高電壓下濃/稀天然氣燃燒特性的對(duì)比研究

房建峰，姚永玉，周 輝，葛述卿，賈貴西

(洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，洛陽 471023)

0 概述

天然氣是當(dāng)今應(yīng)用非常廣泛的清潔替代能源，在國民經(jīng)濟(jì)長期可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)中起著重要作用[1]。作為天然氣主要成分的甲烷，其分子結(jié)構(gòu)中的C—H鍵能(415.2 kJ/mol) 比較大，超過一般有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)中的C—C鍵能(347.2 kJ/mol)。因此，天然氣燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，燃燒持續(xù)時(shí)間較長，散熱損失較大，在稀燃狀況下更是如此。在實(shí)際應(yīng)用中采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ岣呒淄榛鹧娴膫鞑ニ俣葘?duì)改善天然氣的燃燒很有必要。理論分析證明，外加電場能夠有效地促進(jìn)甲烷的燃燒過程[2]。

碳?xì)淙剂显谌紵龝r(shí)，火焰中被檢測到存在一定量的帶電離子，包括陽離子、陰離子和自由電子[3-4]。在外加電場作用下，這些帶電離子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，從而影響燃燒火焰的傳播和燃燒特性[5-7]。例如，文獻(xiàn)[3]中發(fā)現(xiàn)外加電場可使本生燈火焰光滑的表面產(chǎn)生褶皺，火焰燃燒速率也有一定程度的增加，而且火焰溫度也有所升高。文獻(xiàn)[5]中發(fā)現(xiàn)直流電場可提高本生燈火焰的吹熄速率，增強(qiáng)火焰的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[7]中發(fā)現(xiàn)外加電場可改變噴射火焰的形狀，促進(jìn)燃料和空氣的進(jìn)一步混合，使得CO的排放量降低。

在電場作用的各種火焰中，球形膨脹火焰屬于火焰形態(tài)隨時(shí)間迅速變化的瞬態(tài)火焰。其作用原理是將一定濃度的可燃混合氣充入密閉容彈中，在容彈中心點(diǎn)燃混合氣，燃燒火焰呈圓球形向外傳播發(fā)展。定容燃燒在能源與動(dòng)力工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如，點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的燃燒過程就接近于定容裝置中的火焰燃燒。研究電場對(duì)球形膨脹火焰的作用效果在實(shí)際工程中有一定價(jià)值。本試驗(yàn)以定容燃燒裝置為基礎(chǔ)，探討了高電壓下濃/稀甲烷-空氣混合氣的燃燒特性,并通過分析加載電場時(shí)火焰中自由電子的運(yùn)動(dòng)變化及其對(duì)天然氣燃燒的作用，進(jìn)一步說明電場影響火焰燃燒的機(jī)理，為提高改善球形膨脹天然氣火焰的燃燒性能提供了可靠的理論基礎(chǔ)和新的思路與方法。

1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用的定容燃燒裝置如圖1所示，主要由定容燃燒彈、紋影攝像系統(tǒng)、燃料配置系統(tǒng)、高壓電極、壓力采集系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)等組成。定容燃燒彈是由不銹鋼制成的兩端通透的圓柱形空殼體，其內(nèi)腔直徑為130 mm，高度為130 mm。殼體內(nèi)裝有聚四氟乙烯絕緣套，壁厚為5 mm，長度為130 mm。容彈前后端裝有厚15 mm的石英玻璃，以便通過紋影成像系統(tǒng)由高速攝像機(jī)(HG-100K)拍攝燃燒過程的火焰?zhèn)鞑D像。與點(diǎn)火回路相連的點(diǎn)火電極垂直安裝在定容燃燒彈的中心處，其外圍包有聚四氟乙烯以屏蔽點(diǎn)火電極對(duì)容彈中高壓電場的影響。燃料配置系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)要求向容彈中充入合適濃度的甲烷-空氣混合氣，其中試驗(yàn)用的干空氣由體積分?jǐn)?shù)為21%的氧氣和79%的氮?dú)饨M成。測量混合氣燃燒壓力變化的傳感器為KISTLER 4075A10型壓阻式絕對(duì)壓力傳感器，與之相連的壓力采集裝置為Yokogawa公司生產(chǎn)的DL750型采集儀，采集頻率為10 kHz。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

在容彈中產(chǎn)生作用于燃燒火焰電場的高壓電極為不銹鋼制成的網(wǎng)狀圓盤，形狀如圖2所示。圓盤外徑為60 mm，圓盤中網(wǎng)格尺寸為8.5 mm×8.5 mm。一對(duì)高壓電極安裝在定容燃燒彈中心線的左右兩側(cè)，與容彈中心的距離均為35 mm。試驗(yàn)中連接網(wǎng)狀電極的高壓電源由咸陽威斯曼公司生產(chǎn)，其電壓范圍為0 kV～30 kV。

圖2 高壓電極示意圖

燃燒室、高壓電極和測量裝置的安裝布置示意圖如圖3所示。試驗(yàn)是在常溫常壓下進(jìn)行的，根據(jù)混合氣的過量空氣系數(shù)把相應(yīng)質(zhì)量的空氣和甲烷通過水銀壓力計(jì)充進(jìn)燃燒室，利用壓力計(jì)汞柱高度的變化確定進(jìn)入燃燒室中甲烷和空氣的多少。試驗(yàn)中混合氣處于濃燃和稀燃狀態(tài)，其相應(yīng)的過量空氣系數(shù)λ分別為0.8和1.4，加載電壓U為0 kV、5 kV和 10 kV。在混合氣燃燒過程中拍攝火焰的傳播圖像，并采集容彈中混合氣的燃燒壓力。每個(gè)試驗(yàn)工況至少重復(fù)3次以上，使混合氣燃燒壓力p的最大值及其出現(xiàn)時(shí)間t保持穩(wěn)定不變。例如，λ為0.8的混合氣加載10 kV電壓時(shí)，最終燃燒壓力的發(fā)展結(jié)果如圖4所示。重復(fù)試驗(yàn)中火焰燃燒壓力的發(fā)展基本一致，壓力峰值及峰值時(shí)間幾乎完全相同。

圖3 燃燒室、高壓電極和測量裝置安裝布置示意圖

圖4 燃燒壓力發(fā)展的重復(fù)結(jié)果(λ=0.8、U=10 kV)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高電壓下容彈中的電場分布

為了更準(zhǔn)確地分析容彈中外加電場對(duì)火焰燃燒的作用，本文利用Ansoft Maxwell 13.0軟件對(duì)容彈中的電場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先依據(jù)燃燒室的形狀和尺寸建立三維模型，并根據(jù)各組成部分的材料(聚四氟乙烯、石英玻璃、甲烷-空氣混合氣、不銹鋼、鉑(點(diǎn)火電極材料))加載各自的相對(duì)介電常數(shù)。甲烷的相對(duì)介電常數(shù)與空氣非常接近，因此甲烷-空氣混合氣的相對(duì)介電常數(shù)用空氣的數(shù)值替代。高壓電極加載5 kV和10 kV電壓，點(diǎn)火電極和容彈外圍電壓為0 kV。對(duì)模型劃分網(wǎng)格后即可求解，計(jì)算結(jié)果的迭代誤差不超過0.1%。

圖5為高壓電極加載10 kV電壓時(shí)在容彈中心的電場分布狀況?？梢钥吹剑輳梼?nèi)部的電場分布沿水平和豎直方向?qū)ΨQ。電場強(qiáng)度較高的區(qū)域主要集中在高壓電極附近，數(shù)值約為5.6×105V/m。點(diǎn)火電極附近的電場強(qiáng)度大約為3.1×105V/m。在點(diǎn)火電極和高壓電極之間的區(qū)域內(nèi)電場強(qiáng)度相對(duì)較低，且比較均勻。經(jīng)分析模擬結(jié)果可知其平均電場強(qiáng)度約為2.0×105V/m。從電場方向的分布可以看出，在兩個(gè)高壓電極之間電力線基本保持在水平方向，左半部分電場方向水平向右，而右半部分電場方向水平向左。加載5 kV電壓時(shí)，容彈中的電場強(qiáng)度數(shù)值的分布狀況與圖5(a)相似，只是相同位置的數(shù)值減小一半，而電場方向與圖5(b)相同。

圖5 加載電壓10 kV時(shí)容彈中的電場分布

2.2 高電壓作用下的火焰?zhèn)鞑顩r

圖6和圖7顯示了加載電場下λ為0.8和1.4時(shí)混合氣燃燒火焰的傳播狀況。加載0 kV電壓(即容彈中沒有電場作用)時(shí)，點(diǎn)火以后燃燒火焰大致呈圓球形向外擴(kuò)散發(fā)展，水平方向和豎直方向上的火焰?zhèn)鞑顩r基本一致。加載5 kV電壓時(shí)，水平方向的火焰?zhèn)鞑ビ兴涌?，而豎直方向上火焰與沒有電場時(shí)的狀況差別不大，混合氣的火焰形狀發(fā)生一定程度的變化。加載電壓升高到10 kV時(shí)，水平方向的火焰發(fā)展進(jìn)一步加快，而豎直方向上火焰發(fā)展與沒有電場時(shí)的狀況仍然相差不大。在0 kV、5 kV和10 kV電壓作用下，λ為1.4時(shí)的火焰在12 ms時(shí)，水平方向的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x分別為16.3、19.1和21.7 mm，而豎直方向的傳播距離則分別為16.1、17.1和 16.7 mm。從圖中也可看出，高電壓下球形膨脹火焰的形狀發(fā)生較大變化，原來近似圓球形的火焰形狀變成了主軸在水平方向上的近似橢圓形。

圖6 高電壓作用下λ為0.8時(shí)不同加載電壓及火焰發(fā)展 時(shí)間下的火焰?zhèn)鞑D像

圖7 高電壓作用下λ為1.4時(shí)不同加載電壓及火焰發(fā)展 時(shí)間下的火焰?zhèn)鞑D像

根據(jù)一般的離子風(fēng)理論[13]，火焰中的陽離子在其中起主導(dǎo)作用。由于陽離子的受力方向與電場的方向一致，因此電場方向上的火焰發(fā)展會(huì)由于離子風(fēng)的促進(jìn)作用而加快，電場相反方向上的火焰發(fā)展則會(huì)受到抑制而減慢。在本試驗(yàn)中，從圖5可知，高壓電極之間電場方向大致指向容彈豎直方向的中心線，與水平方向上的火焰?zhèn)鞑セ鞠喾?。然而，圖6和圖7表明高電壓下水平方向上的火焰發(fā)展不僅沒有減慢，反而隨電場的增強(qiáng)而加快。

N2(v=0)+e=N2(v=1)+e

(1)

受到激發(fā)振動(dòng)的氮分子通過碰撞可把它的振動(dòng)能量傳遞給混合氣中別的中性粒子，特別是氧分子，即：

N2(v=1)+O2(v=0)=N2(v=0)+O2(v=1)

(2)

在以上鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)中，v=0和v=1分別代表中性粒子位于基態(tài)和激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的O2可加速下列鏈分支基元反應(yīng)：

O2+H=OH+O

(3)

該反應(yīng)中活性基OH、O的生成量隨自由電子運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)而提高，由此促進(jìn)了燃燒化學(xué)反應(yīng)，使得高電壓下的火焰?zhèn)鞑ゼ涌臁?/p>

為了定量地表示高電壓下球形膨脹火焰發(fā)展?fàn)顩r，測取了電場促進(jìn)火焰燃燒最明顯的水平方向的火焰?zhèn)鞑グ霃健？紤]到容彈中電場的空間分布較復(fù)雜，且火焰前鋒面呈現(xiàn)圓凸形，測量火焰半徑ru時(shí)取火焰圖片中與容彈中心水平線成0°、±15°、±165°和180°共6個(gè)方向上火焰半徑(r1、r2、r3、r4、r5、r6)的平均值，如圖8所示。為了消除點(diǎn)火能量及燃燒壓力和溫度的升高對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀鶕?jù)球形火焰的相關(guān)原理[16]，火焰半徑的測量范圍控制在 5～25 mm之間。

圖8 火焰半徑測取示意圖

圖9表示了高電壓作用下λ為0.8和1.4時(shí)火焰的傳播半徑ru隨時(shí)間的變化關(guān)系及其標(biāo)準(zhǔn)偏差，圖中各處半徑ru的標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù)值不超過0.1?？梢钥闯觯妷簽? kV時(shí)，ru隨時(shí)間的變化近似呈線性關(guān)系。λ為0.8時(shí)的火焰半徑發(fā)展較快，而λ為1.4時(shí)的火焰半徑發(fā)展相對(duì)較慢。本試驗(yàn)中的火焰?zhèn)鞑グ霃脚c已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)基本一致[11]。在高壓電極上加載電壓時(shí)，火焰半徑達(dá)到25 mm時(shí)所用時(shí)間縮短，加載電壓越大，火焰?zhèn)鞑ニ脮r(shí)間越短。當(dāng)加載電壓為5 kV和10 kV時(shí)，λ為1.4時(shí)的火焰半徑達(dá)到25 mm時(shí)所用時(shí)間分別為16.8 ms和14.1 ms，比 0 kV 電壓下所用時(shí)間(21.0 ms)分別縮短了20.0%和32.9%。綜上可知，高壓電場促進(jìn)了火焰半徑的發(fā)展。

圖9 高電壓作用下火焰半徑隨時(shí)間的發(fā)展

根據(jù)火焰?zhèn)鞑グ霃?，本文中求出了燃燒火焰在火焰?zhèn)鞑グ霃?～25 mm之間的火焰平均速度Sn，其增長率ΔSn為加載電場時(shí)的Sn相對(duì)于沒有電場作用下S0的增長率，即：

Sn=(0.025-0.005)/(t25-t5)

(4)

ΔSn=(Sn-S0)/S0

(5)

式中，t25和t5表示從點(diǎn)火到火焰半徑傳播到25和 5 mm 時(shí)的時(shí)間。表1為電場作用下λ為0.8和1.4時(shí)混合氣的火焰平均速度Sn及其增長率ΔSn。可以看出，在電場作用下，火焰平均速度增大。加載電壓越高，火焰平均速度的增加率越大，其中稀燃混合氣火焰速度的增加程度最大。加載電壓10 kV時(shí)，λ為0.8和1.4時(shí)的火焰平均速度分別比未加電場時(shí)增加了36.4%和49.5%。

表1 高電壓作用下的火焰平均速度及其增長率

從火焰形狀的變化可以看出，水平方向上的火焰?zhèn)鞑ゼ涌欤哟罅嘶鹧媲颁h向未燃火焰區(qū)的彎曲程度，由此增強(qiáng)了火焰?zhèn)鞑ミ^程受到的拉伸效應(yīng)[17]。火焰面的拉伸效應(yīng)的強(qiáng)弱可用拉伸率來表示，其定義為火焰面上無限小微元面積A的自然對(duì)數(shù)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。根據(jù)燃燒學(xué)關(guān)于火焰拉伸的相關(guān)理論[18]，球形膨脹火焰的拉伸率α計(jì)算公式為：

(6)

根據(jù)試驗(yàn)中火焰的傳播狀況，計(jì)算出高電壓作用下火焰拉伸率隨傳播半徑的變化及其標(biāo)準(zhǔn)偏差，如圖10所示。圖中各處拉伸率的標(biāo)準(zhǔn)偏差均不超過4.5。球形火焰的拉伸率在燃燒初期較大，隨著火焰的傳播逐漸減小。在沒有電場作用時(shí)，在半徑15 mm處，λ為0.8和1.4時(shí)的火焰拉伸率分別為160.2 s-1和128.5 s-1。在高壓電場作用下，火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰前鋒受到的拉伸率增強(qiáng)。在10 kV電壓下，在半徑15 mm處，λ為0.8和1.4時(shí)的火焰拉伸率分別為245.3 s-1和195.1 s-1，相對(duì)于沒有電場作用時(shí)分別增大了53.1%和51.6%。

圖10 高電壓作用下火焰拉伸率隨半徑的發(fā)展

2.3 高電壓作用下燃燒壓力的發(fā)展

圖11顯示了高電壓作用下λ為0.8和1.4時(shí)混合氣的燃燒壓力隨時(shí)間的變化?？梢钥闯?，點(diǎn)火以后混合氣的燃燒過程存在著火滯燃期，在此階段容彈內(nèi)的燃燒壓力基本保持不變，和初始?jí)毫缀跸嗤＝?jīng)過滯燃期以后，燃燒壓力迅速升高，直至到達(dá)壓力峰值。隨著燃燒過程的進(jìn)一步發(fā)展，燃燒壓力開始緩慢降低。在外加電場作用下，混合氣燃燒的滯燃期縮短，急燃期的壓力升高率增大，且峰值時(shí)間tp提前。加載電壓越高，燃燒壓力的變化越明顯。表2給出了高電壓作用下λ為0.8和1.4時(shí)混合氣的燃燒壓力峰值(pmax)、峰值時(shí)間(tp)及pmax和tp相對(duì)于未加電場時(shí)的增長率Δpmax和Δtp。可以看出，λ為1.4時(shí)混合氣的峰值時(shí)間的增長率Δtp比λ為0.8時(shí)混合氣的增長率Δtp相對(duì)大一些。同時(shí)，λ為1.4時(shí)的壓力峰值pmax有所提高，而λ為0.8時(shí)的pmax幾乎沒有變化。在加載10 kV電壓時(shí)，λ為0.8和1.4時(shí)混合氣的燃燒壓力峰值的增長率分別為 -0.4% 和5.1%，而峰值時(shí)間分別提前了10.8%和17.2%。

圖11 高電壓作用下燃燒壓力隨時(shí)間的發(fā)展

表2 高電壓作用下壓力峰值、峰值時(shí)間及其增長率

在加載電場作用下火焰的傳播發(fā)展加快，相同時(shí)間內(nèi)有更多的未燃混合氣參與燃燒反應(yīng)，且效果隨著加載電場的增強(qiáng)而更加強(qiáng)烈，火焰燃燒滯燃期縮短，急燃期的壓力升高率增大，壓力峰值時(shí)間提前。而燃燒壓力峰值的變化主要取決于火焰的燃燒強(qiáng)度和燃燒過程對(duì)外界的散熱量[18]，由圖6和圖7可知，高電壓作用下火焰前鋒受到額外的拉伸作用，其效果隨電場的增強(qiáng)而增大。拉伸效應(yīng)會(huì)影響混合氣中各組分的擴(kuò)散狀況，導(dǎo)致擴(kuò)散速度較大的組分在火焰前鋒中的濃度有所提高，由此改變了火焰前鋒中燃燒混合氣的濃度，從而影響火焰的燃燒強(qiáng)度。在甲烷-空氣混合氣中，甲烷對(duì)氮?dú)獾臄U(kuò)散速度大于氧氣對(duì)氮?dú)獾臄U(kuò)散速度，因此拉伸作用將會(huì)提高燃燒火焰中甲烷的濃度[18]。在稀燃火焰中，甲烷的濃度相對(duì)較低，拉伸作用提高燃燒火焰中甲烷的濃度，將使得火焰燃燒區(qū)中的反應(yīng)物濃度向靠近當(dāng)量比濃度的方向變化，使得火焰的燃燒化學(xué)反應(yīng)更劇烈，增強(qiáng)火焰的燃燒強(qiáng)度。同時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募涌鞙p少了燃燒過程的對(duì)外散熱。因此電場作用下，稀燃混合氣的壓力峰值有一定程度的提高。對(duì)于濃燃混合氣，火焰中甲烷的濃度相對(duì)較高。拉伸作用進(jìn)一步提高燃燒反應(yīng)區(qū)中甲烷的濃度，導(dǎo)致火焰前鋒中反應(yīng)物的濃度進(jìn)一步偏離當(dāng)量比濃度，減弱火焰的燃燒強(qiáng)度，同時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募涌鞙p少了燃燒過程的對(duì)外散熱。二者共同作用，使?jié)馊蓟旌蠚獾膲毫Ψ逯底兓淮蟆?/p>

3 結(jié)論

(1) 在加載電場作用下，球形膨脹火焰在電場相反方向上的火焰?zhèn)鞑ゼ涌?，火焰?zhèn)鞑グ霃胶推骄鹧嫠俣入S外加電場的增強(qiáng)而增大，同時(shí)火焰前鋒在發(fā)展過程中受到的拉伸效應(yīng)增強(qiáng)。加載10 kV電壓時(shí)，λ為0.8和1.4時(shí)混合氣的火焰平均傳播速度比沒有電場作用時(shí)分別增加了36.4%和49.5%。

(2) 在加載電場作用下，混合氣的燃燒過程加快，結(jié)合火焰前鋒受到的拉伸作用，使得甲烷空氣混合氣燃燒壓力的峰值時(shí)間提前，稀燃混合氣的壓力峰值增大，而濃燃混合氣的壓力峰值變化不大。加載10 kV電壓時(shí)，λ為0.8和1.4時(shí)混合氣的壓力峰值時(shí)間比沒有電場作用時(shí)分別提前了10.8%和17.2%，而λ為0.8時(shí)混合氣的壓力峰值基本不變，λ為1.4時(shí)混合氣的壓力峰值升高了5.1%。