电场分布对球形传播火焰变形率的影响

崔雨辰,段浩,李超,孙天旗,吴筱敏,2

(1.西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;2.陕西理工学院陕西省工业自动化重点实验室,723001,陕西汉中)



电场分布对球形传播火焰变形率的影响

崔雨辰1,段浩1,李超1,孙天旗1,吴筱敏1,2

(1.西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;2.陕西理工学院陕西省工业自动化重点实验室,723001,陕西汉中)

针对电场作用下球形传播火焰的变形问题,利用Maxwell 14.0软件分别对点状、环状、直径为20 mm和60 mm的网状等4种电极产生的电场进行了模拟,同时在常温、常压下,定容燃烧弹中过量空气系数为1.2时,通过对这4种结构的电极施加负电压(-5 kV和-10 kV)对甲烷/空气预混火焰在不同方向(与水平方向夹角为0°、15°、30°、45°、60°和70°)上的火焰变形率进行了研究。结果显示:施加负电压时,环状电极下的火焰在不同方向上的平均变形率最小,点状电极的次之,直径为20 mm网状电极比点状电极的稍大;直径为60 mm网状电极下施加-5 kV电压时,火焰在不同方向上的平均变形率与点状电极的差别不大,施加-10 kV电压时,火焰在大于45°方向上的平均火焰变形率最大。由此表明,环状电极的电场分布有利于火焰的均匀发展,可以降低火焰淬熄的可能性。

球形传播火焰;电极;电场分布;火焰变形率

能源利用效率低已成为加剧研究能源及环境问题的重要因素。近年来,国内外的学者通过对本生灯、平板火焰等驻定火焰行为和燃烧特性进行了研究和分析,发现电场在增加火焰稳定性[1-3]、提高火焰速度[4-6]和减少碳烟排放[7]等方面具有显著的作用。Belhi等研究甲烷-空气的层流扩散火焰时,发现电场的存在会使火焰产生离子风效应,从而大大提高了火焰的稳定性[8]。Volkov在研究甲烷-空气平板火焰时,发现电场可以诱导火焰前锋面发生形变,火焰的绝对燃烧速率有所提高[9]。Sakhrien等研究了预混湍流的本生灯喷射火焰,认为电场作用下燃料的不完全燃烧降低[10]。

近年来,孟祥文等对球形膨胀火焰进行了研究,通过实验和数值模拟,得出平板网状电极在直流电场下对甲烷/空气预混层流火焰的燃烧特性有显著提升的作用[11]。康婵等研究了负电场下网状电极和点状电极对甲烷/空气预混火焰的影响,发现电场对火焰横向传播有促进作用,对火焰纵向传播有抑制作用[12]。

以上研究表明,虽然电场在一定程度上促进了火焰在某一方向的发展,但同时使得火焰发生变形,引起不均匀发展,当不等扩散存在或火焰传播受到限制时容易出现火焰淬熄[13],一旦发生淬熄,能源利用率会大幅下降。为了促进火焰的整体发展,寻找一种使火焰能够在不同方向得到均匀发展的电极结构至关重要。

1 电场数值模拟

在Pro/E中建立了与实际定容燃烧弹尺寸一致的三维电场模型,同时对模型进行了简化,以达到一定的计算精度。

材料包括聚四氟乙烯、不锈钢、空气和甲烷。聚四氟乙烯作为定容燃烧弹内壁的绝缘套和点火电极的保护套,不锈钢是高压电极和点火电极的材料。容弹内的混合气视为理想气体,由于甲烷的相对介电常数与空气十分接近,因此模拟中甲烷的相对介电常数用空气代替。材料属性设置如表1所示。

表1 材料属性设置

模拟中的激励源为电压,所有边界条件均为狄里克莱边界条件(第一类边界条件)。高压电极的电压V分别为-5 kV和-10 kV,点火电极的电压为0 kV,定容燃烧弹绝缘套外壁电压为0 kV,定容燃烧弹以外区域为完全绝缘。

利用Ansoft Maxwell软件自动划分网格,通过限制网格的最大边长、网格深度、最大表面偏差、最大表面法线偏差等来控制网格的大小和细密程度。点状电极网格数为103 650,环状电极网格数为427 206,网状(直径20 mm)电极网格数为160 178,网状(Φ60 mm)电极网格数为360 690。求解中最大迭代次数为20,迭代误差小于0.1%时迭代停止。

2 实验装置和方法

图1为实验装置,由定容燃烧弹系统、配气系统、点火系统、高速摄像及纹影光路系统、数据采集系统和高压电供给系统组成。

图1 实验装置图

定容燃烧弹由碳钢浇铸而成,内腔为Φ130 mm×130 mm的圆柱体,容弹内有聚四氟乙烯加工而成的厚度为8.5 mm的绝缘套。容弹两侧装有厚度为30 mm的高抗冲石英玻璃,为纹影系统提供必要的光学通路,石英玻璃与定容燃烧弹之间利用O型橡胶圈密封。在容弹中心竖直方向上对称布置了一对外裹聚四氟乙烯的针状点火电极,用于点火时产生火核,点火完成后作为地极。点火电极的直径为2 mm,2个电极的间距为2 mm。高压电极分别为一对点状电极(Φ4 mm)、一个环状电极(内径70 mm,外径85 mm)和2种网状电极(Φ20 mm,Φ60 mm)。点状电极和网状电极均对称安装在定容燃烧弹两侧左右面的中心处,距点火电极的水平距离为35 mm;环状电极布置在定容燃烧弹的中心面上,其圆心与容弹内腔中心面的圆心重合。图2、图3分别为5种电极的结构及尺寸和安装位置。

(a)点火电极 (b)点状电极 (c) Φ20 mm 网状电极

(d)环状电极 (e)Φ60 mm网状电极 单位:mm图2 5种电极的结构与尺寸

(a)点状电极 (b)环状电极 (c)网状电极图3 电极安装位置示意

实验中采用了Wisman DEL30N45负高压电源(输出电压范围为0～-30 kV,最大输出功率为45 W);数据采集仪为YOKOGAMA公司研制的型号为DL750的动态测试仪,采样频率高达10 MHz;摄像机为美国Redlake公司的HG-100K型高速摄像机,拍摄速度为5 000帧/s。

实验在常温、常压下进行,并向容弹中充入过量

空气系数φa=1.2的甲烷/空气混合气,静置2 min使其均匀混合,以消除扰动,与此同时对各高压电极加载负电压。点火的同时触发测量系统,得到与水平方向夹角θ为0°、15°、30°、45°、60°、70°时的火焰传播距离Lh与时间t的关系。燃烧废气由真空泵抽出,并用空气多次冲洗燃烧弹,以消除残留废气对下次燃烧的影响。每种工况点至少重复3次,取平均值作为实验结果,以便减小实验误差。

3 结果与分析

3.1 电场数值模拟结果

当火焰半径r>5 mm时,点火能量对火焰发展产生的波动影响可以忽略;当r<25 mm时,温度和压力的变化对火焰传播的影响可以忽略[14]。为了消除点火和燃烧压力对火焰的影响,本文研究了半径r=5～25 mm区域内的火焰传播特性。

图4为利用Ansoft Maxwell 14.0软件分别对点状、环状、网状(Φ20 mm,Φ60 mm)电极加载-10 kV电压后形成的电场线和电场强度E的数值模拟结果。由于电极和容弹具有对称性,所以对每个电极的电场线分布和电场强度分布各取一半进行分析。从图中可以看出,在r=5～25 mm区域内,点状电极下主要的场强范围为4.64×104～2.48×105V·m-1,环状电极下为1.00×105～1.00×106V·m-1,Φ20 mm网状电极下为5.59×104～2.99×105V·m-1,Φ60 mm网状电极下为1.45×105～1.21×106V·m-1。4种电极下,水平中心线附近的电场线方向都接近于水平方向,偏离水平中心线时点状电极和Φ20 mm网状电极的电场线方向都是从点火电极开始指向高压电极,Φ60 mm网状电极的电场线仍为水平方向,环状电极的电场线方向接近垂直于火焰面。

为了研究不同方向上的火焰传播,同时避免纵向点火电极对火焰的干扰,选取与水平面夹角θ为0°、15°、30°、45°、60°、70°方向进行了研究。图5为4种电极下施加-10 kV电压后不同方向上的电场强度随传播距离的变化。从图中可以看出:当传播距离较小时,4种电极下不同方向上的电场强度随传播距离的变化趋势基本一致;θ越大,同一传播距离对应的电场强度越大,随着传播距离的增大,各个角度上电场强度的差异逐渐减小;点状电极和Φ20 mm网状电极在传播距离约为15～25 mm时,θ越大,同一传播距离对应的电场强度越小,不同角度上电场强度的差异逐渐增大。

(a)点状电极 (b)环状电极 (c)Φ20 mm网状电极 (d)Φ60 mm网状电极图4 4种电极施加-10 kV电压后电场线分布和电场强度分布

(a)点状电极和Φ20 mm网状电极

(b)环状电极和Φ60 mm网状电极 图5 4种电极下施加-10 kV电压后不同方向上电场强度随传播距离的变化

3.2 火焰传播图像

图6为4种电极施加-5 kV、-10 kV电压后的火焰传播图像。从图中可以看出,加载电压后,4种电极下的火焰在不同方向上均发生了不同程度的变形,随着外加电压值的增大,火焰变形越明显。原因是加载电压后,形成了方向由点火电极指向高压电极的电场,在电场的作用下,大量粒子沿电场方向定向迁移,该现象称为离子风效应[11]。

从图6还可以看出:4种电极下最初时的火焰变形最明显,即偏离水平方向的火焰面发展很慢,这可能是点火时纵向点火电极对火焰的干扰起主导作用;施加-5 kV电压时,随着时间的推移,4种电极下火焰面在偏离水平方向的发展与水平方向之间的差异减小,变形减小,环状电极最为明显;施加-10 kV电压时,点状、环状电极和Φ20 mm网状电极下火焰随时间的变形趋势与施加-5 kV电压时的差异不大,而Φ60 mm网状电极下火焰随时间的变形越来越明显,火焰拉伸成近似长方体。

图6 φa=1.2时4种电极施加负电压后的火焰传播图像

3.3 火焰传播距离

火焰传播距离Lh定义为任意方向上火焰的最左端和最右端的前锋面到点火电极中心距离的平均值。不同方向上的火焰传播距离Lh=(L1+L2)/2,L1和L2从火焰发展照片上得到,如图7所示。

图7 不同方向上的火焰传播距离获取方法

(a)U=-5 kV时点状、环状电极

(b)U=-5 kV时网状电极

(c)U=-10 kV时点状、环状电极

(d)U=-10 kV时网状电极 图8 4种电极在不同方向、不同电压下火焰传播距离随时间的变化

图8为4种电极在不同角度、不同电压下火焰传播距离随时间的变化。从图中可以看出:加载-5 kV电压时,4种电极下的火焰在不同角度上的传播距离与传播时间近似呈线性关系,点状电极、Φ20 mm和Φ60 mm网状电极下,随着角度的增大,同一时间对应的火焰传播距离逐渐减小,环状电极下火焰在各个角度的传播距离随时间变化的差异不大;加载-10 kV电压时,点状电极在不同方向上的火焰传播距离随时间的变化趋势与加载-5 kV电压时的差异不大,环状电极下在0°、15°、30°和45°方向上的火焰传播距离随时间的变化基本一致,而在60°和70°方向上同一时间对应的传播距离有所减小,Φ20 mm和Φ60 mm网状电极下,随着角度的增大,同一时间对应的火焰传播距离明显减小,特别是Φ60 mm网状电极下各个方向上火焰传播距离的差异较大。

3.4 火焰变形率

火焰变形率α定义为某一时间水平方向的平均火焰半径与偏离水平方向平均火焰半径的比值,即

α=R0°/Rθ

(1)

式中:R0°为某一时间水平方向平均火焰半径;Rθ为某一时间与水平方向夹角为θ的平均火焰半径,θ取15°、30°、45°、60°和70°。

图9为4种电极在不同角度、不同电压下火焰变形率随时间的变化。从图中可以看出,4种电极下火焰在不同方向上的火焰变形率都在火焰发展初期最大,这可能是点火时点火电极对火焰抑制的缘故。加载-5 kV电压时,4种电极下同一时间对应的火焰变形率随着角度的增大而增大,环状电极下在15°、30°和45°方向上的火焰变形率基本维持在1附近,60°和70°方向上的火焰变形率随着时间的推移迅速下降,最后也维持在1附近,其他3种电极下的火焰变形率相差不大,且都明显大于环状电极下的火焰变形率。加载-10 kV电压时,点状电极和Φ20 mm网状电极在不同方向上的火焰变形率的变化趋势与加载-5 kV电压时大致相同,环状电极下在15°、30°和45°方向上的火焰变形率基本在1附近,在60°和70°方向上的火焰变形率虽然较大,但是随着时间的推移呈直线减小的趋势,Φ60 mm网状电极在同一时间对应的火焰变形率随着角度的增大而明显增大,特别是在45°、60°和70°方向上的火焰变形率均远远超过了其他电极。

图10为4种电极在不同电压下的火焰平均变形率随角度的变化。从图中可以看出,施加-5 kV、-10 kV电压时,环状电极在不同方向上的火焰平均变形率均最小,点状电极次之,Φ20 mm网状电极比点状电极稍大。施加-5 kV电压时,Φ60 mm网状电极在不同方向上的火焰平均变形率与点状电极差别不大,施加-10 kV电压时,在大于45°方向上的火焰平均变形率相比其他电极大得多。因此,Φ60 mm网状电极下火焰不等扩散不稳定性较强,火焰容易出现淬熄,而环状电极下火焰不等扩散不稳定性较弱,火焰淬熄的可能性较小。

(a)U=-5 kV时点状、环状电极

(b)U=-5 kV时网状电极

(c)U=-10 kV时点状、环状电极

(d)U=-10 kV时网状电极 图9 4种电极在不同方向、不同电压下的火焰变形率随时间的变化

图10 4种电极在不同电压下的火焰平均变形率随方向的变化

结合图4和图5可知:环状电极下电场线方向接近垂直于火焰面,即与火焰扩散的方向吻合较好,且电场强度随着火焰面与水平方向夹角的增大而增大,表明火焰在大角度方向上受到的促进作用明显,因此火焰在不同方向上的传播距离与水平方向上的传播距离的差异逐渐减小,变形率减小;其他3种电极下电场线方向与火焰扩散方向存在夹角,因此火焰中的离子会发生偏移,导致不均匀的离子风效应,从而引起火焰变形。为了研究电场分布对不同电极下火焰变形率的影响,定义离子相对偏移倾向为λ,其为不同方向上的平均电场强度在该方向的法线投影与水平方向平均电场强度的比值,即

(2)

表2为加载-10 kV电压时点状、Φ20 mm和Φ60 mm网状电极下火焰在不同方向上的离子相对偏移倾向。从表中可以看出,电极在任意角度上的离子相对偏移倾向从大到小排序为:Φ60 mm网状电极—Φ20 mm网状电极—点状电极,可见Φ60 mm网状电极下的离子偏移更明显,从而导致偏离水平方向上的离子浓度大幅降低,离子风作用减弱,使得偏离水平方向的火焰面发展减缓,变形率增大。从图5电场强度分布可知,Φ60 mm网状电极下电场对火焰水平方向的促进作用明显大于点状电极和Φ20 mm网状电极,该电极下火焰水平方向的发展较快,与其他方向的发展差异较大,由此火焰变形率增大。

表2 电压为-10 kV时的离子相对偏移倾向

4 结 论

(1)环状电极下电场线方向与火焰扩散方向吻合较好,且电场强度随着火焰面与水平方向夹角的增大而增大,有利于火焰的均匀发展。点状电极、Φ20 mm和Φ60 mm网状电极下的电场线方向与火焰扩散方向存在夹角,因此存在离子偏移倾向,特别是Φ60 mm网状电极下离子偏移倾向最大,不利于火焰的均匀发展。

(2)施加负电压时,4种电极在不同方向上的火焰均发生变形,在最初发展阶段火焰变形最明显,随着时间的推移变形减弱,环状电极下最明显。施加-10 kV电压时,Φ60 mm网状电极下的火焰拉伸显著,近似拉伸成长方体。

(3)施加负电压时,环状电极下火焰在不同方向上的平均变形率均小于其他电极,说明环状电极可以促进火焰的均匀发展,减小火焰淬熄的可能性。

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(编辑 苗凌)

Effects of Electric Field Distribution on Deformation Rates of Spherical Propagation Flame

CUI Yuchen1, DUAN Hao1, LI Chao1, SUN Tianqi1, 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)

The electric fields around point electrode, ring electrode, and mesh electrodes with diameters of 20 mm and 60 mm are simulated with Ansoft Maxwell software, and the electric field distributions in constant volume combustion bomb are obtained. An experiment is also conducted to investigate the different influences of the four electrodes under applied negative voltages(-5 kV and -10 kV) on the deformation rates in different directions (at angels of 0°, 15°, 30°, 45°, 60° and 70° to the plane) of premixed CH4/air mixtures at the excess air ratio of 1.2 room temperature and atmospheric pressure. The results show that the average flame deformation rates in different directions of the ring electrode get the minimum in the case of negative voltages, followed by point electrode and mesh electrode with diameter of 20 mm. As applied voltage of -5 kV, the average flame deformation rates in different directions of the mesh electrode with diameter of 60 mm slightly differ from those of point electrode. As applied voltage of -10 kV, the average flame deformation rates over 45° get larger than those of the other electrodes and the flame deforms greatly, the electric field distribution of the ring electrode thus is beneficial for whole flame development to reduce the probability of flame quenching

spherical propagation flame; electrode; electric field distribution; flame deformation rate

2014-09-19。

崔雨辰(1991—),女,硕士生;吴筱敏(通信作者),女,教授,博士生导师。

国家自然科学基金资助项目(51176150,51476126);清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资助项目(KF14122)。

时间:2015-02-27

10.7652/xjtuxb201505008

TK431

A

0253-987X(2015)05-0049-07

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150227.0845.008.html