崔雨辰，段浩，吳筱敏,2，相楠

（1 西安交通大學能源與動力工程學院，陜西 西安 710049；2 陜西理工學院陜西省工業(yè)自動化重點實驗室，陜西 漢中 723001；3 啟帆公司，北京 100076）

引 言

天然氣的主要成分是甲烷（CH4），其所占的體積含量在80%～90%甚至更高，是自然界作為氣體燃料存在的唯一化石燃料。天然氣憑借其儲量豐富、運行成本低、排放性能優(yōu)良、安全性高等優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛應用于鍋爐、汽車發(fā)動機等諸多工業(yè)領域，這也預示著在未來不久天然氣將超越石油成為世界第一大能源，但是扼制天然氣經(jīng)濟性能提升的一大瓶頸就是其在貧燃條件下存在著著火延遲、燃燒速率低和穩(wěn)定性差等缺點。為改善天然氣貧燃特性，許多學者提出了天然氣摻氫燃燒[1-3]、湍流燃燒[4]等解決方案。

電場輔助燃燒是一種新型燃燒技術，對其原理的解釋目前主要有如下兩種：第一，離子風效應，即化學電離產(chǎn)生的帶電離子（CHO+、H3O+、CH5O+、OH-、O-等）和電子在電場的作用下定向運動，在運動過程中與中性粒子發(fā)生碰撞并傳遞能量，從而產(chǎn)生近似電場方向的大規(guī)模的粒子定向遷移。第二，電場直接作用于化學反應動力學，即N2分子與電子碰撞后被激發(fā)到振蕩級[N2(υ=0)+e→N2(υ＞0)+e]，受激發(fā)振蕩的氮氣分子可將其振蕩能量傳遞給氧氣分子[N2(υ)+O2(υ'=0)→N2(υ-1)+O2(υ'=1)]，這種受振蕩激勵的氧氣分子可以增大火焰中分支反應的反應速率[H2+O2(υ'=1)→OH+O]。電場輔助燃燒被廣泛認為可以增加火焰穩(wěn)定性[5-8]、提高火焰速度[9-11]以及減少碳煙排放[12-13]。Kim 等[14]研究了交流電場頻率對丙烷空氣噴焰穩(wěn)定特征參數(shù)和吹熄速率的影響，發(fā)現(xiàn)交流電場可以擴展火焰穩(wěn)定區(qū)域。段浩等[15]研究了不同電極結構下電場對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀電極下火焰橫向傳播速度增大最明顯。方朝綱等[16]研究了重力場作用下丙醇、癸烷、柴油等液滴在垂直電場中的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)電場對火焰的拉伸有助于抑制碳煙的生成和促進碳煙的氧化。以上的研究很少涉及電場對天然氣火焰的影響，因此，本文通過大量的實驗，對比了相同電壓有效值下直流和交流電場對貧燃天然氣的影響，為天然氣更好地應用于工業(yè)領域提供新思路。

1 電場數(shù)值模擬

1.1 建立三維模型

在用Ansoft Maxwell 14.0 計算模擬電場前，在Pro/E 中對電極和定容燃燒彈建立準確的三維模型，并對模型進行一定程度的簡化，達到在盡量少的計算量下有足夠高的精度。

1.2 定義材料屬性

本次模擬過程中涉及到的材料有不銹鋼制成的網(wǎng)狀電極，鉑制成的點火電極，45 號鋼制成的定容燃燒彈，聚四氟乙烯制成的絕緣體，以及視為理想氣體的預混氣體，由于甲烷的相對介電常數(shù)為 1.0008，與空氣的十分接近，因此用空氣的相對介電常數(shù)來代替。材料屬性設置如表1 所示。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

1.3 設置激勵源和邊界條件

本次模擬設置的激勵源為電壓激勵源，所有邊界條件均為狄里克萊邊界條件（第一邊界條件）。高壓電極設置的電壓分別為-5 kV(直流)和±5 2 kV（交流電壓波峰波谷對應的電壓），點火電極的設置為0 kV，定容燃燒彈絕緣套外壁設置電壓為0 kV，定容燃燒彈以外的區(qū)域設置為完全絕緣。

1.4 網(wǎng)格劃分和求解設置

利用Ansoft Maxwell 自動劃分網(wǎng)格，通過限制網(wǎng)格的最大邊長、網(wǎng)格深度、最大表面偏差、最大表面法線偏差等來控制網(wǎng)格的大小和細密程度，達到最適合的網(wǎng)格劃分數(shù)量。網(wǎng)狀電極模型最初劃分網(wǎng)格總數(shù)為395578 個，經(jīng)過2 次迭代最終生成網(wǎng)格數(shù)為494578 個，計算誤差小于0.0042138%。在求解設置中，設置最大迭代次數(shù)為20 次，迭代誤差小于0.1%時迭代停止。

2 實驗裝置和方法

本文的實驗裝置主要由定容燃燒彈系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、點火控制系統(tǒng)、紋影攝像系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)和高壓電供給系統(tǒng)組成。實驗裝置如圖1 所示。

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic of experimental setup

定容燃燒彈是整體由碳鋼澆鑄而成的正方體，內腔為Φ130 mm×130 mm 的圓柱體，容彈內腔上布置有壁厚為8.5 mm 的絕緣套，容彈前后兩側裝有直徑為170 mm，厚度為30 mm 的高抗沖石英玻璃來為紋影系統(tǒng)提供光學通路。容彈上下表面中心豎直對稱地分布著一對點火電極，點火電極的材料為鉑，露出部分的直徑為0.5 mm，兩電極尖端的間距為2 mm。高壓電極為一對外徑為60 mm 的網(wǎng)狀電極（45 號鋼鏤空圓盤），其對稱安裝在定容燃燒彈兩側左右面的中心處，距點火電極水平距離為35 mm。高壓電極在容彈內的安裝位置以及結構尺寸如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)狀電極和定容燃燒彈結構Fig.2 Structure of mesh electrode and constant volume combustion chamber

實驗中高壓直流電源采用Wisman DEL30N45負高壓電源（輸出電壓范圍為0～-30 kV，最大輸出功率45 W），高頻交流電源為Wisman 公司生產(chǎn) 的WPS20P20型高壓交流電源（輸出電壓范圍為0～20 kV，功率范圍為1.5～45 W，輸入電壓變化為±10%）。高速攝像機為美國Redlake 公司生產(chǎn)的HG-100K，拍攝速度為5000 幀/秒。壓力采集系統(tǒng)由壓力傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀3 部分組成。壓力傳感器為Kistler4075A10 壓電式低壓絕對壓力傳感器。電荷放大器為Kistler4618A 型，用于放大壓力傳感器接收到的信號，與壓力傳感器匹配校準。數(shù)據(jù)采集儀為YOKOGAMA 公司研制的型號為DL750 的動態(tài)測試儀，采樣頻率高達10 MHz。

實驗在常溫、常壓下進行，根據(jù)計量比依次向容彈內配置過量空氣系數(shù)λ 分別為1.2、1.4 和1.6的甲烷/空氣混合氣，其中，天然氣中甲烷的純度為99.99%，靜置2 min 使其混合均勻以消除擾動，與此同時向高壓電極分別施加直流電壓（-5 kV）和交流電壓（有效值為5 kV，頻率為15 kHz）。點火同時觸發(fā)高速攝像機和壓力傳感器，得到壓力、火焰燃燒距離與時間的關系。每次燃燒結束后，用真空泵將容彈內的廢氣抽出，并用新鮮空氣多次沖洗燃燒彈，以消除殘留廢氣對下次實驗的影響。每個工況點至少重復3 次，取平均值，以便減小實驗誤差。

3 結果與分析

3.1 電場數(shù)值模擬結果

圖3 為利用Ansoft Maxwell 14.0 對網(wǎng)狀電極加載直流電壓和交流電壓（取電壓波峰和波谷進行分析）后形成的電場線分布和電場強度分布的數(shù)值模擬結果。由于電極和容彈的對稱性，對電場線分布和電場強度分布各取一半進行分析。從圖中可以看出，加載直流電壓時，電場線方向由點火電極近似水平地指向網(wǎng)狀電極，點火電極的尖端附近空間電場強度最大，隨著離容彈中心距離的增大，電場強度逐漸減小，水平方向上的電場強度為3.7×104～2.0×105V·m-1，交流電壓下的電壓波峰和波谷對應容彈空間電場分布幾乎完全相同，網(wǎng)狀電極間的電場線方向均近似水平，方向正好相反，水平方向上電場強度為1.0×105～3.0×105V·m-1。

3.2 火焰?zhèn)鞑D像

圖4 是過量空氣系數(shù)λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下的火焰?zhèn)鞑D像，從圖中可以看出，未加載電壓時，火焰基本呈球形傳播，而加載兩種電壓后，火焰均得到了不同程度的拉伸，當過量空氣系數(shù)一定時，交流電場下的火焰在水平方向的拉伸明顯比直流電場下的劇烈，且混合氣越稀，火焰拉伸越明顯，兩者的差異也越明顯。

圖3 加載直流電場和交流電場后的電場分布數(shù)值模擬結果Fig.3 Electric field distribution of DC and peak and trough of AC

圖4 λ=1.2、1.4 和1.6 時的火焰?zhèn)鞑D像Fig.4 Typical flame propagation images at λ=1.2, 1.4 and 1.6

電場主要通過熱效應、離子風效應和電化學效應來影響火焰的傳播[17]。熱效應是指當電場中存在較大電流時電能轉化成熱能帶入的能量。由于本實驗燃燒過程中火焰中的電流很小，因此無論是直流電場還是交流電場都可以忽略熱效應的影響。離子風效應是指加載電壓后，大量離子（CHO+、H3O+、CH5O+、OH-、O-等）和電子沿電場方向定向遷移形成離子風，離子風使得火焰前鋒面在水平方向上與未燃區(qū)的傳熱和傳質增強，從而促進了火焰在水平方向的發(fā)展[10]。直流電場對火焰的作用主要是因為離子風效應這一觀點已經(jīng)得到了國內外許多學者的認可[10,12,18-19]。高頻交流電場作用下的離子風效應與直流電場作用下的有所不同，因為交流電場極性的交替變化使得電場中的帶電粒子受到的電場力方向交替改變，從而帶電粒子不會大量定向遷移，因此火焰在反應區(qū)內不會形成定向體積流，但是，此時的離子風效應大大增強了容彈中各粒子的能量和動量交換，從而加速火焰?zhèn)鞑?，但由于實驗中交流電場的頻率較高，離子風效應并不起主導作用[17,20]。電化學效應是指火焰中大量離子與中性分子發(fā)生劇烈碰撞，產(chǎn)生大量活化基和離子并直接作用于化學反應動力學，從而通過改變燃燒過程中的某些化學反應來影響燃燒。直流電場作用下的電化學效應相對較小，因而可以忽略不計，而高頻交流電場對火焰的影響主要是電化學效應[14,17,20]，較高的頻率使得正負離子沒有大規(guī)模定向遷移，從而使得火焰前鋒面附近聚集了大量的正負離子，大量離子與中性分子發(fā)生劇烈碰撞，形成電化學效應。由于交流電場頻率較高，使得電化學效應對火焰的影響要明顯大于直流電場下離子風這一物理效應對火焰的影響，因此，相同電壓有效值下，15 kHz 交流電場作用下的火焰拉伸更劇烈。

3.3 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

3.3.1 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x 由圖3 電場數(shù)值模擬結果可知，兩種電壓的電場方向基本都在水平方向，而豎直方向上火焰受電場影響較小，因此，將火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xL 定義為火焰在水平方向上左右兩邊火焰前鋒面到容彈中心距離的平均值，即L=(L1+L2)/2，L1和L2的值由紋影照片確定，數(shù)據(jù)獲取方式如圖5 所示。本文選取的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的研究范圍為L=6～25 mm，因為當L＜6 mm 時，點火能量對火焰發(fā)展產(chǎn)生的波動影響較大；當L＞25 mm 時，容彈內溫度和壓力的變化對火焰?zhèn)鞑サ挠绊戄^大[21]。

圖5 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x示意圖Fig.5 Diagram of flame spread distance

圖6 λ=1.2、1.4 和1.6 時的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間的變化Fig.6 Flame spread distance versus combustion time at λ =1.2, 1.4 and 1.6

圖6 是λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間的變化。從圖中可以看出，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間近乎線性增加，且過量空氣系數(shù)一定時，L-t 曲線的斜率按照未加載電壓、加載直流電壓、加載交流電壓的順序依次遞增，特別是在過量空氣系數(shù)為1.6 時，這種規(guī)律尤為明顯。

表2 給出了兩種電壓加載方式在不同過量空氣系數(shù)下的火焰半徑發(fā)展到25 mm 所用的時間t25以及加載電壓后的t25比未加載電壓時縮短的比率Δt25。從表中可以看出，與未加載電壓相比，當過量空氣系數(shù)一定時，15 kHz 交流電場作用下的火焰?zhèn)鞑r間比直流電場作用下的短，且混合氣越稀，兩者差異越明顯，例如λ=1.6 時，加載交流電壓和直流電壓下的 t25分別比未加載電壓時縮短了49.60%和34.56%，這主要是因為混合氣越稀，火焰發(fā)展用時越長，電場對火焰的影響越大，因而此時電化學效應對火焰的促進作用要比離子風效應的促進作用更加明顯，因此兩者的差異越明顯。

表2 λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下的火焰半徑發(fā)展到25 mm 所用的時間及其比未加載電壓時的縮短比率Table 2 Corresponding times when flame radius increases to 25 mm and their shortening rates at λ =1.2, 1.4 and 1.6

3.3.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣?火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L定義為水平方向上的火焰前鋒面相對于靜止的容彈壁面的運動速度，即

式中，L 為火焰在水平方向上的傳播距離；t為時間。

圖7 是λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的變化。從圖中可以看出，過量空氣系數(shù)一定時，加載電壓后的火焰?zhèn)鞑ニ俣染任醇虞d電壓時的大，且15 kHz 交流電場作用下的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤偸潜戎绷麟妶鱿碌拇螅@主要是因為高頻交流電場下的電化學效應大大促進了火焰的發(fā)展，而直流電場下的離子風效應雖然在一定程度上促進了火焰的發(fā)展，但是其效果遠不及前者。

圖7 λ=1.2、1.4 和1.6 時火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰 傳播距離的變化Fig.7 Flame propagation speed versus flame spread distance at λ=1.2, 1.4 and 1.6

圖8 給出了不同電壓加載方式下，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入S過量空氣系數(shù)的變化，從圖中可以看出，加載電壓后的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣染休^大幅度提高，且隨著過量空氣系數(shù)的增大而逐漸減小，過量空氣系數(shù)一定時，15 kHz 交流電場作用下的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤偸谴笥谥绷麟妶鱿碌?，且混合氣越稀，兩者差異越明顯。由此得出，相同電壓有效值下，15 kHz 高頻交流電場對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇龠M作用大于直流電場。

圖8 平均火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c過量空氣系數(shù)的關系Fig.8 Average flame propagation speeds versus excess air ratio

表3 λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌湓龃舐蔜able 3 Average flame propagation speeds and their increasing rates at λ=1.2, 1.4 and 1.6

表3 是λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌湎啾扔谖醇与妷簳r增大的程度Δ。從表中可以看出，相同過量空氣系數(shù)下，總有，且Δ，并且混合氣越稀，兩者的差異越明顯，例如λ=1.6 時，加載15 kHz 高頻交流電壓和直流電壓下的分別比未加載電壓時增大了117.65%和62.75%。由表2 可知，混合氣越稀，火焰發(fā)展到相同半徑所用的時間越長，即火焰前鋒面在電場中停留的時間越長，此時火焰受電場作用的影響較大，由于兩種電壓加載方式形成的電場對火焰影響機理的不同，使得兩者的差異明顯。

3.4 燃燒壓力

圖9 λ=1.2、1.4 和1.6 時火焰壓力隨時間的變化Fig.9 Combustion pressure versus combustion time at λ=1.2, 1.4 and 1.6

圖9 為λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下火焰燃燒壓力隨時間的變化。從圖中可以看 出，相同過量空氣系數(shù)下，兩種電壓加載方式下的壓力峰值均比未加載電壓時高，峰值到達時間均有所提前，且加載15 kHz 交流電壓時效果更加明顯，這主要是電化學效應作用的結果。由此可以得出，兩種電壓加載方式對燃燒均有一定的促進作用，且15 kHz 交流電場的促進作用要明顯大于直流電場。

表4 是兩種電壓加載方式下的火焰壓力峰值和峰值到達時間。從表中可以看出，相同過量空氣系數(shù)下，兩種電壓加載方式相比于未加載電壓時的壓力峰值增幅均有交流＞直流，且峰值到達時間提前的程度也有交流＞直流。當混合氣越稀時，兩者的差異明顯，例如λ=1.6 時，交流電場和直流電場作用下的壓力峰值相比未加載電場時的增幅分別為14.20%和8.76%，提前時間分別為141.35 ms 和56.75 ms，說明15 kHz 交流電場對燃燒的促進作用比直流電場明顯。

表4 λ=1.2、1.4 和1.6 時兩種電壓加載方式下的火焰壓力峰值和峰值出現(xiàn)時間Table 4 Maxima of combustion pressure and their appearance times at λ=1.2, 1.4 and 1.6

4 結 論

（1）交流和直流電場作用下的火焰均在水平方向被拉伸，相同電壓有效值下，15 kHz 高頻交流電場對火焰的拉伸作用要強于直流電場，且混合氣越稀時，兩者差異越明顯。

（2）相同電壓有效值下，15 kHz 高頻交流電場對火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵龎毫Φ拇龠M作用要明顯大于直流電場。與未加載電壓相比，當過量空氣系數(shù)為1.6 時，交流電場下的火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?17.65%，直流電場下的提高62.75%；交流電場下的壓力峰值增幅為14.20%，直流電場下的為8.76%。

（3）電場對天然氣貧燃條件下的燃燒有一定的促進作用，因此，電場輔助燃燒技術可以為天然氣更好地應用于工業(yè)領域提供新思路。

[1]Ji C, Wang S.Combustion and emission performance of a hybrid hydrogen-gasoline engine at idle and lean condition [J].International Journal of Hydrogen Energy, 2010, 35(1): 346-355.

[2]Wang J, Huang Z, Tang C, et al.Effect of hydrogen addition on early flame growth of lean natural gas-air mixtures [J].International Journal of Hydrogen Energy, 2010, 35(13): 7246-7252.

[3]Wang X, Zhang H, Yao B, et al.Experimental study on factors affecting lean combustion limit of S.I engine fueled with compressed natural gas and hydrogen blends [J].Energy, 2012, 38(1): 58-65.

[4]Dai X, Ji C, Wang S, et al.Effect of syngas addition on performance of a spark-ignited gasoline engine at lean condition [J].International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(19): 14624-14631.

[5]Belhi M, Domingo P, Vervisch P.Direct numerical simulation of the effect of an electric field on flame stability [J].Combustion and Flame, 2010, 157(12): 2286-2297.

[6]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.

[7]Ganguly B N.Hydrocarbon combustion enhancement by applied electric field and plasma kinetics [J].Plasma Physics and Controlled Fusion, 2007, 49: 239-246.

[8]Ata A, Cowart J, Vranos A, et al.Effects of direct current electric field on the blowoff characteristics of bluff-body stabilized conical premixed flames [J].Combustion Science and Technology, 2005, 177(7): 1291-1304.

[9]Cha M S, Lee Y.Premixed combustion under electric field in a constant volume chamber [J].IEEE Transaction on Plasma Science, 2012, 40(12): 3131-3138.

[10]Meng X W, Wu X M, Kang C, et al.Effect 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.

[11]van den Boom J, Konnov A, Verhasselt A, et al.The effect of a DC electric field on the laminar burning velocity of premixed methane/air flames [J].Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(1): 1237-1244.

[12]Sakhrieh A, Lins G, Dinkelacker F, et al.The influence of pressure on the control of premixed turbulent flames using an electric field [J].Combustion and Flame, 2005, 143(3): 313-322.

[13]Wang Yu(王宇), Yao Qiang(姚強).Effect of electric fields on flames shape and smoke sedimentary features [J].Journal of Engineering Thermal Physics(工程熱物理學報), 2007, 28(8): 237-239.

[14]Kim M K, Ryu S K, Won S H, et al.Electric fields effect on liftoff and blowoff of nonpremixed laminar jet flames in a coflow [J].Combustion and Flame, 2010, 157(1): 17-24.

[15]Duan Hao(段浩), Fang Jianfeng(房建峰), Sun Tianqi(孫天旗), Liu Bing(劉兵), Liu Jie(劉杰), Gao Zhongquan(高忠權), Wu Xiaomin(吳筱敏).Effects of electric fields in different electrode structures on methane/air flames [J].Journal of Xi’an Jiaotong University(西安交通大學學報), 2014, 48(9): 62-67.

[16]Fang Chaogang(方朝綱), Song Qiang(宋薔), Zhong Lei(仲蕾), Xiong Gang(熊剛), Yao Qiang(姚強).Combustion behavior of three different fuel droplets in vertical electric field under gravity [J].Journal of Tsinghua University: Science and Technology (清華大學學報:自然科學版), 2014, 54(1): 97-101.

[17]Zhang Y, Wu Y, Yang H, et al.Effect of high-frequency alternating electric fields on the behavior and nitric oxide emission of laminar non-premixed flames [J].Fuel, 2013, 109: 350-355.

[18]Bowser R J, Weinberg F J.The effect of electric fields on normal burning velocity [J].Combustion and Flame, 1972, 18(2): 296-300.

[19]Hu J, Rivin B, Sher E.The effect of an electric field on the shape of co-flowing and candle-type flame methane-air flames [J].Experimental Thermal and Fluid Science, 2000, 21(1/2/3): 124-133.

[20]Kim M K, Chung S H, Kim H H.Effect of AC electric fields on the stabilization of premixed bunsen flames [J].Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33(1): 1137-1144.

[21]Kim M K, Chung S H, Kim H H.Effect of electric fields on the stabilization of premixed laminar Bunsen flames at low AC frequency: Bi-ionic wind effect [J].Combust Flame, 2012, 159(3): 1151-1159.