不同電極下電場對(duì)甲烷/空氣稀燃火焰影響的試驗(yàn)研究

孫天旗,劉杰,段浩,劉兵,高忠權(quán),吳筱敏,2

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.陜西理工學(xué)院陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,723001,陜西漢中)

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不同電極下電場對(duì)甲烷/空氣稀燃火焰影響的試驗(yàn)研究

孫天旗1,劉杰1,段浩1,劉兵1,高忠權(quán)1,吳筱敏1,2

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.陜西理工學(xué)院陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,723001,陜西漢中)

針對(duì)稀燃條件下燃燒存在燃燒速率慢、循環(huán)變動(dòng)嚴(yán)重的問題,研究了定容燃燒彈內(nèi)點(diǎn)、柱、網(wǎng)3種電極結(jié)構(gòu)下的電場對(duì)火焰形狀、火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x及速率、燃燒壓力的影響。結(jié)果表明:3種電極下加載電壓,火焰形狀均發(fā)生變形且在水平方向被拉伸;3種電極中網(wǎng)電極下的電場對(duì)火焰的促進(jìn)作用最大;混合氣越稀,火焰在電場中停留的時(shí)間越長,電場對(duì)火焰的影響越大。過量空氣系數(shù)為1.2、1.4、1.6,網(wǎng)電極在加載-10 kV電壓時(shí),平均火焰?zhèn)鞑ニ俾时任醇虞d電壓時(shí)分別提高了66.82%、112.42%、126.16%,相對(duì)燃燒壓力增大率的最大值分別為71.60%、113.55%、114.97%。

定容燃燒彈;稀燃火焰;電極結(jié)構(gòu)

電場對(duì)燃燒的作用已得到廣泛研究[1-5]。Vega等通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)甲烷空氣本生燈火焰及層流預(yù)混火焰研究時(shí)發(fā)現(xiàn),電場作用下火焰?zhèn)鞑サ乃俾侍岣?火焰形狀改變[6-7]。van den Boom等通過對(duì)甲烷空氣平面火焰實(shí)驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn),直流電場作用下化學(xué)計(jì)量比的混合氣火焰燃燒速率可提高7%,Volkov等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),火焰燃燒速率提高的程度可達(dá)8%[8-9]。Won等對(duì)丙烷空氣三叉火焰的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),交流電場作用下火焰?zhèn)鞑ニ俾拭黠@提高[10]。王宇等通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),針狀電極、平板電極和環(huán)狀電極下火焰形狀的變化顯著不同[11]。上述研究表明,電場具有輔助燃燒的作用,不同電極下形成的電場對(duì)燃燒的影響有所不同。上述研究大多針對(duì)本生燈火焰、三叉火焰、平面火焰等開放空間的穩(wěn)定火焰且在當(dāng)量比附近進(jìn)行,很少研究定容燃燒彈內(nèi)的瞬態(tài)火焰。稀燃作為一種減少排放、提高燃油經(jīng)濟(jì)性的有效措施,燃燒時(shí)仍存在燃燒速率慢、循環(huán)變動(dòng)嚴(yán)重等問題。本文在定容燃燒彈內(nèi)對(duì)稀燃條件下點(diǎn)電極、柱電極和網(wǎng)電極形成的不同電場對(duì)甲烷/空氣火焰的形狀、傳播特性及燃燒壓力的影響進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)、高速紋影攝像系統(tǒng)、燃燒壓力采集系統(tǒng)、直流高壓電源及電路系統(tǒng)組成,實(shí)驗(yàn)裝置與文獻(xiàn)[12]中的實(shí)驗(yàn)裝置相同。

實(shí)驗(yàn)中采用壓力傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀共同組成的燃燒壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。壓力傳感器為Kistler 7061B型壓阻式絕對(duì)壓力傳感器,由Kistler 4618A型電荷放大器匹配校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集儀為日本YOKOGAMA公司研制的DL750型動(dòng)態(tài)測試儀,采樣頻率最高可達(dá)10 MHz。攝像機(jī)為美國REDLAKE公司生產(chǎn)的HG-100K型高速攝像機(jī),拍攝速度在103～104幀/s,用來記錄火焰?zhèn)鞑ミ^程。電源為Wisman DEL30N45型負(fù)高壓電源。

1.2 電極結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中用到兩類電極:一類是點(diǎn)火電極,另一類是高壓電極。點(diǎn)火電極用于火花點(diǎn)火形成火核,直徑為2 mm,材料為45號(hào)鋼,尖端錐角為30°,外層包裹著聚四氟乙烯絕緣套。在形成電場時(shí)點(diǎn)火電極還充當(dāng)著地極的作用。實(shí)驗(yàn)中一對(duì)點(diǎn)火電極對(duì)稱分布在容彈中心的豎直方向,二者間距為2 mm。高壓電極是一對(duì)點(diǎn)電極、一個(gè)柱電極和一對(duì)網(wǎng)電極,由45號(hào)鋼加工而成,作用是接載高壓并與充當(dāng)?shù)貥O的點(diǎn)火電極形成電場。點(diǎn)電極直徑為4 mm,柱電極內(nèi)徑為103 mm、外徑為113 mm且與容彈內(nèi)腔的聚四氟乙烯絕緣套匹配,網(wǎng)電極為外徑60 mm的圓盤。2個(gè)點(diǎn)電極和2個(gè)網(wǎng)電極均對(duì)稱地分布在容彈中心的水平位置,間距為70 mm。各電極在容彈內(nèi)的布置方式及電極結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)容彈布置

(b)電極結(jié)構(gòu)圖1 電極在容彈內(nèi)的布置方式及電極結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行,根據(jù)計(jì)量比向容彈內(nèi)配置過量空氣系數(shù)φa分別為1.2、1.4、1.6的甲烷/空氣混合氣,靜置2 min使其均勻混合,同時(shí)向高壓電極加載負(fù)電壓(V=-5 kV,-10 kV),隨后點(diǎn)火,與此同時(shí)觸發(fā)高速攝像機(jī)和壓力傳感器,獲得火焰紋影照片及燃燒壓力曲線。燃燒結(jié)束后,關(guān)閉高壓電源,用真空泵將容彈內(nèi)的廢氣抽出,并用新鮮空氣沖洗3次以上,以消除殘余廢氣對(duì)下次實(shí)驗(yàn)的影響。每個(gè)工況點(diǎn)至少重復(fù)3次,以減小誤差。實(shí)驗(yàn)中通過改變加載電壓及電極結(jié)構(gòu)來改變電場。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種電極下的電場模擬

利用Ansoft Maxwell 12.0軟件對(duì)點(diǎn)、柱、網(wǎng)3種電極形成的空間電場進(jìn)行了數(shù)值模擬。加載-5 kV電壓時(shí)電場強(qiáng)度沿容彈中心線的變化如圖2所示。從圖中可以看出:3種電極下電場強(qiáng)度沿水平方向?qū)ΨQ分布;網(wǎng)、柱電極下形成的電場強(qiáng)度均在容彈中心附近達(dá)到最大值后開始減小,前者變化是較為均勻地向兩側(cè)發(fā)展,后者變化是較快地向兩側(cè)發(fā)展;點(diǎn)電極下形成的電場強(qiáng)度一直較均勻地向兩側(cè)變化,在距容彈中心的距離l大約±20 mm處開始增大。在距容彈中心±5～±25 mm范圍,網(wǎng)電極下平均電場強(qiáng)度為112.4 kV/m,柱電極下平均電場強(qiáng)度為97.4 kV/m,點(diǎn)電極下平均電場強(qiáng)度為42.2 kV/m。

圖2 3種電極下的電場強(qiáng)度沿容彈中心線向兩側(cè)的變化

2.2 火焰紋影照片

φa分別為1.2、1.4和1.6時(shí)3種電極的火焰發(fā)展及變形較相似。φa為1.6加載不同電壓時(shí)3種電極的火焰紋影照片如圖3所示。從圖中可以看出,3種電極未加載電壓時(shí)各過量空氣系數(shù)混合氣的火焰均呈近似球形向外傳播。

加載電壓后,火焰出現(xiàn)了變形,在水平方向被拉伸,且加載電壓越大,拉伸越明顯。由燃燒理論可知,甲烷燃燒時(shí)的火焰前鋒面存在大量因化學(xué)電離產(chǎn)生的帶電離子(CHO+、H3O+、CH5O+、OH-、O-等)和電子[13],其中正離子和電子的濃度較大,負(fù)離子在高溫下易分解為中性粒子和電子且濃度較小[14],由于電子質(zhì)量很小而不考慮其影響。加載負(fù)電壓后,點(diǎn)火電極與高壓電極之間形成了方向大致由點(diǎn)火電極指向高壓電極的電場,火焰前鋒區(qū)的正離子在電場的作用下會(huì)向高壓電極做定向運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)中與中性粒子發(fā)生碰撞而傳遞動(dòng)量,從而產(chǎn)生近似電場方向的大規(guī)模的粒子定向運(yùn)動(dòng),即離子風(fēng)效應(yīng)。離子風(fēng)促進(jìn)了火焰前鋒面和已燃區(qū)與未燃區(qū)混合氣之間的熱量及質(zhì)量的交換,促進(jìn)了火焰前鋒面向未燃區(qū)的發(fā)展。電場強(qiáng)度越大,離子風(fēng)強(qiáng)度越大,加載電壓越大,火焰在水平方向的拉伸就越明顯。

圖3 φa為1.6時(shí)3種電極下的火焰紋影照片

2.3 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x及火焰?zhèn)鞑ニ俾?/p>

由于加載電壓與未加載電壓時(shí)豎直方向的火焰變形不明顯,所以在此僅考慮水平方向的火焰發(fā)展。定義水平方向火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x為L,L為給定極角(0°、±15°、±165°和180°)下的火焰?zhèn)鞑グ霃降钠骄?即

3種電極下火焰?zhèn)鞑グ霃降臏y取方式相同,以點(diǎn)電極為例給出了火焰?zhèn)鞑グ霃降臏y取方式,如圖4所示。

圖4 火焰?zhèn)鞑グ霃降臏y取方式

火焰?zhèn)鞑ニ俾适侵富鹧媲颁h面相對(duì)于靜止的燃燒室壁面的運(yùn)動(dòng)速率,即S=dL/dt,其中t為時(shí)間。

L>5 mm時(shí)可以消除點(diǎn)火對(duì)火焰發(fā)展的影響,L<25 mm時(shí)容彈內(nèi)的壓力和溫度變化不大,可以消除壓力及溫度變化對(duì)火焰發(fā)展的影響[15],所以本文中L=5～25 mm。

φa為1.6加載不同電壓時(shí)3種電極下L隨t的變化如圖5所示。

從圖中可以看出, 相同過量空氣系數(shù)3種電極下的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x均隨時(shí)間單調(diào)增加,加載電壓后L均比未加載電壓時(shí)大,且L隨加載電壓的增大而增大。網(wǎng)電極下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xLm、柱電極下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xLc、點(diǎn)電極下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xLp在相同加載電壓時(shí)呈現(xiàn)出Lm>Lc>Lp。

圖5 φa為1.6加載不同電壓時(shí)3種電極下的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時(shí)間的變化

表1給出了不同過量空氣系數(shù)加載不同電壓時(shí)3種電極下火焰半徑發(fā)展到25 mm所用的時(shí)間t25,以及加載電壓后的t25比未加載電壓時(shí)縮短的程度Δt25。從表1可以看出,相同過量空氣系數(shù)加載相同電壓時(shí),網(wǎng)電極所用的時(shí)間最短、縮短的程度最大,點(diǎn)電極所用的時(shí)間最長、縮短的程度最小。例如φa為1.6、V為-10 kV時(shí),點(diǎn)、柱、網(wǎng)電極下的t25分別比未加載電壓時(shí)縮短了32.29%、37.35%、54.81%。

表1 φa分別為1.2、1.4、1.6加載不同電壓時(shí)3種電極的t25及Δt25

相同電極加載相同電壓時(shí)t25和Δt25均隨著過量空氣系數(shù)的增大而增大,即混合氣越稀,火焰發(fā)展所用時(shí)間越長,電場對(duì)火焰發(fā)展的影響就越大。

圖6 φa為1.6加載不同電壓時(shí)3種電極下的火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的變化

φa為1.6加載不同電壓時(shí)3種電極下的火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的變化如圖6所示。從圖中可以看出,相同過量空氣系數(shù)下,3種電極在加載電壓后的火焰?zhèn)鞑ニ俾示任醇虞d電壓時(shí)大,加載電壓越大,火焰?zhèn)鞑ニ俾试礁摺Ｏ嗤虞d電壓時(shí)3種電極下的火焰?zhèn)鞑ニ俾食尸F(xiàn)出Sm>Sc>Sp。

圖7 3種電極下的平均火焰?zhèn)鞑ニ俾?/p>

2.4 燃燒壓力

為了更好地比較3種電極下電場對(duì)火焰的促進(jìn)作用,燃燒壓力經(jīng)歸一化處理后獲得了相對(duì)燃燒壓力增大率φ,即

式中:PV為加載電壓時(shí)的燃燒壓力;P0為未加載電壓時(shí)的燃燒壓力。

圖8 φa為1.6加載不同電壓時(shí)3種電極下的相對(duì)燃燒壓力增大率

φa為1.6加載不同電壓時(shí),3種電極下的相對(duì)燃燒壓力增大率隨時(shí)間的變化如圖8所示。從圖中可以看出,相同過量空氣系數(shù)下,3種電極在加載電壓后的燃燒壓力比未加載電壓時(shí)均有不同程度的增加,說明電場對(duì)燃燒有一定的促進(jìn)作用。加載電壓越大,燃燒壓力增大率越大。

表3給出了不同過量空氣系數(shù)加載不同壓力時(shí),3種電極下的相對(duì)燃燒壓力增大率的最大值φmax變化。從表3可以看出,加載相同電壓時(shí),相對(duì)燃燒壓力增大率的最大值呈現(xiàn)出φmax,m>φmax,c>φmax,p,網(wǎng)電極下的電場對(duì)燃燒壓力的促進(jìn)作用最大,點(diǎn)電極最小,柱電極介于兩者之間。例如φa為1.6、V為-10 kV時(shí),點(diǎn)、柱、網(wǎng)電極下的φmax分別為58.30%、103.68%、114.97%。相同電極加載相同電壓時(shí),φmax隨過量空氣系數(shù)的增加而增大,即混合氣越稀,電場對(duì)燃燒的影響就越大。

3 結(jié) 論

(1)加載電壓后,3種電極下的火焰均在水平方向拉伸,加載電壓越大,拉伸越明顯。

(2)加載電壓后,3種電極下的火焰?zhèn)鞑ニ俾屎腿紵龎毫任醇虞d電壓時(shí)大;網(wǎng)電極下的平均火焰?zhèn)鞑ニ俾试龃舐屎拖鄬?duì)燃燒壓力增大率的最大值最大。相同過量空氣系數(shù)加載相同電壓時(shí),網(wǎng)電極下的電場對(duì)火焰的促進(jìn)作用最大。

(3)混合氣越稀,電場對(duì)火焰的影響越大。φa分別為1.2、1.4、1.6,加載電壓為-10 kV時(shí),網(wǎng)電極下的平均火焰?zhèn)鞑ニ俾时任醇虞d電壓時(shí)分別增加了66.82%、112.42%、126.16%,相對(duì)燃燒壓力增大率的最大值分別為71.60%、113.55%、114.97%。

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(編輯 苗凌)

Effects of Electric Fields with Different Electrodes on Methane/Air Lean Combustion Flame

SUN Tianqi1,LIU Jie1,DUAN Hao1,LIU Bing1,GAO Zhongquan1,WU Xiaomin1,2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Industrial Automation, Shaanxi University of Technology, Hanzhong, Shaanxi 723001, China)

In view of lower combustion rate and severe cyclical variation under lean condition, an experiment was conducted to investigate different effects of electric fields with the point electrode, column electrode and mesh electrode on the flame shape, propagation distance, combustion rate and pressure in a constant volume combustion bomb. The results show that the flame deforms and is stretched in the horizontal direction as applying voltage to these electrodes; the electric field with the mesh electrode affects flame most obviously; the longer the period for flame in electric field, the rarer the mixture, the greater the effect of electric field on the flame. In the case of voltage of -10 kV and excess air ratio of 1.2, 1.4 and 1.6, flame propagating speed increases by 66.82%, 112.42% and 126.16%, respectively. Compared with the case without applied voltage, the maximum increasing rate of relative combustion pressure rises by 71.60%, 113.55% and 114.97%, respectively.

constant volume combustion bomb; lean combustion; the electrode structure

2014-07-18。 作者簡介:孫天旗(1989—),女,碩士生;吳筱敏(通信作者),女,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176150,51306143);清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(KF14122)。

時(shí)間: 2014-01-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150105.1137.009.html

10.7652/xjtuxb201503007

TK431

A

0253-987X(2015)03-0038-06