电场极性对甲烷 空气混合气燃烧特性的影响∗

房建峰,吴筱敏,赵海军

(1.洛阳理工学院机械工程学院,洛阳 471023； 2.西安交通大学能源与动力工程学院,西安 710049)

前言

1 试验装置与方法

试验装置如图1所示,该装置包括定容燃烧弹、高速摄像与纹影光路系统、供气系统、点火系统、数据采集系统和高压电场系统。定容燃烧弹是内径130mm、长度为130mm的圆柱型壳体,内腔装有壁厚5mm、长130mm的聚四氟乙烯套以隔断定容弹中高压电场与外界的联系。定容弹前后两边装有厚15mm的石英玻璃,为高速摄像及纹影光路系统提供光学通路。高速摄像机由美国REDLAKE公司生产,型号为 HG-100K,其拍摄速度为10 000帧/s。数据采集系统中的压力传感器安装在燃烧弹上,用于记录燃烧过程中混合气压力的变化。外围包有聚四氟乙烯的点火电极垂直对称安装在定容燃烧弹的中心处,用于点燃混合气。在定容弹中产生高压电场的电极为一对直径为4mm的钢针,对称安装在定容弹中心的水平方向,相互之间距离为70mm。与高压电极联接的电源为威思曼DEL系列直流高压电源,正、负电源的输出电压分别可在0～30kV和0～-30kV之间调整。装有高压电极的燃烧室结构示意图如图2所示。

试验时由供气装置向定容弹中充入过量空气系数λ＝1.6的甲烷-空气混合气,加载高压分别为0,±5,±10和±12kV。试验在常温常压下进行,用高速摄影仪拍照记录火焰发展变化,用数据采集仪记录压力变化。每组试验至少重复3次,以便尽可能使试验结果保持稳定。

2 结果与分析

2.1 电场数值模拟结果

在试验中利用ANSYS13.0软件对加载电压后定容弹内部形成的空间电场进行数值模拟。由于拍摄的火焰图片主要反映定容弹中心处火焰的发展传播状况,因此图3只显示了加载电压为±12kV时,电场在定容弹中心处的分布状况。

图2 定容弹结构示意图

图3 加载电压为12和-12kV时的电场分布

由图3可见,加载电压大小相同而极性相反时,产生的电场强度大小相同,且空间分布完全一致,但电场的方向完全相反。水平方向的电场强度在数值上明显要大于竖直方向的数值。输入负电压时,电场方向近似从定容弹竖直中心线和定容弹四周指向高压电极；输入正电压时,电场方向与此相反。电场在水平方向距中心大约28mm的区域内比较均匀,其平均电场强度大约为1.45×105V/m。在距离高压电极前端大约7mm的范围内,电场强度变化较为剧烈,其数值从2.6×105迅速增长到3×106V/m。由于电场强度与加载电压成正比,所以加载电压为±5和±10kV时,定容弹中电场的分布与电压为±12kV时的电场类似,只是强度大小成比例降低。

2.2 不同极性的电场对火焰传播的作用

图4为正、负电场作用下的火焰传播相片。燃烧火焰的发展时间和所加电压依次列在相关图像的旁边。从图中可以看出:加载电压为0,即没有电场作用时,火焰呈圆球形由定容弹中心向外发展,各方向的火焰传播状况基本一致；当加载电压为5kV时,不论电场的极性如何,火焰水平方向的传播稍微有所加快,而火焰竖直方向的传播状况变化不大,圆球形火焰的发展形状有所变化；当加载电压为±10或±12kV时,水平方向的火焰前锋明显被拉长,几乎均等地向左右两边传播,而竖直方向火焰传播变化不很明显,此时整个火焰发展近似成圆柱形。可见,无论加载正电场还是负电场,电场方向上的火焰发展均被明显加快,其效果随外加电场的增强而愈发显著。

图4 在不同电场下的火焰传播图片

2.3 不同极性的电场对火焰传播速度的作用

为尽量准确反映不同极性的电场对火焰传播的作用,本文中测取了水平方向火焰半径的发展状况,其方法如图5所示。测取图中6个方向的火焰传播半径,然后取其平均值作为电场作用下水平方向的火焰传播半径ru。为了消除点火和燃烧压力对测量结果的影响,火焰半径的测量范围控制在5～25mm之间[10]。根据测量的火焰传播半径,火焰拉伸速度Sn＝d ru/d t,其中t为燃烧火焰的传播时间。

图6示出不同极性电场作用下火焰半径的发展状况。在外加电场的作用下,火焰传播半径的发展均随时间近似成线性增加。不论外加电场的极性如何,火焰半径的增加都随所加电压的升高而增强。同时,在所加电压数值相同时,负电场对火焰半径发展的促进作用要强于正电场。比如,在外加电压大小为12kV时,当火焰半径发展到25mm时,正、负电场作用下所耗费时间分别为28.1和23.8ms,相对于没有电场作用下的情况,火焰传播时间分别缩短了24.7%和36.2%。

图6 火焰传播距离与时间的关系

图7示出了火焰拉伸速度与火焰传播半径之间的关系。随着外加电场的增强,火焰的拉伸速度随之增大。且随着火焰的发展,火焰速度的增加程度加大。同时,负电场作用下火焰速度的增加要大于正电场的作用效果。在外加电压为12kV时,负电场作用下的最大火焰速度是0.98m/s,而正电场作用下的火焰速度是0.85m/s,相对于没有电场作用下的情况分别增加了62.3%和41.7%。

图7 火焰拉伸速度与传播距离的关系

不同极性电场对火焰发展促进作用的差异可用正、负电场产生的离子风效应来说明。从图3可知,负电场作用下,水平方向的电场强度较大,且火焰传播与电场方向大致一致。由此火焰前锋中的阳离子,如H3O+,沿电场方向加速运动,与混合气中的中性离子碰撞,从而形成较强的离子风效应,增强了火焰前锋与混合气之间的热量交换和质量交换,促进了电场方向的火焰传播。加载电压越高,产生的离子风效应越强,则火焰发展的增加程度越大。外加正电场时,水平方向的火焰传播与电场方向相反。如果只考虑火焰中的阳离子,则水平方向火焰的发展应该被抑制。但事实上水平方向的火焰发展仍然加快。这说明在分析电场对火焰传播产生的离子风效应时,不能只考虑阳离子的作用状况。火焰中质量较大的阴离子虽然已经研究了很长时间,但人们对它们的认识程度依然较少。有学者认为质量较大的阴离子如存在于低温区域中,而在高温情况下会很快分解退变成中性分子和自由电子。

因此人们认为火焰中的阴离子主要是自由电子,其浓度和火焰中的阳离子基本相当。自由电子活动能力较强,很容易与混合气中的中性粒子,尤其是O2分子,碰撞而产生黏着作用并形成新的阴离子不仅质量较大,且能在高温环境下生存[11-12]。在正电场作用下,电场方向大致与火焰传播方向相反。自由电子和负离子会逆着电力线方向从已燃区向温度较低的未燃区移动。由此自由电子很容易与混合气中的中性分子结合形成一定量的阴离子,特别是较多的。此时外加正电场可产生由阴离子,特别是,主导的离子风效应。从火焰图形和火焰传播速度的变化可知,正电场作用下的火焰传播确实比没有电场作用时的状况更快,且这效果随正电场的增强而愈加明显。与火焰中的阳离子相比,离子不仅生成较晚,其浓度也相对较低。有学者测得火焰中主要阳离子的运动迁移率大约为2.9×10-4m2·(V·s)-1,而离子的运动迁移率则为2.25×10-4m2·(V·s)-1,即电场作用下阳离子的活动能力要强于阴离子[13]。

从火焰中阴、阳离子的生成状况、浓度大小和迁移速度的变化可知,在电场强度相同的情况下,负电场作用下由阳离子主导的离子风效应要强于正电场作用下由阴离子主导的离子风效应。因此负电场作用下,火焰传播速度的增加程度相对较大。

图8 正、负电场作用下的燃烧压力曲线

表1 不同极性电场作用下的燃烧压力峰值、峰值时间和变化率

2.4 不同极性的电场对混合气燃烧压力发展的影响

正、负电场作用下的燃烧压力变化曲线如图8所示。没有外加电场时,燃烧压力的升高比较缓慢。在施加电压后,不论电场的极性如何,燃烧初期压力升高率均明显加快,压力峰值随之增大,出现的时刻提前。施加电压越大,电场对燃烧压力的促进作用越明显。表1显示了不同极性电场作用下的燃烧压力峰值、峰值时刻和变化率。可以看出,负电场作用下,燃烧压力峰值的增量超过正电场,其压力峰值出现的时刻提前较大。在施加电压的绝对值同为12kV时,负电场作用下的压力峰值增加了12.3%,峰值时刻提前了31.8%,而正电场作用下的压力峰值只增加了8.5%,峰值时刻仅提前了21.1%。说明负电场对燃烧压力的促进作用明显超过正电场。

电场产生的离子风效应促进了火焰形状的变化,增加了火焰表面积,同时提高了火焰传播速度。这效果会随着施加电压的升高而增强。由此使单位时间内燃烧的燃料增多,这个趋势随着燃烧过程的进行会愈演愈烈。因此燃烧压力迅速提高,燃烧峰值压力出现时刻提前。施加电压越高,燃烧压力升高愈快。峰值压力的大小主要由燃烧强度和燃烧混合气对周围散热决定[14]。电场作用下火焰传播速度的加快,减少了混合气燃烧过程对外界的散热,使燃烧压力的峰值提高。同时,从火焰传播形状和火焰拉伸速度的变化可以看出,燃烧火焰在电场作用下的发展过程明显受到了额外的拉伸效应,包括流体动力学拉伸和火焰拉伸。这两种拉伸的具体定义和对混合气燃烧的作用效果可参见文献[15-16]。对于λ＝1.6的甲烷-空气混合气,其路易斯数小于1,即混合气的热扩散小于质量扩散。拉伸作用使火焰前锋区域化学能的获得高于热损失,由此提高了火焰的燃烧温度和燃烧强度,导致混合气燃烧压力的峰值进一步升高。相比于正电场,负电场对λ＝1.6混合气燃烧过程的促进作用更强,燃烧压力的峰值增加程度较大。

3 结论

(1)在外加电场作用下,火焰传播速度和混合气燃烧压力的升高加快,对于不同极性的电场,负电场对燃烧的促进作用明显强于正电场。对于λ＝1.6的混合气,在施加12kV电压时,正、负电场作用下火焰传播速率的最大值分别增加了41.7%和62.3%,压力峰值增大了8.5%和12.3%,压力峰值时刻提前了21.1%和31.8%。

(2)在正、负电场作用下,燃烧火焰中分别产生主要由阴离子O2-和阳离子H3

+O主导的离子风效应。与火焰中的H3+O相比,O2

-产生较晚,浓度较小,且运动能力较低。因此使正电场产生的阴离子风效应明显小于负电场产生的阳离子风效应。

(3)负电场的离子风效应较强,对火焰传播速度的促进作用较大,减少了火焰传播过程中的对外散热。同时增强了火焰传播过程受到的拉伸效应,使混合气的燃烧性能有较明显的提高。