旋轉滑動弧等離子體對稀燃旋流火焰影響的實驗研究1)

王金華 琚榮源 蔡 驍 張瑋杰 黃佐華

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,西安 710049)

引言

為了解決現代世界日益增長的能源需求和滿足嚴格的排放法規,迫切需要革新常規燃燒技術,以大幅提高能源轉換效率、燃料靈活性和減少排放.先進的發動機需要在極端的燃燒環境中工作,如稀燃、高溫、高壓、高速和高稀釋等條件,可靠點火和穩定燃燒面臨著巨大的挑戰.鈍體、旋流或兩者的組合是燃機和航機等燃燒系統中典型的穩定燃燒方式,但是在稀燃預混燃燒技術中,燃燒不穩定和吹熄仍然是重大的挑戰.

電場和等離子體因為其熱作用、化學動力學作用和流動作用,在輔助點火和燃燒方面引起了全世界廣泛的關注,等離子體已被證明是解決極端條件下點火和燃燒穩定性問題的潛在方案[1-2].研究表明,等離子體可以縮短點火延遲時間,穩定甚至控制燃燒,提高燃燒速度,以及減少污染物排放.之前的研究集中在探索和表明利用各種等離子體放電增強燃燒穩定性和可燃極限的有效性,并揭示等離子體穩焰的機理以及對污染物排放的影響規律.Kong 等[3]使用針-針等離子體放電來穩定湍流預混火焰,并利用CH2O-PLIF,CH-PLIF 和瑞利散射測溫成像等激光診斷技術,研究了絲狀等離子體放電穩定湍流火焰的機理,并提出了一個重復點火-火焰傳播模型來解釋火焰穩定過程.Choe 等[4]研究表明,納秒重復脈沖等離子體可以顯著拓展甲烷旋流火焰的吹熄極限,他們發現等離子體提供了一種火焰錨定機制,但他們并未研究等離子體對自由基分布的影響,指出需要進一步測量OH 分布.在后續的研究[5-6]中,氨氣作為無碳燃料引起了廣泛的關注,他們表明施加等離子體能夠增強氨氣火焰的穩定性,并且能夠降低NOx排放.Zare 等[7]和Zhou 等[8]分別研究了納秒重復脈沖放電和交流電源驅動的介質阻擋放電對擴散火焰穩定性的影響,表明等離子體可以明顯提高擴散火焰的穩定性,火焰的抬升高度降低,吹熄速度增加.Gao 等[9]進行了OH,CH2O 和CH-PLIF 測量,以研究滑動弧輔助火焰的詳細結構,并根據火焰的詳細拓撲結構,劃分了6 個不同的區域.Kim 等[10-11]研究了介質阻擋放電對燃燒穩定性、稀燃吹熄極限(LBO)以及污染物排放的影響,但他們并沒有利用激光診斷技術研究火焰結構.Lacoste 等[12]研究了等離子體對NOx的影響,表明納秒脈沖放電對NO2的影響比較小,NO 隨著放電功率增加而增加.

盡管學者們做了大量的工作去理解等離子體與燃燒之間的相互作用機理,等離子體助燃研究依舊面臨巨大的挑戰,主要是因為等離子體的類型比較多,具有不同的放電特性,并且等離子體助燃涉及到多個過程和多個學科交叉.另外由于燃燒、放電的時間和空間尺度存在不確定性,等離子體的各個效應相互耦合,難以進行解耦.

旋轉滑動弧具有增加等離子體的體積覆蓋范圍和適用于高壓的優點,與湍流和火焰作用的時間更長,助燃效果顯著,是一種非常有潛力的放電形式,引起了廣泛的關注.Lin 等[13]研究了旋轉滑動弧作用下的熄火邊界、噴霧特性和裂解產物,從霧化蒸發改善和燃油裂解重整兩個方面揭示助燃的機理.Tang 等[14]利用滑動弧放電來拓寬受限和非受限旋流火焰的可燃極限,同時Sun 等[15]通過OHPLIF 和PIV 同步測量獲得了旋流火焰結構和瞬時流場,揭示了滑動弧穩定預混旋流火焰的機理.最近,Kong 等[16-17]利用高速攝像研究了在稀燃吹熄極限附近,旋轉滑動弧輔助甲烷旋流火焰的燃燒特性,另外通過實驗和模擬研究了旋轉滑動弧的點火過程.在我們之前的研究中,實驗表明了旋轉滑動弧等離子體能夠穩定甲烷[18]和氨氣[19]旋流火焰,拓寬火焰的稀燃吹熄極限.然而,關于三維旋轉滑動弧等離子體的產生機理和放電特性,以及調控燃燒的主要路徑,尤其是等離子體的溫升效應和化學效應有待深入研究.另外為了理解旋轉滑動弧等離子體與燃燒場耦合的多場和多過程的相互作用及其潛在的應用,需要獲得等離子體對燃燒過程的影響規律、機制和效果,包括火焰結構、可燃極限和穩定性以及污染物排放特性等方面.

本文的主要目的是研究三維旋轉滑動弧放電等離子體對稀燃預混鈍體旋流火焰的影響規律,為深入理解旋轉滑動弧及在燃燒中的應用提供一些參考.首先我們研究了旋轉滑動弧等離子體的特性,包括電學和光譜特性,運動特性以及其溫升影響;接著,利用OH-PLIF 技術得到了旋流火焰結構和轉變過程;最后,通過測量燃燒室出口的NOx,獲得了等離子體對燃燒污染物排放的影響規律.

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

本文實驗在預混鈍體旋流燃燒器上開展,圖1為實驗系統示意圖,包含了氣體供應系統、OHPLIF/PIV 系統、放電參數測量系統、等離子體發射光譜測量系統、紅外熱像儀測量系統和FTIR 污染物測量系統.鈍體旋流燃燒器的詳細結構以及OHPLIF/PIV 系統的詳細介紹可以參考之前的工作[20].燃料首先與空氣預混,然后減速,并進一步在內徑為35 mm 的混合管中混合.鈍體和旋流器同軸安裝在混合段的下游,旋流器由8 個葉片組成,角度為45°.直徑為25 mm 的不銹鋼錐形鈍體作為高壓電極,在燃燒器混合管中安裝高壓電饋通,向中心鈍體高壓電極提供高壓電位.燃燒器出口的金屬板作為接地電極.在這種電極布置中,等離子體放電是在鈍體和燃燒器出口之間的5 mm 間隙區域產生.燃燒室為方形截面,4 塊石英玻璃可以安裝在燃燒室周圍,以防止周圍空氣卷吸.

圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system

高壓電極連接電源(CTP-2000 K 等離子體發生器,頻率為40 kHz),可產生正弦電壓,然后通過高壓探頭(TektronixP6015 A)測量施加電壓,并通過電流監視器(Pearson Electronics 6600)測量放電電流.采用數字示波器(Tektronix DPO4104 B),同時記錄電壓(U)和電流(I)波形.利用高速相機拍攝電弧運動圖像分析旋轉滑動弧放電的動態運動過程.為了研究旋轉滑動弧放電的光譜特性,采集了空氣中等離子體放電的發射光譜.為了定量測量滑動弧放電帶來的溫升效應,我們利用熱電偶和紅外相機分別測量了燃燒室壁面溫度和中心鈍體表面溫度.針對火焰燃燒場中診斷,利用OH-PLIF 技術得到了旋流火焰結構和轉變過程;最后在FTIR 污染物測量系統中,將取樣探頭放置在距離燃燒室出口100 mm 的位置,取樣探頭的溫度由保溫帶控制.詳細的方法和步驟可以參考文獻[21].

1.2 實驗方法

本實驗是在常壓下開展的,采用甲烷作為燃料,當量比φ的范圍為0.8-LBO,空氣的流量為50～230 SLM(標準升每分鐘),實驗過程是從當量比為0.8 時點火,固定空氣流量不變,逐漸減少燃料流量,直至發生吹熄.實驗中施加的電壓為0～ 20 kV,根據施加的電壓大小,放電可以分為兩類: 電暈放電和旋轉滑動弧放電.當施加電壓不足以擊穿形成電弧放電時,由于中心鈍體電極尖端的電荷密度很高,電場強度與電荷密度成正比,因此在尖端可以形成弱電離電暈放電[22].進一步提高電壓,電極間隙被擊穿形成電弧放電,在旋轉氣流的作用下,形成旋轉滑動弧放電,數碼照片如圖2 所示,這是本文研究的重點.滑動電弧是一種薄的,線狀的等離子體柱.在電極之間的環形間隙中反復擊穿,向旋流驅動的方向移動,拉長和伸展,直到熄滅.旋轉滑動弧放電的電壓電流波形如圖3 所示.

圖2 旋轉滑動弧放電的數碼照片Fig.2 Direct images of a rotating gliding arc discharge

圖3 旋轉滑動弧放電的典型電壓電流波形Fig.3 Typical voltage-current waveforms of a rotating gliding arc discharge

通過調節調壓器的位置可以改變施加電壓和放電功率,通過電壓(U)和電流(I)的積分來計算沉積在火焰中的能量[23-24].可知電暈放電的功率比較低,大約為4.6 W,而對于旋轉滑動弧放電,實驗中采用了兩個電壓,低電壓和高電壓分別對應于調壓器位置為125 V 和175 V,低電壓滑動弧放電和高電壓滑動弧的放電功率分別約為120 W 和150 W.

2 實驗結果和討論

2.1 旋轉滑動弧的動態過程

旋轉滑動弧放電過程中,電弧一方面拉長和伸展,另一方面隨著旋流發生旋轉,如圖2 的數碼照片所示.為了更加直觀地認識電弧運動和動態周期過程,利用高速相機(2000 幀/s)拍攝電弧運動圖像.在高激勵電壓和空氣流量為110 SLM 的工況下,拍攝的電弧運動形態結果如圖4 所示,內圈為中心鈍體高壓電極,外圈為燃燒器的金屬板,作為接地電極.圖4(a)～ 圖4(e)是滑動弧放電的一個完整周期,約為20 ms,可以看到電弧在電極間隙之間發生擊穿、滑動,拉長和伸展,最后熄滅,在電極間隙處形成新的擊穿,如圖4(e)中明亮部分所示.另外可以看到電弧在高壓電極端滑動,然而電弧在接地電極端幾乎保持不變.當新的擊穿發生時,電弧的位置發生了明顯的變化.圖4(f)為在620 ms 放電時間內滑動弧的運動軌跡圖,主要統計了擊穿時刻電弧的位置,滑動弧分布比較稀疏,表明擊穿次數比較少,旋轉速度也比較低.

2.2 旋轉滑動弧放電的光譜特性

利用型號為AvaSpec-ULS2048 四通道光譜儀采集了空氣中旋轉滑動弧放電的發射光譜,采樣積分時間設置為1000 ms,此外采用電位移平臺調整光纖的位置,測量了4 次,取平均值作為最終結果.在高激勵電壓和空氣流量為110 SLM 的工況下,獲得的等離子體發射光譜結果如圖5 所示.

圖5 旋轉滑動弧放電的發射光譜Fig.5 Optical emission spectroscopy of RGA plasma

從圖5 中可以觀察到旋轉滑動弧放電的發射光譜主要包含NO(A2Σ+→X2Π)譜帶、OH(A2Σ→X2Π,0-0)譜帶,氮分子第二正帶系N2(C3Πu→B3Πg),處于310～ 400 nm 的范圍內,以及氮分子離子第一負帶系N2+(B2Σu+→X2Σg+),對應波長為391.4 nm.另外,在光譜波長為777.4 nm 出現了O 原子譜線,在光譜波長為746.8 nm 和822 nm 觀察到了N 原子譜線[25],在568 nm 處觀察到了氮離子的發射光譜[26],表明滑動弧等離子體可以將氮氣和氧氣解離,產生的活性自由基有利于燃燒化學反應[27-28].

2.3 旋轉滑動弧放電的溫升效應

在滑動弧等離子體強化燃燒過程中,熱效應起到關鍵作用,等離子體的熱效應會使得溫度增加,因此需要表征旋轉滑動弧放電的溫升效應.由于滑動弧放電電磁干擾比較強,比較難捕捉等離子體周圍氣體的溫度.本文利用紅外相機和熱電偶分別測量了冷態放電時中心鈍體表面溫度和燃燒室壁面附近空氣溫度,從宏觀電極加熱和氣體溫升來側面反映非平衡等離子體的溫升效應.

圖6 為紅外相機測量的結果,其中圖6(a)為紅外相機拍攝的圖片,由于旋轉滑動弧放電比較局部,可以看到電極局部出現了紅色,表明放電能夠增加電極的溫度,局部溫升可達160°.接下來我們統計了3 個溫度,分別為鈍體中心的平均溫度,中心線上的平均溫度以及整個鈍體的平均溫度,結果表明電極壁面的平均溫度略有升高,約為10°,相比于局部溫升可以忽略不計.

圖6 紅外相機測量結果Fig.6 Infrared camera measurement results

圖7 為熱電偶測量燃燒室壁面附近空氣溫度結果,對比了不同電壓和不同流量下,旋轉滑動弧放電對空氣溫升特性的影響.可以看出隨著施加電壓的增加,放電的平均功率增加,使得空氣溫度增大;隨著空氣流量的增加,一方面放電的功率密度降低,另一方面空氣的冷卻作用增強,均使得空氣溫升減小.

圖7 熱電偶測量燃燒室壁面附近空氣溫度結果Fig.7 Temperature results of air near combustion chamber wall by thermocouple measurement

2.4 旋轉滑動弧放電對鈍體旋流火焰結構的影響

首先利用數碼相機獲得了火焰的宏觀形態,當量比從遠離吹熄(0.8)變化到接近吹熄(0.55).圖8中第1 行展示無等離子體時旋流火焰的結構及結構轉變.火焰形態可以根據火焰穩定位置分為3 種:(1) 內剪切層(ISL) 火焰、(2) 外剪切層(OSL) 火焰、(3)旋渦破碎區火焰[4].圖中可以看到在高當量比下是穩定的V 形火焰,且穩定在內剪切層.當量比降到0.6 時,在外回流區觀察到火焰,火焰上下閃爍,屬于振蕩火焰.隨著當量比的進一步降低到臨近吹熄0.55 時,火焰根部燃燒強度微弱,再降低當量比,火焰根部出現局部熄火,火焰脫離燃燒器出口,成為抬升火焰.

圖8 不同當量比下有等離子體和無等離子體的火焰數碼照片Fig.8 Digital photographs of flames with and without plasma at different equivalence ratios

圖8 中第2 行展示了施加旋轉滑動弧放電后火焰形態,可以看到明亮的部分為旋轉滑動弧放電,在遠離吹熄時火焰的形態與無等離子體時變化不明顯.隨著當量比降低,之前的振蕩火焰和臨吹熄火焰變得穩定,附著在等離子體柱上.因為旋轉滑動弧的能量比較高,等離子體柱上方的甲烷-空氣混合物可以被點燃,所以可以顯著地拓寬旋流火焰的LBO.當空氣流量為110 SLM 時,無等離子體的條件下旋流火焰的吹熄極限約為0.52,當調壓器電壓分別為125 V 和175 V 時,吹熄極限拓展到約0.36 和0.3,表明施加旋轉滑動弧等離子體后,旋流火焰的吹熄極限能夠拓展30%以上.隨著施加電壓的增加,擴寬效果也更好,施加電壓對延長吹熄極限有顯著的影響.

在本研究中,采用OH-PLIF 技術來測量不同當量比下無等離子體和有等離子體時火焰拓撲結構和火焰前鋒面.不同當量比下單張和平均的OH-PLIF結果如圖9 所示,空氣流量為110 SLM,激勵電壓為高電壓.隨著當量比降低,無等離子體時的火焰結構中,OH 信號分布的區域面積逐漸減小,火焰的下游出現強烈的扭曲和褶皺.施加旋轉滑動弧放電后,觀察到即使在極低當量比下,火焰也可以維持,這遠遠超出了無等離子體時火焰的吹熄極限.在非常稀薄的條件下,例如當量比為0.45,等離子體柱上方和附近的混合物也可以有效地點燃,火焰被錨定在等離子體柱上.此外,觀察到等離子體柱周圍的較高OH 信號強度,特別是等離子體上方,證實了滑動弧一方面可以通過等離子體化學產生OH 自由基,并且OH 可以通過氣流輸運,能夠促進燃燒[29],另一方面表明旋轉滑動弧可以通過熱效應和點火效應促進OH 等自由基的產生,進而增強了化學反應,尤其是在稀燃條件下[14].由于旋轉滑動弧放電的位置在火焰的根部,等離子體對外回流區和內剪切層的影響相對較大,如圖9 中紅色線框所示.

2.5 旋轉滑動弧放電對污染物排放的影響

為了更深入地理解等離子體對污染物排放的影響,利用FTIR 氣體分析儀測量了鈍體旋流火焰在有/無等離子體時燃燒室出口NOx的排放,可以獲得燃燒煙氣中的NO,NO2和N2O 這3 種組分的含量,對于碳氫火焰,實驗發現N2O 含量非常低,可以忽略.

為了對比,首先利用FTIR 氣體分析儀測量了旋轉滑動弧在空氣中放電時污染物的排放,可以看到隨著放電電壓的增加,NO 和NO2含量是增加的,例如NO 在低電壓滑動弧放電時含量為1.55 × 10-4,而在高電壓滑動弧放電時含量增加到3.28 × 10-4,如圖10 所示.等離子體放電會產生大量的NO,一方面是因為在等離子體放電作用下氮氣和氧氣分子通過與電子碰撞反應產生激發態分子和自由基促進NO的生成,例如通過振動激發態N2(v)與氧原子的反應生成NO 以及振動激發態O2(v)與氮原子的反應生成NO[30]

圖10 旋轉滑動弧等離子體對NOx 排放的影響Fig.10 Effects of RGA plasma on NOx emissions

另一方面是因為旋轉滑動弧的能量很高,熱效應比較大,等離子體柱的溫度約1100 K[31],也會通過Zeldoviah 機理促進熱力型NO 的形成[32]

隨著放電電壓的增加,增加了功率,促進了高能電子的產生,進一步通過電子反應碰撞導致活性物種增加,另外溫度隨著放電電壓的增加而增加,均促進了NO 的生成.

對于碳氫火焰,施加旋轉滑動弧放電等離子體會造成NO 和NO2的排放明顯增加.隨著當量比的降低,等離子的施加使得NO 增加的幅度變大,例如當低電壓旋轉滑動弧施加到當量比為0.8 的火焰時,NO 增加了約65%,當量比為0.55 時,NO 增加了約102%.隨著放電電壓的增加,NO 的排放明顯增加,對比于低電壓旋轉滑動弧放電,高電壓旋轉滑動弧放電的NO 排放增加了約70%.此外,從圖10 中可以觀察到,NO 的排放隨著當量比降低而降低,這個結果與文獻中一致[11].當量比降低,使得火焰處于更加稀燃的條件,溫度降低減少了NO 的生成.在火焰中放電形成的NO 比空氣中放電少,可能歸因于等離子體 產生NOx需要氧氣和火焰會消耗氧氣之間存在一個競爭關系,空氣中放電NO 的形成主要來源于等離子體化學和Zeldoviah 機理,而火焰可能會消耗一部分的氧氣和氧原子,使得產生的NO 對比于空氣中放電產生的NO 有所降低[33].

圖10(b)中可以觀察到當量比為0.4 時NO2的排放比較高,然后快速下降,這可以從兩個方面進行解釋: 一方面,當量比為0.4 時,火焰在等離子體的助燃下能夠維持,但是燃燒強度和程度較低,且處于極稀燃狀態,火焰的溫度較低且氧氣過量,NO2的生成主要是通過NO 的氧化反應[32],另外NO 與臭氧的反應也導致NO2生成[34],在高溫條件下臭氧不穩定,因此在低溫條件下NO2排放較多

另一方面,由于燃料的存在,燃料會經歷低溫氧化,產生大量的過氧烷基(RO2),例如甲基過氧自由基(CH3O2),增強了NO 向NO2轉化[35-36]

隨著當量比增加到0.5 以上,可以從圖9 的OH-PLIF 結果可以看到,旋流火焰的燃燒強度增強,燃燒溫度同時也增加,NO2與燃料自由基的反應(H,CH3等)增強[37],促進了NO2的消耗,使得在高當量比下NO2的排放大大降低.關于等離子體與燃燒化學對NOx排放影響的詳細機理有待進一步研究

對于工業燃燒系統中,面臨著嚴格的排放法規,旋轉滑動弧放電帶來的NOx是不可接受的,但是需要注意的是,等離子體作為一種輔助點火和助燃的方式,是在極端燃燒情況下才會啟用,例如航空發動機在高海拔區域受到低溫的影響容易熄火,等離子體助燃可以幫助發動機再點火.

3 結論

針對旋轉滑動弧等離子體放電特性以及對燃燒的影響,本文實驗研究了三維旋轉滑動弧放電等離子體對稀燃預混鈍體旋流火焰的影響規律,并對等離子體的放電特性進行了詳細的表征,圍繞電學和光譜特性,運動特性以及其溫升影響開展了相應的實驗.本文得到主要結論如下.

(1) 旋轉滑動弧等離子體放電特性,例如轉動速度、放電周期等與空氣流量和施加電壓有關.通過發射光譜分析發現,滑動弧放電等離子體中存在NO、OH 自由基、氮分子、氮分子離子、O(777.4 nm)原子和N(746.8 nm 和822 nm)原子等活性粒子,有助于增強燃燒中的化學鏈式反應.旋轉滑動弧的整體熱效應比較弱,主要表現為局部加熱作用,同樣地受到空氣流量和施加電壓的影響.

(2) 旋轉滑動弧等離子體能夠提高火焰穩定性和拓展吹熄極限.在臨近吹熄時能夠改變火焰結構,使得不穩定火焰和抬升火焰重新穩定燃燒.稀燃吹熄極限能夠擴展30%以上,旋轉滑動弧等離子體可以作為連續點火源和火焰穩定器.

(3) 旋轉滑動弧等離子體能夠增加甲烷旋流火焰的NOx排放,旋轉滑動弧因為等離子體化學和熱效應導致NOx排放顯著增加,對于當量比為0.8 時,低電壓滑動弧放電導致NO 增加約65%.NO 的排放隨著當量比降低而降低.燃料的加入使得NO 的含量低于空氣中放電時NO 的含量.等離子體與燃燒結合起來對NOx排放的影響機理有待進一步的研究.