康嬋，楊星，劉杰，孟祥文，房建峰，吳筱敏

（西安交通大學能源與動力工程學院，710049，西安）

20世紀90年代初，國內(nèi)外的學者開始對電場與火焰的關系進行廣泛的研究，通過對本生燈、平板火焰、燭形火焰等在穩(wěn)定工況下的火焰分析，發(fā)現(xiàn)電場在提高火焰速度［1-3］、增加火焰穩(wěn)定性［4-6］、減少碳煙排放［7-8］等方面具有顯著的效果。定容裝置中的火焰作為一種基本的火焰類型，是一種燃燒機理較為復雜的瞬態(tài)火焰，因而在近年來才受到關注。Min等研究了定容燃燒彈中利用電場使得球形外擴火焰表面破裂，來縮短火焰初始時間，但對燃燒持續(xù)時間影響不大［9］；Shinichi等研究發(fā)現(xiàn)，在平板電極的非均勻電場下，當輸入電壓達到一定值時，定容裝置中火焰前鋒面出現(xiàn)了湍流，火焰底部的燃燒明顯增強［10］；Meng等通過實驗和數(shù)值模擬得出，平板網(wǎng)狀電極下直流電場對甲烷-空氣預混層流火焰的燃燒特性提升具有顯著的作用［11］。上述研究僅針對平板電極電場對當量比附近的混合氣火焰的影響，未涉及極限稀燃條件下不同電極的電場對火焰的影響。

本文在定容燃燒彈內(nèi)，以點電極和網(wǎng)狀電極加載直流負電壓的方式，對過量空氣系數(shù)φa=1.6的甲烷-空氣稀燃火焰?zhèn)鞑ズ腿紵匦赃M行了定量分析，對比了在相同能耗下2種電極對火焰的作用，為電場對擴散的非穩(wěn)定火焰的作用研究提供了數(shù)據(jù)，也為稀燃的性能指標研究提供了新的思路和方法。

1 實驗裝置和方法

圖1為實驗裝置，由定容燃燒彈系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和高壓電供給系統(tǒng)組成。定容燃燒彈整體由碳鋼澆鑄而成，其內(nèi)腔為Φ130mm×130mm的圓柱體，容彈內(nèi)有聚四氟乙烯加工而成的厚度為8.5mm的絕緣套，容彈兩側(cè)裝有厚度為30mm的石英玻璃。

圖1 實驗裝置圖

容彈中心上下端對稱地分布著一對外裹聚四氟乙烯的針狀電極，在火花點火后充當?shù)仉姌O。圖2為容彈和電極結(jié)構(gòu)。針狀電極直徑為2mm，兩電極的間距為2mm。測量系統(tǒng)由壓力采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)組成。壓力傳感器為Kistler 4075A10壓電式低壓絕對壓力傳感器，采集頻率為20kHz，誤差小于±0.3%。數(shù)據(jù)采集儀為日本Yokogama公司的DL750型動態(tài)測試儀，采樣頻率為10kHz。攝像機為美國Redlake公司的HG-100K型高速攝像機，拍攝速度為5 000幀／s。

實驗中負電場采用Wisman DEL30N45負高壓電源（輸出電壓范圍為0～-30kV，最大輸出功率45W）提供，高壓電極是一對網(wǎng)狀電極和一對點電極。兩高壓電極對稱地布置在容彈中心的水平位置，間距為70mm。網(wǎng)狀電極為Φ20mm的45號鋼圓盤，點電極為Φ4mm的45號鋼實心柱體。

圖2 容彈和電極結(jié)構(gòu)

實驗在常溫、常壓下進行，依次向燃燒彈中充入φa=1.6的甲烷和空氣，靜置90s以消除擾動，與此同時加載電壓。點火的同時觸發(fā)測量系統(tǒng)，得到壓力、火焰燃燒距離與時間的關系。每次實驗結(jié)束后的廢氣由真空泵抽出，并用空氣多次沖洗燃燒彈，以消除殘留廢氣對下次燃燒的影響。每個工況點至少重復3次，從而減小實驗誤差。

2 結(jié)果及分析

2.1 火焰?zhèn)鞑D像分析

圖3為φa=1.6時點電極和網(wǎng)狀電極下加載不同電壓所對應的火焰?zhèn)鞑D像。從圖中看出，2種電極下加載電壓后的火焰均出現(xiàn)了形變，變形的程度與加載電壓正相關。網(wǎng)狀電極時，火焰在橫向拉伸的同時縱向稍有壓縮；點電極時，火焰橫向、縱向均明顯拉伸。

圖3 φa=1.6時點電極和網(wǎng)狀電極下加載不同電壓所對應的火焰?zhèn)鞑D像

加載電壓使得火焰變形的原因是，加載電壓后電極（高壓電極）與針狀尖電極（地電極）形成了方向為由地電極指向高壓電極的電場，在此電場的作用下，大量粒子沿電場方向定向遷移，該現(xiàn)象稱為離子風效應［11］。離子風會使得火焰前鋒面在橫向與未燃區(qū)的傳質(zhì)和傳熱增強，從而促進了火焰的橫向發(fā)展。離子風效應與高壓電極加載的電壓幅值正相關，因此火焰橫向拉伸的程度隨著加載電壓幅值的增加而增大。

網(wǎng)狀電極和點電極對火焰縱向發(fā)展影響的差異可能來自于電暈放電效應［12］。電暈放電是指，高壓電極表面曲率半徑過大，在加載高壓時局部電場強度大于氣體的電離強度，使得氣體發(fā)生電離和激勵。以加載電壓-12kV為例，網(wǎng)狀電極的表面曲率半徑較小，其最高場強大致為0.518MV／m，而點電極附近的最高場強達到1.560MV／m［13］。本實驗中網(wǎng)狀電極的最高場強不足以使氣體電離，不會產(chǎn)生電暈放電，因此加載電壓后離子風效應使得燃燒產(chǎn)生的離子被牽引到橫向的火焰前鋒面，縱向火焰前鋒面的離子濃度降低且反應速度變慢，所以縱向火焰發(fā)展受到抑制。加載高壓（-10、-12kV）時，在點電極產(chǎn)生的電場中除了離子風效應外，還存在電暈放電效應，該放電產(chǎn)生的正離子主要分布在點電極附近的負高壓電場內(nèi)，產(chǎn)生的電子將高速跑出包圍點電極的負高壓電場且速度大幅下降，并被中性粒子吸附而形成負離子。在電場的作用下，負離子加速向火焰前鋒面運動，局部火焰前鋒面與未燃區(qū)的傳質(zhì)和傳熱得以增強，離子風效應加劇，火焰前鋒面在接近電極時發(fā)生強烈的皺褶和扭曲，形成湍流，使得更多未燃混合氣被卷吸到火焰區(qū)，從而促進了火焰的全局發(fā)展，所以火焰縱向拉伸。

2.2 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

火焰的發(fā)展在橫向和縱向存在差異，為了研究加載電壓對橫向和縱向火焰的影響，本文將火焰橫向和縱向的傳播距離Rh和Rv分別定義為火焰前鋒面橫向和縱向最遠處到容彈中心的距離，即Rh=（L1+L2）／2，Rv=（H1+H2）／2，如圖4所示。

圖4 2種電極下火焰橫向和縱向的傳播距離示意

火焰前鋒面相對于靜止的容彈壁面的運動速度定義為火焰?zhèn)鞑ニ俣?，對于火焰橫向和縱向的傳播速度分別記為Sh和Sv，則

為了消除點火和燃燒壓力對火焰的影響，本文研究了Rh=5～25mm內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕?4］。圖5為φa=1.6，且在2種電極加載電壓U 分別為0、-5、-10、-12kV時火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時間的關系。從圖中可以看出：2種電極加載電壓后，同時刻的Rh均比不加載電壓時大，即U可以促進火焰的橫向傳播，同時刻的Rh隨著加載電壓幅值｜U｜的增加而增大；網(wǎng)狀電極加載-5kV后，同時刻的Rv與未加載電壓時基本無差別，加載-10、-12kV電壓后，同時刻的Rv比未加載電壓時??；點電極加載電壓后，同時刻的Rv均比未加載電壓時有所增加，且在一定范圍內(nèi)隨著｜U｜的增加也有增加的趨勢。

圖6為2種電極下加載不同電壓時火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xR的關系。從圖中可以看出：在2種電極下，未加載電壓時Sh和Sv差別不大，加載電壓后Sh有所增加且與｜U｜正相關；網(wǎng)狀電極下，Sv隨著｜U｜的增加而減??；點電極下，Sv在一定范圍內(nèi)隨著｜U｜的增加而增大。

圖5 2種電極加載不同電壓時火焰的傳播距離與時間的關系（φa=1.6）

定義火焰橫向平均傳播速度ˉSh為在Rh=5～25mm下火焰的傳播距離與火焰在該距離內(nèi)傳播所用時間t1之比；定義火焰縱向平均傳播速度ˉSv為時間t1內(nèi)火焰縱向前鋒面?zhèn)鞑サ木嚯x與t1之比。圖7為2種電極下ˉSh、ˉSv與｜U｜的關系。從圖中可以看出：在2種電極下，加載電壓后火焰的ˉSh均有較大幅度的增加，且隨｜U｜的增大而增加；網(wǎng)狀電極下，加載-5kV電壓時ˉSv幾乎不變（見如表1），而當加載-10、-12kV電壓時，由于離子風使得火焰前鋒面的離子沿水平方向運動，縱向火焰面的離子數(shù)減少，所以U對ˉSv有明顯的抑制作用；點電極下，在離子風和電暈放電的作用下，U對ˉSv有促進作用，特別是加載-12kV電壓時，火焰縱向傳播速度增幅ΔSv小于加載-5、-10kV電壓時的情況，這是由于加載-12kV電壓時，離子風效應強烈導致縱向火焰前鋒面的離子濃度減小的緣故。由表1可以看出：加載-12kV電壓時，網(wǎng)狀電極下ΔSh為58.3%，ΔSv為-22.8%；點狀電極下，ΔSh、ΔSv分別為55.5%和4.67%。由此得出，加載高電壓時，點電極對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇龠M作用大于網(wǎng)狀電極。

圖6 2種電極加載不同電壓時火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰?zhèn)鞑グ霃降年P系

圖7 火焰橫向、縱向傳播的平均速度與加載電壓的關系

表1 2種電極下平均速度及變化

2.3 燃燒壓力

圖8 加載電壓時火焰壓力與時間的關系

圖8為2種電極下U 分別為0、-5、-10、-12kV時火焰壓力與時間的關系。 從圖中可以看出：2種電極在加載電壓后的壓力峰值均比未加載電壓時高，峰值到達的時間縮短，說明2種電極下U對燃燒具有促進作用。另外，網(wǎng)狀電極下，雖然加載電壓后壓力峰值均大于未加載電壓，但當｜U｜大于5kV時，壓力峰值隨著｜U｜的增加而降低。其原因是，網(wǎng)狀電極下加載高電壓，火焰初期的橫向傳播速度明顯提高，使得火焰更早地與網(wǎng)狀電極接觸而導致傳熱損失增大，所以壓力峰值比加載-5kV電壓時小。點電極下，壓力峰值隨著｜U｜的增大而增大，峰值到達的時間縮短，這是離子風效應和電暈放電效應共同作用的結(jié)果。其原因是，點電極下離子風效應使得Sh明顯增大，但是點電極的表面積很小，火焰橫向發(fā)展加快所增加的傳熱損失比較小，點電極下加載高電壓會產(chǎn)生電暈放電，使得火焰發(fā)生褶皺和湍流，這進一步促進了火焰的全局發(fā)展。

表2是2種電極下U 分別為0、-5、-10、-12kV時火焰壓力峰值和峰值到達時間與加載電壓的關系。表中顯示：當加載-5kV電壓時，2種電極下壓力峰值增加幅度相當，但點電極下峰值到達時間更早；當加載-10、-12kV電壓時，網(wǎng)狀電極的壓力峰值增幅分別為2.4%、1.3%，峰值提前到達的時間分別為21.0、10.6ms，而點電極下壓力峰值增幅分別為9.8%、11.2%，峰值提前到達的時間分別為49.6、59.7ms。由表中結(jié)果得出，點電極下加載高電壓對火焰燃燒有促進作用。

3 結(jié) 論

（1）2種電極下，火焰橫向傳播速度隨著加載電壓幅值的增大而增加。加載-5、-10、-12kV電壓時，網(wǎng)狀電極下火焰橫向傳播速度分別提高了28.3%、34.6%、58.3%，點電極下分別提高了25.1%、44.0%、55.5%。

（2）加載-5、-10、-12kV 電壓時，網(wǎng)狀電極下ΔSv分別為0.62%、-20.9%、-22.8%，點電極下 ΔSv分別為9.32%、17.20%、4.67%。

表2 火焰壓力峰值和峰值出現(xiàn)時間與加載電壓的關系

（3）2種電極下加載電壓后的壓力峰值均有所增大。當加載-5、-10、-12kV電壓時，網(wǎng)狀電極下壓力峰值增幅分別為5.6%、2.4%、1.3%，點電極下壓力峰值增幅分別為6.4%、9.8%、11.2%。

（4）加載電壓后，2種電極對火焰燃燒都有明顯的促進作用，加載高電壓（-10、-12kV）時，點電極的促進作用較網(wǎng)狀電極更明顯。

［1］ JAGGERS H C，ENGEL A V.The effect of electric fields on the burning velocity of various flames ［J］.Combustion and Flame，1971，16（3）：275-285.

［2］ WON S H，CHA M S，PARK C S，et al.Effect of electric fields on reattachment and propagation speed of tribrachial flames in laminar coflow jets［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2007，31（1）：963-970.

［3］ WON S H，RYU S K，KIM M K，et al.Effect of electric fields on the propagation speed of tribrachial flames in coflow jets ［J］.Combustion and Flame，2008，152（4）：496-506.

［4］ ALTENDORFNER F，KUHL J，ZIGAN L，et al.Study of the influence of electric fields on flames using planar LIF and PIV techniques［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2011，33（2）：3195-3201.

［5］ CALCOTE H F，PEASE R N.Electrical properties of flames-burner flames in longitudinal electric fields［J］.Industrial and Engineering Chemistry，1951，43（12）：2726-2731.

［6］ MEMDOUH B，PASCAL D，PIERRE V.Direct numerical simulation of the effect of an electric field on flame stability［J］.Combustion and Flame，2010，157（12）：2286-2297.

［7］ MASAHIRO S，MASAYUKI S，SAWADA K.Variation of flame shape and soot emission by applying electric field ［J］.Journal of Electrostatics，1997，39（4）：305-311.

［8］ XIE L，KISHI T，KONO M.Investigation on the effect of electric fields on soot formation and flame structure of diffusion flames ［J］.International Symposium on Combustion，1992，24（1）：1059-1066.

［9］ MIN S C，LEE Y.Premixed combustion under electric field in a constant volume chamber［J］.IEEE Trans on Plasma Sci，2012，40（12）：3131-3138.

［10］ MORIYA S，YOSHiDA K，SHOJI H，et al.The effect of uniform and non-uniform electric fields on flame propagation［J］.Journal of Thermal Science and Technology，2008，3（2）：254-265.

［11］MENG Xiangwen，WU Xiaomin，KANG Chan，et al.Effects of direct-current（DC）electric fields on flame propagation and combustion characteristics of premixed CH4／O2／N2flames［J］.Energy Fuels，2012，26（11）：6612-6620.

［12］GOLDMAN M，GOLDMAN A，SIGMOND R S.The corona discharge，it’s properties and specific uses［J］.Pure &Appl Chem，1985，57（9）：1353-1362.

［13］徐學基，諸定昌.氣體放電物理 ［M］.上海：復旦大學出版社，1996：243-261.

［14］蔣德明.內(nèi)燃機燃燒與排放學 ［M］.西安：西安交通大學出版社，2001：165-167，186-187.