孟浩, 楊猛, 何子奇, 魏旭星, 吳筱敏

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 710049, 西安)

天然氣相對于汽油燃燒速度慢、燃燒穩(wěn)定性較差的問題限制了天然氣發(fā)動機(jī)更廣泛的應(yīng)用,電場助燃技術(shù)因可以增強(qiáng)天然氣火焰穩(wěn)定性[1-2]、提高火焰?zhèn)鞑ニ俣萚3-4]、有效降低污染物排放[5-6]而得到廣泛關(guān)注,國內(nèi)外學(xué)者對其作用機(jī)理也進(jìn)行了深入的研究。在球形火焰中由于化學(xué)離子化的作用在鋒面反應(yīng)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量正離子與電子[7],故國內(nèi)外部分學(xué)者認(rèn)為電場主要通過作用于正離子形成的正離子風(fēng)效應(yīng)以及作用于電子形成的電化學(xué)效應(yīng)影響燃燒[1-4]。試驗(yàn)研究表明,正直流電場對火焰也有明顯促進(jìn)作用,由于正電場下正離子風(fēng)方向與火焰?zhèn)鞑シ较蛳喾礋o法促進(jìn)火焰?zhèn)鞑?因此一般認(rèn)為正直流電場主要通過電化學(xué)效應(yīng)促進(jìn)燃燒[8]。然而,Kim等在對低頻交流電場影響本生燈火焰的研究中發(fā)現(xiàn)了雙離子風(fēng)效應(yīng)(正離子風(fēng)與負(fù)離子風(fēng)的耦合效應(yīng))的存在[2],說明正直流電場下還會產(chǎn)生負(fù)離子風(fēng)效應(yīng),但目前的研究并不能確定哪種效應(yīng)在正直流電場影響火焰過程中占據(jù)主導(dǎo)。

研究表明,負(fù)直流電場主要通過正離子風(fēng)效應(yīng)促進(jìn)火焰?zhèn)鞑4,9],高頻交流電場主要通過電化學(xué)效應(yīng)加速燃燒[10-11],因此將正直流電場與另外兩種電場的助燃效果進(jìn)行對比研究將有助于確定正電場助燃的主導(dǎo)效應(yīng)。本文選取了過量空氣系數(shù)λ為1.2、1.4、1.6的預(yù)混稀燃?xì)?在303.975 kPa初始壓力下,分別施加幅值為5 kV的正/負(fù)直流電壓以及有效值為5 kV、頻率為15 kHz的高頻交流電壓,通過對比直流正電場與另外兩種電場下球形傳播火焰的傳播特性的異同,最終確定正電場輔助燃燒的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

該定容燃燒裝置由定容燃燒彈、配氣機(jī)構(gòu)、點(diǎn)火電路、高速紋影攝像系統(tǒng)、燃燒壓力采集系統(tǒng)、高壓電源及其電路系統(tǒng)組成,如圖1所示。定容燃燒彈的結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)所用的定容燃燒彈內(nèi)徑為140 mm、長為180 mm,容彈內(nèi)裝有聚四氟乙烯材質(zhì)的絕緣套,絕緣套內(nèi)徑為130 mm、外徑為140 mm、長為180 mm。兩個(gè)點(diǎn)火電極在容彈內(nèi)豎直對稱安裝,間距為2 mm、直徑為2 mm,材質(zhì)為45號鋼。點(diǎn)火電極既能通過火花放電形成火核,也充當(dāng)外加交流電場的一極。一對網(wǎng)電極由45號鋼鍛造而成,形狀為外徑為60 mm的圓盤,網(wǎng)格大小為8.5mm×8.5 mm,水平對稱地安裝在距點(diǎn)火電極35 mm處,將其與高壓電源連接,與點(diǎn)火電極構(gòu)成點(diǎn)-網(wǎng)電場分布結(jié)構(gòu)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 定容燃燒彈與電極

實(shí)驗(yàn)用高壓電源為威思曼高壓電源(咸陽)公司生產(chǎn)的高穩(wěn)定精密DEL系列高壓電源,高頻交流高壓電源型號為WPS20P20,輸出0～20 kV電壓連續(xù)可調(diào)。負(fù)直流高壓電源型號為DEL30N45,輸出0～-30 kV電壓連續(xù)可調(diào)。正直流高壓電源型號為DEL15P15,輸出0～15 kV電壓連續(xù)可調(diào)。實(shí)驗(yàn)中采用了美國Redlake公司生產(chǎn)的HG-100K型高速攝像機(jī),每幀圖像的拍攝間隔為0.2 ms。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電場數(shù)值模擬結(jié)果

本文利用ANSOFT Maxwell 14.0工程電磁場有限元分析軟件對不同電場下的空間靜電場進(jìn)行數(shù)值仿真,得到了其對應(yīng)的電場強(qiáng)度分布。

圖5 3種電場下火焰?zhèn)鞑D片

2.1.1 電場強(qiáng)度幅值和矢量空間分布 圖3為加載不同電壓后容彈中心截面電場強(qiáng)度和電場線分布的數(shù)值模擬結(jié)果。從圖中可以看出,加載電壓后,電極間的電場線方向近似水平,直流正電場與負(fù)電場、高頻交流電場的波峰與波谷時(shí)刻下容彈內(nèi)的電場線方向正好相反。加載正/負(fù)直流電壓時(shí)容彈內(nèi)電場強(qiáng)度分布幾乎完全相同,電極間電場強(qiáng)度變化不大。同樣,在加載的高頻交流電壓波峰和波谷時(shí)刻容彈內(nèi)也有相同的電場強(qiáng)度分布。

(a)直流正電壓 (b)直流負(fù)電壓

(c)高頻交流電壓波峰 (d)高頻交流電壓波谷圖3 不同加載電壓下的電場數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 不同電壓下容彈內(nèi)沿中心水平軸線的電場強(qiáng)度分布

2.1.2 高壓電極中心水平軸線上電場強(qiáng)度分布 圖4為加載不同電壓后電場強(qiáng)度沿中心水平軸線的分布,其中正/負(fù)直流電壓、高頻交流電壓波峰/波谷時(shí)刻下場強(qiáng)分布相同。由圖可見,無論加載何種高壓電場,隨著離容彈中心處距離d的增加,電場強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,但是場強(qiáng)值變化幅度較小。

2.2 火焰?zhèn)鞑D像

圖5給出了3種不同電壓下火焰?zhèn)鞑サ膶Ρ葓D片。由圖可見:當(dāng)λ為1.2時(shí),3種電場下的火焰水平前鋒面拉伸均較小且相近;當(dāng)λ為1.4時(shí),直流正/負(fù)電場的拉伸作用開始強(qiáng)于高頻交流電場;當(dāng)λ為1.6時(shí),火焰鋒面在高頻交流電場下的變化依然較小,而在直流正/負(fù)電場下則出現(xiàn)了明顯的形變。因此,在火焰?zhèn)鞑D片的對比上,正直流電場與負(fù)直流電場保持了較好的一致性。

2.3 水平方向火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

SL=dL/dt

(1)

(2)

(3)

式中:t為火焰?zhèn)鞑r(shí)間;S0為未加載電場時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?L25=25 mm;L6=6 mm。

圖6 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x示意圖

圖7給出了加載不同電壓時(shí)水平傳播速度隨距離變化的曲線。由圖可見,當(dāng)λ不變時(shí),高頻交流電場下SL隨L先減小后增大,并與圖4交流電場下E-d曲線變化相似。這是由于電化學(xué)效應(yīng)下SL正相關(guān)于E,且電化學(xué)效應(yīng)影響燃燒存在遲滯性,使SL-L曲線滯后E-d曲線1～2 mm。負(fù)直流電場下SL隨L有增大的趨勢,這是正離子風(fēng)不斷積累發(fā)展的結(jié)果。對比直流正電場下SL-L曲線,可明顯看出其與加載直流負(fù)電場時(shí)有幾乎相同的變化規(guī)律。

(a)λ=1.2

(b)λ=1.4

(c)λ=1.6圖7 不同電場下火焰水平傳播速度隨傳播距離的變化

圖8 加載不同電壓后平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓孰S過量空氣系數(shù)的變化

3 直流正電場助燃機(jī)理分析

由于火焰中存在大量正離子,目前為止一直假設(shè)對離子風(fēng)效應(yīng)負(fù)責(zé)的帶電粒子是正離子,但是由于電子與中性粒子吸附反應(yīng)的存在,稀燃火焰中負(fù)離子與正離子濃度比相當(dāng)可觀,加載正直流電場后,由于電場使電子能量升高,促進(jìn)了電子與電負(fù)性物質(zhì)的吸附反應(yīng)。同時(shí),大量電子遷移到焰前預(yù)熱區(qū)參與生成負(fù)離子,預(yù)熱區(qū)的低溫環(huán)境延長了負(fù)離子的存在時(shí)間,使火焰中的負(fù)離子濃度進(jìn)一步提高。

圖9給出了預(yù)混層流甲烷火焰中總的正、負(fù)離子濃度分布曲線[15]。由圖可見,即使稀燃火焰中負(fù)離子與正離子濃度比較濃燃火焰有了明顯升高,火焰中負(fù)離子濃度仍小于正離子,因此正電場對火焰?zhèn)鞑サ拇龠M(jìn)作用弱于負(fù)電場,但圖7中當(dāng)λ為1.6時(shí),正直流電場的促進(jìn)效果超過了負(fù)直流電場,這是因?yàn)樨?fù)離子風(fēng)的形成機(jī)理與正離子風(fēng)有較大差別。

(a)稀混合氣

(b)濃混合氣圖9 甲烷/氧氣火焰中總的正、負(fù)離子濃度分布曲線[15]

根據(jù)火焰中帶電粒子分布理論[15-17],圖10a模擬了正直流電場下球形火焰中負(fù)離子的分布以及負(fù)離子風(fēng)發(fā)展?fàn)顩r。如圖所示,負(fù)離子主要在火焰鋒前預(yù)熱區(qū)內(nèi)通過電子與中性粒子的吸附反應(yīng)生成,加載正直流電場后負(fù)離子沿水平方向遷移形成負(fù)離子風(fēng),且由于越靠近豎直中心負(fù)離子受電場作用時(shí)間越長、負(fù)離子風(fēng)發(fā)展程度越高,電場的促進(jìn)作用也越明顯。圖10b給出了現(xiàn)有研究中正離子風(fēng)發(fā)展模擬圖[18],加載負(fù)直流電場后火焰中正離子沿火焰鋒面遷移,當(dāng)正離子風(fēng)發(fā)展到一定程度會形成渦流[18],渦流的出現(xiàn)阻礙了火焰水平鋒面中心的傳播速度。當(dāng)λ為1.6時(shí),由于火焰?zhèn)鞑r(shí)間長,正負(fù)離子風(fēng)都有了較高程度的發(fā)展,正是正離子風(fēng)產(chǎn)生的渦流使正直流電場對火焰?zhèn)鞑サ拇龠M(jìn)作用超過負(fù)直流電場。

正直流電場下負(fù)離子風(fēng)的形成機(jī)理表明了其應(yīng)用場景,燃料越稀,火焰中負(fù)離子濃度占比越高,負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)越強(qiáng),正直流電場較另外兩種電場的促進(jìn)效果越明顯。因此,對λ≥1.6的稀薄混合氣,應(yīng)優(yōu)先選擇正直流電場來輔助燃燒。

(a)加載正直流電場

(b)加載負(fù)直流電場圖10 直流電場下的火焰鋒面反應(yīng)區(qū)離子分布以及離子風(fēng)發(fā)展

4 結(jié) 論

(2)負(fù)離子風(fēng)效應(yīng)與正離子風(fēng)效應(yīng)在形成機(jī)理與作用效果上都存在區(qū)別。火焰中正離子主要通過化學(xué)離子化作用生成,負(fù)離子主要通過電子與中性分子的吸附反應(yīng)生成,這使得正離子風(fēng)發(fā)展到一定程度后會在火焰鋒面內(nèi)形成渦流阻礙其促進(jìn)效果,而負(fù)離子風(fēng)則隨著發(fā)展程度的提高逐步增強(qiáng)其促進(jìn)效果。

(3)燃料越稀,正直流電場較另外兩種電場的助燃效果越明顯。對λ≥1.6的稀薄混合氣,應(yīng)加載正直流電場輔助燃燒。