甲烷/空气预混湍流火焰的离子电流信号特征分析

张灏,高忠权,高煦尧,寇梦玄,杜增晖,洪流

(1.西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;2.液体火箭发动机技术重点实验室,710100,西安)

随着环境问题的日益严峻,清洁能源成为各国研究的重点,天然气作为一种重要的清洁燃料,主要成分为甲烷(CH4),具有安全性高、排放性能好、成本低的优点[1]。为了提高利用清洁燃料的精细度,燃烧检测技术成为检测燃料燃烧状况、控制燃烧工况的关键。实际应用中,甲烷多以湍流状态燃烧,国内外学者利用燃烧检测技术对甲烷的湍流燃烧特性进行了大量研究。

Sweeney等利用分层涡流燃烧器控制分层和涡流程度,来对甲烷/空气的预混湍流火焰结构进行研究[2-3]。Askari等通过向容弹内喷射甲烷和空气形成局部预混的湍流混合气,改变温度、压强、添加氢气或稀释气来研究火焰燃烧速率、压强等参数[4-5]。王金华等分别在本生灯和风扇扰动的定容燃烧弹内对甲烷/氢气与空气的湍流火焰进行了火焰结构、传播速度的测量,并探究了稀释气、Lewis数等变量或参数对火焰的影响[6-8]。

目前,多数实验研究是利用纹影[4-5,8]、激光[2-3,6-7]等光学检测技术对甲烷湍流火焰进行测定,这种检测手段多需要精密昂贵的设备,不利于实际应用,而离子电流法因具有结构简单、便于应用[9]、采集到的信号丰富且时效性强等优点被重视,近些年来得到了国内外广大学者的关注。

因离子电流法具有极高的实用性,所以多数学者将其应用在发动机气缸内燃烧的研究上[10-13]。但是,发动机实验在火焰直观的可视化方面太过局限,所以有部分学者将其与光学检测法结合,来对火焰进行研究。李理光等研究了电场对甲烷层流火焰离子电流的影响,并建立了数值模型[14-15]。吴筱敏等在定容燃烧弹上,结合纹影系统研究了电极大小和间隙等参数对甲烷层流火焰离子电流信号的影响[16-17]。Shy等通过设计一个十字型的定容燃烧装置,利用离子电流信号对不同当量比、不同湍流强度和不同稀释条件下的甲烷/空气预混湍流火焰的传播速度进行了测量[18-20]。

综上,可以发现目前利用离子电流法对甲烷预混湍流火焰检测的研究较少,更是缺少对甲烷预混湍流火焰离子电流信号的分析,尤其是结合火焰可视化图像进行分析。因此,本文采用离子电流法火焰检测技术,对定容燃烧弹内初始温度298 K,初始压强100 kPa,湍流装置转速系数kn为0(层流)和1 650(湍流),过量空气系数λ为1.0、1.1、1.2、1.4和1.6时的甲烷/空气预混湍流火焰的离子电流信号进行采集,重点分析了甲烷预混湍流火焰离子电流信号的成因,以及不同工况下燃烧压强信号和离子电流信号的峰值大小、峰值时刻和离子电流信号上升沿数量的变化规律,并进一步探究了离子电流与湍流火焰传播速度之间的关系。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

本文通过对贾伟东等所采用的定容燃烧弹实验台架[21]进行改进以实现湍流场的产生,其示意图如图1所示。实验装置由点火系统、纹影系统、进排气系统、数据采集系统和湍流定容燃烧弹5部分组成,其中湍流容弹和离子电流测量系统的结构简图如图2所示。

图1 离子电流测量湍流火焰实验台架系统简图 Fig.1 Diagram of turbulent flame experimental bench system for ion current measurement

图2 湍流容弹和离子电流测量系统Fig.2 Turbulent constant-volume combustor and ion current measurement system

湍流容弹弹体为铁制正方体装置,整体接地,内部为直径130 mm、长180 mm的水平圆柱式腔室,整个腔室除湍流发生装置安装孔处有部分裸露外,其余部分均覆有聚四氟乙烯。点火电极位于整个腔室中心上下两侧,沿径向对称布置,放电尖端相距2 mm,除放电尖端裸露之外,其余部分均作绝缘处理。湍流发生装置和点火电极位于同一横截面,是由电机、扇叶和安装套组成的旋转扰动式湍流发生装置,其轴线水平布置,且与腔室轴线垂直,并距离40 mm,扇叶旋转中心基本与腔室圆柱面重合。湍流的发生就由对称安装在容弹壁内部的4组装置产生,并通过调节器来控制电机转速,调节器所显示的数值定义为kn值。在开放空间利用热敏式风速测速仪测得湍流发生装置在kn=1 650时所产生的风速vwind基本稳定,且4个湍流装置产生的风速基本一致,如图3所示,所以认为能够产生可控的相对稳定的湍流场。

图3 kn=1 650时各湍流发生装置在开放空间测得的风速 Fig.3 The wind speed of various turbulence generating devices measured in open space when kn=1 650

离子电流测量系统由测量电路、测量电极和信号采集装置3部分组成,其中测量电极采用Φ0.8 mm的不锈钢丝制作,两个测量电极对称于容弹腔水平中心面布置,轴间距为3.8 mm,并和点火电极在同一横截面,断面距点火电极轴心5.5 mm,另一端与腔室圆柱面重合。通过高压模块将12 V直流电源升压至80 V并加载到测量电极两端,分压电阻为900 kΩ,滤波电容为82 nF。

1.2 实验方法

本文实验根据甲烷/空气的化学计量燃烧反应式,结合道尔顿分压定律,通过压力变送器将甲烷和空气按照过量空气系数为1.0、1.1、1.2、1.4和1.6充入容弹腔内并静置2 min,待其混合均匀之后启动湍流发生装置,调节电机转速控制器使kn分别为0和1 650,等待2 min,使湍流场平稳,通过点火系统点燃混合气,数据采集系统采集离子电流信号和燃烧压强信号,纹影系统采集容弹内混合气燃烧图像。实验中所用到的仪器仪表如表1所示。

表1 实验所用仪器仪表

2 结果与分析

2.1 甲烷预混层流火焰离子电流信号的特征和形成机理

基于离子电流法检测火焰的基本原理,在甲烷/空气的预混层流火焰(kn=0)中测得过量空气系数λ=1.0时的燃烧压强和离子电流信号,以及用高速摄像机记录的离子电流信号转折时对应的火焰燃烧状态,如图4所示。

(a)不同时刻的火焰燃烧状态

从图4可以看出,燃烧压强信号仅有一个上升沿,而离子电流信号包含3个上升阶段,这3个阶段分别对应火花点火阶段(t1～t2)、火焰前锋区离子电流(t3～t4)和焰后区离子电流(t5～t6)。

火花点火阶段(t1～t2)产生的离子电流信号主要是因点火时混合气被击穿放电产生的感应电势所引起的。测量电极与点火电极分离能够有效避免点火时离子电流信号的产生[22],本实验为更全面地测得火焰发展过程的离子电流信号,测量电极尖端距点火电极放电尖端较近,故造成在点火时产生了一个较小的离子电流信号,如图4中放大部分所示。

火焰前锋离子电流(t3～t4)产生的离子电流是火焰前锋面接触测量电极产生的。甲烷燃烧时,火焰前锋面内发生着复杂而剧烈的化学反应,其全局反应可以描述为

CH4+2(O2+3.76N2)⟹CO2+2H2O+7.52N2

(1)

反应过程会发生化学电离,产生大量带电的离子基团,其中主要的化学电离过程为

(2)

CHO+基团随后与H2O产生迅速的质子转移反应

(3)

k1、k2均为反应速率常数,其中k1=5×10-14cm3/s,k2=7×10-9cm3/s,k2在数量级上远大于k1,所以式(3)的反应速率远大于式(2),H3O+的浓度远大于CHO+的浓度,故一般认为,H3O+的数量在正离子中居首位。之后,H3O+会与电子发生中和反应

(4)

所以火焰前锋面中所生成的CHO+、H3O+、e-等带电基团在偏置电压所生成的电场中受电场力的作用产生移动,进而形成电流信号,电流的大小可表示为

(5)

式中:If为火焰前锋面的离子电流;Nion为单位体积的电荷密度;Vrz为测量电极间反应区域的体积;E为电场强度;ve为迁移率;r为测量电极的间距。

焰后区离子电流(t5～t6)的形成主要是火焰前锋面接触容弹壁未绝缘部分形成的燃烧后期的火焰前锋面离子电流信号,叠加上焰后高温区热电离形成的离子电流信号[23]。此时的火焰前锋面产生的离子电流信号同t3～t4阶段产生机理一样,高温区热电离目前普遍认为主要是NO发生热电离产生NO+和e-,这些经热电离产生的带电离子基团在电场力的作用下产生迁移,形成电流[24]。至于普遍认为焰后区的大部分自由电子是由NO产生的,主要是因为其热离子化所需的热能最低,离子化率又较高,如表2所示。

电流信号中有两段下降沿,其中t2～t3是因为点火阶段产生的离子电流消失所致;t4～t5的下降沿是因火焰前锋面已经不与测量电极接触,但尚未与容弹壁的未绝缘部分接触,且焰后区热电离尚未开始或电离程度不高,所以离子电流信号产生下降。

2.2 甲烷预混湍流火焰的离子电流信号特征

本实验采取湍流生成装置在kn=1 650时所形成的湍流,此时湍流生成装置在开放环境下测得风速vwind为21.22 m/s左右,测得λ=1.0时的燃烧压强信号和离子电流信号,以及用高速摄像机记录的离子电流信号转折时刻对应的湍流火焰燃烧状态,如图5所示。

表2 已燃高温区主要成分的热电离能和离子化率[25]

(a)不同时刻的火焰燃烧状态

(b)燃烧压强信号和离子电流信号图5 λ=1.0、kn=1 650时甲烷/空气预混湍流火焰的燃烧压强信号和离子电流信号Fig.5 The combustion pressure signal and the ion current signal of methane/air premixed turbulence flame when λ=1.0 and kn=1 650

从图中可以看出,和层流火焰采集到的信号相比,燃烧压强信号依旧只有一个上升沿,而离子电流信号有4段上升期,其中:t1～t2对应点火阶段的离子电流信号;t3～t4对应火焰前锋面与测量电极接触产生的离子电流信号;t5～t6阶段的上升沿是由火焰前锋面触壁后在湍流作用下折返与测量电极接触产生的离子电流、火焰前锋面与容弹壁未绝缘部分接触产生的离子电流以及焰后区热电离产生的离子电流的叠加信号;t7～t8对应火焰完全燃烧后高温区NO热电离产生的离子电流信号。

离子电流信号在t1～t7之间存在3段下降沿,分别为t2～t3、t4～t5和t6～t7。其中:t2～t3是因为点火阶段产生的离子电流消失所致;t4～t5为火焰前锋面与测量电极分离之后又尚未触壁折返,且未接触容弹壁导电部分,焰后区热电离程度过低或未产生热电离而产生的离子电流信号下降;t6～t7是因火焰燃烧完毕之后,其折返火焰前锋面与离子电流测量电极接触产生的离子电流和火焰前锋面接触容弹壁导电部分产生的离子电流信号消失,且消失速率大于焰后区NO热电离产生离子电流信号的速率而产生的下降。

2.3 不同过量空气系数下湍流火焰与层流火焰的燃烧压强与离子电流信号

在层流(kn=0)和湍流(kn=1 650)的状态下,分别测得过量空气系数λ为1.0、1.2、1.4和1.6时的燃烧压强和离子电流信号,其对比图如图6所示。

(a)λ=1.0

(b)λ=1.2

(c)λ=1.4

(d)λ=1.6图6 不同λ下甲烷/空气预混层流和湍流火焰的燃烧压强信号和离子电流信号对比Fig.6 ContrastFigure of methane/air premixed laminar flame’s combustion pressure signal and ion current signal and methane/air premixed turbulence flame’s when λ=1.0,1.2,1.4 and 1.6 respectively

图6以点火时刻为基准,即点火时刻为0 ms开始记录燃烧压强信号和离子电流信号;离子电流信号忽略点火感应电势造成的离子电流信号,即从0 μA开始记录因火焰造成的正向离子电流信号。

从峰值角度分析,在相同λ下,湍流的燃烧压强和离子电流信号均比层流的大,而随着λ增大,不管是湍流火焰还是层流火焰的各信号峰值均随之减小。

从时间角度分析,在相同λ下,湍流火焰各信号到达对应峰值的时刻均比层流火焰提前,当λ不同时,在同一传播阶段,层、湍流火焰的各测量信号到达此阶段峰值的时间均随着λ的增大而变长。

从上升沿数量分析,在相同λ和不同λ下,层流和湍流的燃烧压强曲线均为单峰曲线,仅一个上升沿。离子电流曲线的上升沿数量在相同λ下,湍流的上升沿数量总是大于或等于层流的数量,而在不同λ下,层流和湍流离子电流信号的上升沿数量均随λ增大而减少,在λ=1.2时,层流和湍流离子电流信号的焰后区部分均消失,但湍流还保留火焰触壁后上升的离子电流信号,在λ=1.4,1.6时,此部分信号也消失,只剩火焰未触壁前的离子电流信号。

不论从峰值大小、到达峰值时刻,还是离子电流信号的上升沿数量分析,均说明在相同λ下,一定程度的湍流对火焰的燃烧具有促进作用。结合图4和图5中的火焰图像可以发现,相比层流火焰,湍流加强了火焰的不稳定性,使火焰面出现大量的破裂和褶皱,形成规格小但数量多的火焰胞面,这些胞面扩大了火焰前锋面与未燃区混合气的接触面积,从而提高了燃烧速度。

2.4 湍流火焰燃烧速度和离子电流的关系

火焰传播速度是燃料燃烧时的重要参数,其可以定义为未燃区混合气沿火焰面法线方向单位时间内向火焰面移动的距离。层流火焰的局部火焰面可以看作一个平面,其法线方向固定,所以可以用单位时间内局部火焰前锋面的传播距离定义其速度;湍流火焰因火焰面的形状随时都在变化,很难确定一个固定的法线方向,所以湍流火焰的传播速度以单位时间内火焰投影面积的变化来定义,如下式所示

(6)

式中:vcom为湍流火焰燃烧速度;St、St+Δt为t、t+Δt时刻的湍流火焰面积,火焰面积选用以两点火电极中点为圆心、半径为57 mm的圆形范围内的火焰图像提取的面积,以避免扇叶对火焰图像处理的影响;Δt为高速摄像机的采样间隔0.2 ms。

火焰图像的处理基于matlab R2020a的Image Processing Toolbox,采用形态法滤波进行边缘提取。将提取的火焰边缘(黑色边线)与火焰原图进行叠加,如图7所示,可以发现提取的边缘与实际边缘重合。

图7 湍流火焰提取边缘与实际边缘对比Fig.7 Contrast of turbulent flame’s extracted edge and its actual edge

为测得kn=1 650时湍流火焰离子电流和燃烧速度之间的关系,选取λ为1.0、1.1、1.2时,火焰开始接触测量电极时刻至火焰任意径向半径达到57 mm时刻之间的离子电流及对应的燃烧速度进行分析,结果如图8所示。

(a)λ=1.0

(b)λ=1.1

(c)λ=1.2 图8 不同λ下湍流火焰的离子电流和燃烧速度 之间的关系 Fig.8 The relationship between turbulent flame’s ion current and its combustion velocity when kn=1 650,λ=1.0,1.1 and 1.2 respectively

拟合曲线的相关系数平方R2在λ=1.0时为0.977 6,λ=1.1时为0.938 3,λ=1.2时为0.831 9,3种工况下的R2均大于0.75,说明在这3种工况下湍流火焰的离子电流和燃烧速度成正线性相关。

3 结 论

本实验通过对在kn=1 650下的甲烷/空气预混湍流火焰燃烧全过程的火焰图像、燃烧压强信号和离子电流信号进行分析,得出以下结论。

(1)当λ=1时,与层流相比,湍流预混火焰传播过程的离子电流信号存在更多上升沿,会出现一段火焰前锋面与焰后区共同作用的离子电流信号。

(2)通过对λ分别为1.0、1.2、1.4和1.6时的层流和湍流火焰的燃烧压强信号和离子电流信号进行对比,发现随着λ减小,层、湍流预混火焰的燃烧压强和离子电流信号变化趋势一样:各传播阶段峰值变大,峰值时刻提前且离子电流信号上升沿数量增加;在相同λ下,湍流对火焰的传播有促进作用,结合火焰图像可以得出湍流增大了火焰前锋面与未燃混合气的接触面积,从而加速燃烧,使压强和离子电流信号的峰值大于层流,峰值时刻早于层流,离子电流上升沿数量大于或等于层流。

(3)通过对kn=1 650,λ为1.0、1.1和1.2时的甲烷预混湍流火焰的离子电流和燃烧速度进行相关性分析,发现离子电流和燃烧速度之间存在正线性相关,R2分别为0.977 6、0.938 3和0.831 9。