抑制;隨著電壓的上升,火焰流體動(dòng)力學(xué)的不穩(wěn)定性愈加明顯,火焰峰值壓力上升,火焰起始時(shí)間減少。

DBD橫向電場(chǎng)產(chǎn)生的低溫非平衡等離子體可輔助燃燒低熱值燃料,使火焰穩(wěn)定燃燒。橫向電場(chǎng)使火焰在水平方向被拉伸,豎直方向被抑制;同時(shí),橫向電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)燃燒的作用明顯;當(dāng)施加的電場(chǎng)角度發(fā)生變化時(shí),燃燒也會(huì)受到一些影響,但是缺乏這方面的定量研究。

2.3 單極電場(chǎng)

單極式電場(chǎng)即發(fā)散電場(chǎng),主要從施加電場(chǎng)頻率方面考慮電場(chǎng)對(duì)火焰特性的影響。文獻(xiàn)[45]利用單電極電場(chǎng)對(duì)低頻下如何提升火焰的振蕩行為進(jìn)行了研究。其實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示,觀察到3種不同類型的振蕩火焰:(1)與施加頻率無(wú)關(guān)的小幅大規(guī)模振蕩;(2)與施加頻率同步的小規(guī)模振蕩;(3)小規(guī)模振蕩嵌入大規(guī)模振蕩中的雙周期耦合。分析認(rèn)為,火焰在多個(gè)尺度振蕩的原因是燃燒的不穩(wěn)定,而電場(chǎng)施加所產(chǎn)生的離子風(fēng)對(duì)這個(gè)振蕩起到了促進(jìn)作用。但該實(shí)驗(yàn)沒(méi)考慮火源功率的影響,且實(shí)驗(yàn)時(shí)所使用的火源功率范圍較小。

圖4 單極電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of experiment apparatus for monopole electric field

文獻(xiàn)[46]利用固定的單電極裝置對(duì)丙烷噴氣火焰的上升速度和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性在低電壓的交流電場(chǎng)中會(huì)得到提升,但高壓下的電場(chǎng)影響了火焰的穩(wěn)定性,使懸空速度減小。該實(shí)驗(yàn)所研究的火源功率范圍較小,還需更大功率范圍的研究。

需要探究單電極產(chǎn)生的電場(chǎng)下,火焰多尺度振蕩與電場(chǎng)頻率之間的關(guān)系。單極電場(chǎng)的研究缺乏進(jìn)一步驗(yàn)證的試驗(yàn)技術(shù)手段,也缺少更大燃燒功率范圍內(nèi)的研究。

3 不同電場(chǎng)施加方式對(duì)火焰的影響

3.1 電場(chǎng)的類型

施加的電場(chǎng)類型分為直流電場(chǎng)與交流電場(chǎng),直流電可當(dāng)作零頻率的交流電。在直流電場(chǎng)作用下,火焰中會(huì)形成持續(xù)的離子風(fēng);但在交流電場(chǎng)作用下,離子風(fēng)的效應(yīng)并不是連續(xù)的[47]。這就使直流電場(chǎng)與交流電場(chǎng)對(duì)于火焰的影響存在一個(gè)固有的差別[48]。文獻(xiàn)[49]研究了直流電場(chǎng)對(duì)丙烷火焰穩(wěn)定性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比于交流電場(chǎng),直流電場(chǎng)的影響效果更小。文獻(xiàn)[50]的數(shù)值模擬表明:直流電場(chǎng)下離子風(fēng)效應(yīng)是影響火焰的主導(dǎo)效應(yīng);而在交流電場(chǎng)下,低頻情況與直流電場(chǎng)類似,影響的主要因素是雙向的離子風(fēng);在高頻交流電場(chǎng)下,影響火焰的主導(dǎo)因素是電化學(xué)效應(yīng)。

高壓直流電場(chǎng)的施加會(huì)使火焰趨于熄滅;而在高壓交流電場(chǎng)作用下,會(huì)提升未點(diǎn)燃區(qū)域與火焰前鋒面之間的熱傳質(zhì)效應(yīng),從而提升燃燒速率。施加電場(chǎng)會(huì)使不同流動(dòng)中的火焰出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象[51]。文獻(xiàn)[52]研究了乙醇火焰在直流電場(chǎng)下的行為,實(shí)驗(yàn)觀察到由于乙醇蒸發(fā)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于離子風(fēng)效應(yīng),導(dǎo)致燃燒速度增加,可見(jiàn)直流電場(chǎng)的施加使火焰穩(wěn)定工作的范圍變小。

文獻(xiàn)[53]使用本生燈燃燒器對(duì)氫氣擴(kuò)散火焰在交流電場(chǎng)中受到的影響進(jìn)行了研究。研究表明,離子風(fēng)效應(yīng)使火焰在擴(kuò)散過(guò)程中呈現(xiàn)對(duì)稱的幾何形狀,并在等離子體火焰中產(chǎn)生了一個(gè)偏移的電場(chǎng)。火焰內(nèi)的粒子流是使火焰形變的主導(dǎo)原因;但當(dāng)電極間隙減小、通入氣體流速過(guò)快時(shí),離子風(fēng)效應(yīng)會(huì)降低。文獻(xiàn)[54]通過(guò)向倒圓錐形的火焰中施加直流電場(chǎng),研究了電場(chǎng)提升稀薄火焰穩(wěn)定性的可能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)通入的氣體流速提升時(shí),電場(chǎng)使火焰燃燒穩(wěn)定的效果會(huì)大大降低。

3.2 電場(chǎng)的正負(fù)

施加電場(chǎng)的正負(fù)不同會(huì)導(dǎo)致火焰中的離子風(fēng)效應(yīng)的正負(fù)發(fā)生變化。主要差異在于離子風(fēng)發(fā)展過(guò)程的不同,同樣的,作用于火焰上的效果也有所不同。文獻(xiàn)[55]通過(guò)平板滯止火焰法并向滯止平板施加電壓來(lái)研究離子風(fēng)對(duì)火焰撞擊傳熱的影響。實(shí)驗(yàn)表明:正向電場(chǎng)的施加可使火焰更加穩(wěn)定;當(dāng)磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)時(shí),火焰趨于吹散。

正離子的產(chǎn)生原因是化學(xué)反應(yīng),負(fù)離子的產(chǎn)生原因是電子與中性分子的吸附作用[56]。所以,正離子風(fēng)發(fā)展到后期,由于火焰鋒面內(nèi)會(huì)形成阻礙反應(yīng)的渦流,從而使得對(duì)火焰的促進(jìn)效果減小;但是施加負(fù)電場(chǎng)產(chǎn)生的正離子風(fēng)的離子風(fēng)效應(yīng)更強(qiáng),在發(fā)展到出現(xiàn)抑制發(fā)展的渦流之前,對(duì)于火焰的促進(jìn)作用較大[57]。正負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)的不同如圖5所示。文獻(xiàn)[58]實(shí)驗(yàn)研究了預(yù)混甲烷火焰在直流電場(chǎng)中的響應(yīng)?；鹧嬖谑艿秸妶?chǎng)和負(fù)電場(chǎng)時(shí),由于受到離子風(fēng)效應(yīng)的影響發(fā)生了變形,并且隨著流速的增加,形變程度減少;當(dāng)施加正電場(chǎng)產(chǎn)生的負(fù)離子風(fēng)發(fā)展到后期時(shí),火焰被拉伸為梭形,水平方向的力對(duì)于火焰的促進(jìn)效果越來(lái)越明顯。文獻(xiàn)[59]通過(guò)施加直流電場(chǎng)研究了火焰在高壓時(shí)的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明,在正電壓下,壓力越高,電場(chǎng)的影響越明顯,并且后期沒(méi)有出現(xiàn)類似于正離子風(fēng)的抑制情況。所以負(fù)電場(chǎng)產(chǎn)生的離子風(fēng)效應(yīng)更明顯,正電場(chǎng)可更好地促進(jìn)火焰燃燒。

圖5 正負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of positive and negative ion wind effect

3.3 電場(chǎng)的頻率

氣動(dòng)效應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)是電場(chǎng)影響火焰的主要因素,交流電場(chǎng)對(duì)火焰氣動(dòng)效應(yīng)和電化學(xué)的影響存在最佳頻率。需要通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)探究得到能夠獲得助燃效果最好的頻率。

3.3.1 低頻交流電場(chǎng)助燃分析

在低頻電場(chǎng)中,氣動(dòng)效應(yīng)和熱效應(yīng)是促進(jìn)燃燒的主要原因?；鹧嫒紵匦缘母淖?nèi)Q于由哪種效應(yīng)主導(dǎo)[60]。雙向離子風(fēng)是低頻電場(chǎng)助燃的主要作用方式[61],但離子風(fēng)的發(fā)展在后期會(huì)受渦流的影響而逐漸減小對(duì)火焰的助燃效果[62]?；鹧嬷械牧Ｗ影l(fā)生遷移后導(dǎo)致濃度不均勻,也會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)對(duì)于火焰的影響減弱。文獻(xiàn)[63]使用對(duì)沖滯止火焰法研究了交流電場(chǎng)對(duì)非預(yù)混火焰的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:交流電場(chǎng)的施加使火焰中出現(xiàn)雙向離子風(fēng),并產(chǎn)生振蕩;在低頻與高頻下火焰出現(xiàn)了不同的響應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)頻率較低時(shí)火焰振蕩振幅穩(wěn)定,高頻時(shí)由于火焰內(nèi)電荷密度降低從而導(dǎo)致火焰的振幅下降。

低頻電場(chǎng)對(duì)于火焰的助燃效果隨著頻率的下降而提高[64]。文獻(xiàn)[65]通過(guò)本生火焰研究了交流電場(chǎng)對(duì)甲烷火焰脫離速度的影響。圖6為不同頻率交流電壓下歸一化脫離速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),由圖6可見(jiàn),交流電場(chǎng)的頻率與火焰分離速度正相關(guān)。文獻(xiàn)[66]通過(guò)本生火焰研究了交流電場(chǎng)的施加對(duì)預(yù)混火焰的穩(wěn)定性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,低頻的交流使火焰在吹出速度下降情況下不穩(wěn)定。雙離子風(fēng)效應(yīng)使火焰脫離速度在較高的交流頻率下出現(xiàn)非單調(diào)性變化。

圖6 不同頻率交流電壓下火焰的歸一化脫離速度Fig.6 Normalized detachment velocity of flames at different frequencies of AC voltage

3.3.2 高頻電場(chǎng)助燃分析

高頻電場(chǎng)中,電子是促進(jìn)燃燒的主要原因。電子通過(guò)碰撞,從低頻振動(dòng)變?yōu)楦哳l振動(dòng),從而獲得較高的動(dòng)能。電子的高頻振動(dòng)使火焰產(chǎn)生熱效應(yīng),從而使火焰的傳播速度、燃燒速率和燃料的反應(yīng)速率得到提升。

高頻電場(chǎng)對(duì)于火焰的助燃機(jī)制與低頻相比有所不同。電化學(xué)反應(yīng)是電場(chǎng)高頻電場(chǎng)助燃的主要機(jī)制。高頻電場(chǎng)提供的電磁能可使氧化劑的能級(jí)達(dá)到閾值,并且激發(fā)達(dá)到更高的能級(jí),這樣就可使火焰在反應(yīng)過(guò)程中的化學(xué)速率加快,從而達(dá)到助燃效果。

高頻電場(chǎng)助燃相比于低頻電場(chǎng)助燃效果更好。高頻電場(chǎng)中的火焰因?yàn)檩斎氲碾姶拍懿痪鶆蚨焕?并且拉伸的幅度與頻率正相關(guān)。在高頻電場(chǎng)中,當(dāng)頻率升高時(shí),電場(chǎng)對(duì)于火焰的促進(jìn)效果越好,燃燒壓力與平均火焰?zhèn)鞑ニ俣纫矔?huì)上升,這一點(diǎn)是與低頻交流電場(chǎng)不同的。

Ansoft Maxwell軟件的3D模擬可定量研究由不同尺寸和結(jié)構(gòu)的高壓電極產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度。但Ansoft Maxwell軟件對(duì)電場(chǎng)的模擬是燃燒之前的靜電模擬,由于燃燒過(guò)程十分復(fù)雜,目前還無(wú)法對(duì)燃燒過(guò)程的電場(chǎng)分布進(jìn)行模擬。

3.4 電場(chǎng)強(qiáng)度

電場(chǎng)強(qiáng)度越高,火焰的變形程度越大。施加的電壓足夠大時(shí),電場(chǎng)會(huì)通過(guò)火焰放電而擊穿。在這個(gè)擊穿電壓下,占據(jù)了部分電極空間、具有導(dǎo)電性質(zhì)的高溫燃燒產(chǎn)物會(huì)產(chǎn)生電弧。文獻(xiàn)[67]研究分析了弱電場(chǎng)和激光輻射對(duì)于碳?xì)浠旌衔锶紵挠绊憽?shí)驗(yàn)使用周期脈動(dòng)電場(chǎng)以防電壓過(guò)高,從而防止火焰被擊穿。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,周期電場(chǎng)的施加使火焰的燃燒極限和燃燒速率得到了提升。

文獻(xiàn)[68]通過(guò)向CH4與空氣氮?dú)獾幕旌衔锏幕鹧嬷惺┘又绷麟妶?chǎng),從而研究電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)分布對(duì)火焰的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電場(chǎng)強(qiáng)度的上升會(huì)導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊纳仙?并且呈現(xiàn)線性相關(guān)。因此,均勻電場(chǎng)比不均勻電場(chǎng)在促進(jìn)火焰?zhèn)鞑ニ俣壬系男Ч谩Ｎ墨I(xiàn)[69]使用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)觀察研究了弱電場(chǎng)對(duì)預(yù)混火焰的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng),火焰的振蕩時(shí)間逐漸減小。文獻(xiàn)[70]研究了電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)火焰溫度變化的影響,實(shí)驗(yàn)中施加電場(chǎng)前后火焰的溫度變化如圖7所示,由圖可見(jiàn),電場(chǎng)強(qiáng)度的增加使離子風(fēng)的強(qiáng)度增加,從而導(dǎo)致火焰溫度上升。

圖7 施加電場(chǎng)前后火焰的溫度變化曲線Fig.7 Temperature change curves of the flame before and after application of an electric field

電場(chǎng)強(qiáng)度和分布對(duì)于稀薄燃燒的促進(jìn)作用上扮演著重要角色,需要加大對(duì)不同混合物的燃燒研究及在弱電場(chǎng)下燃燒的機(jī)制研究。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了電場(chǎng)對(duì)火焰燃燒的影響研究。從以上分析可看出,利用電場(chǎng)增強(qiáng)火焰燃燒速率,控制火焰燃燒特性,從而加大能源的轉(zhuǎn)換效率,降低具有污染性的燃燒產(chǎn)物的排放已成為可能。但還沒(méi)有對(duì)不同電場(chǎng)形式與燃燒火焰特性開(kāi)展系統(tǒng)研究,缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),電場(chǎng)參與下的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型及完備的電場(chǎng)與燃燒場(chǎng)耦合機(jī)制分析,電場(chǎng)下固相燃料的火焰特性相關(guān)研究,以及磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、重力場(chǎng)、燃燒場(chǎng)等多場(chǎng)耦合對(duì)火焰燃燒特性的影響研究。

部分學(xué)者通過(guò)改變電場(chǎng)形式和電場(chǎng)參數(shù),對(duì)放入其中的各種燃料的燃燒火焰特性變化規(guī)律進(jìn)行了研究。本文總結(jié)得出以下結(jié)論:

(1) 雙向離子風(fēng)效應(yīng)、氣動(dòng)效應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)是電場(chǎng)輔助燃燒的主要原因,但雙向離子風(fēng)效應(yīng)主要用于研究靜止?fàn)顟B(tài)的火焰,對(duì)于傳播過(guò)程中火焰的影響原因還需尋找更合理的解釋。

(2) 對(duì)于火焰的仿真大多集中在1維和2維,3維模型因開(kāi)發(fā)成本大、考慮因素過(guò)多而少有人能搭建出來(lái)。對(duì)于模型的開(kāi)發(fā)還需進(jìn)一步研究。

(3) 電場(chǎng)分布情況與電場(chǎng)施加形式的不同會(huì)對(duì)火焰產(chǎn)生不同的影響;直流電場(chǎng)相比于交流電場(chǎng)的影響效果更小;負(fù)電場(chǎng)產(chǎn)生的離子風(fēng)效應(yīng)更明顯,正電場(chǎng)可更好地促進(jìn)火焰燃燒;相比于低頻電場(chǎng),高頻電場(chǎng)助燃效果更好。