魏旭星

（中國飛行試驗研究院，陜西?西安?710089）

隨著石油資源短缺和大氣污染的日益嚴峻，尋找清潔可替代能源已經(jīng)成為國內(nèi)外發(fā)動機領域研究的熱點。天然氣憑借其儲量豐富、排放性能優(yōu)良、安全性高等特點顯示出極大的應用價值，特別是天然氣稀燃技術被認為是一種可以有效降低排放、增強發(fā)動機經(jīng)濟性能的方式[1]，但是稀燃條件下存在著火延遲、燃燒速度低以及循環(huán)變動等問題，這將降低發(fā)動機輸出功率并增加燃油消耗，從而限制天然氣發(fā)動機的大規(guī)模推廣[2]。

為了改善天然氣稀薄燃燒特性，很多學者提出了解決方案，主要有天然氣摻氫燃燒[3]、增強缸內(nèi)湍流[4]以及電場輔助燃燒[5-7]等，其中電場輔助燃燒具有操作方便、控制簡易等特點，受到國內(nèi)外的廣泛關注。Van den Boom等研究了直流電場作用下的甲烷/空氣平板火焰，根據(jù)熱流量法計算得出了電場作用下化學當量比時的層流燃燒速率比未加載電壓時增大了8%[5]；Johannes Kuhl等研究了電場對層流燃燒火焰結構和溫度的影響，發(fā)現(xiàn)電場會引起層流火焰的變形，并能提高火焰的最大溫度[6]；Katsikadakos等在常壓和加載高電壓下測量層流預混甲烷逆流火焰OH?化學熒光強度，結果顯示最大OH?化學熒光強度隨電壓呈線性增大，表明加載電壓可以增大燃燒放熱率[7]；崔雨辰等在定容燃燒彈上研究了常溫常壓下交流電場對甲烷/空氣預混火焰的影響，發(fā)現(xiàn)加載電場方向的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊玫矫黠@的增大[8]。

目前，國內(nèi)外學者已經(jīng)大量研究了電場對常壓下火焰的影響，但考慮到動力機械大多工作在高初始壓力下，因此有必要對較高壓力下的電場輔助燃燒進行研究。本文開展了常溫、初始壓力為4atm下直流正電場輔助燃燒的試驗，對電場輔助燃燒的機理探索具有積極意義。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗裝置

如圖1所示，本文用到的試驗裝置主要由定容燃燒彈、直流高壓電源、點火系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、高速紋影攝像系統(tǒng)以及壓力采集系統(tǒng)組成。

圖 1??試驗裝置圖

定容燃燒彈是燃燒過程進行的區(qū)域，它的內(nèi)部為直徑130 mm、長130 mm的圓柱形空腔，其中布置有聚四氟乙烯絕緣套、點火電極以及高壓網(wǎng)狀電極。定容燃燒彈兩側裝有石英玻璃窗，為火焰圖像拍攝提供必要的光學通路。在高速紋影攝像系統(tǒng)中，火焰?zhèn)鞑D像經(jīng)拋物面鏡反射進入高速攝像機，再由軟件采集輸入到計算機得到記錄。試驗中使用美國REDLAKE公司生產(chǎn)的HG-100K型號的攝像機，拍攝速度為5000幀/s。壓力采集系統(tǒng)由壓力傳感器、電荷放大器以及數(shù)據(jù)采集儀3部分組成。壓力傳感器為Kistler 7061B壓阻式絕對壓力傳感器，其測量范圍為0～25 MPa、精度為0.5%，并與Kistler 4618A型電荷放大器匹配校準。數(shù)據(jù)采集儀將采集到的壓力模擬信號轉化為可以處理的數(shù)字信號，其型號為YOKOGAMA公司研制的DL 750動態(tài)測試儀，采樣頻率最高可達10 MHz，本試驗根據(jù)采集需要所設置的采樣頻率為10 kHz。

1.2 試驗方法

試驗在常溫、4atm下進行，試驗前向容彈內(nèi)依次配置過量空氣系數(shù)1.2、1.4和1.6的甲烷/空氣混合氣，靜置2 min使其均勻混合，與此同時向高壓網(wǎng)狀電極施加相應電壓，點火同時觸發(fā)高速攝像機和壓力傳感器，從而得到火焰?zhèn)鞑D像和容彈內(nèi)壓力變化數(shù)據(jù)。在燃燒結束后，廢氣由真空泵抽出，并用新鮮空氣多次沖洗以避免殘余廢氣對下次燃燒的影響。每個試驗工況至少重復3次，并取平均值作為該工況的試驗值來降低誤差。

2 結果與分析

2.1 火焰?zhèn)鞑D像

圖2是不同過量空氣系數(shù)下未加載電壓與加載電壓時不同時刻的火焰?zhèn)鞑D像。其中，過量空氣系數(shù)定義為λ，電壓為u，火焰?zhèn)鞑r間為t。從圖2中可以看出，未加載電壓時，火焰近似呈球形發(fā)展，且火焰表面有因流體力學不穩(wěn)定性而產(chǎn)生的褶皺；加載電壓后，火焰形狀發(fā)生變化，水平方向上出現(xiàn)拉伸，豎直方向上出現(xiàn)不同程度的凸起，且火焰表面褶皺有明顯增多的趨勢。上述趨勢在過量空氣系數(shù)λ增大時，表現(xiàn)得更加明顯。

圖2 ??不同過量空氣系數(shù)下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

2.2 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

2.2.1 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x

由圖2可知，加載電壓后火焰形狀較未加載電壓時在水平和豎直方向上均會發(fā)生變化。為了全面地反映電場對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，采用“等效面積法”表示火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xr，即為與火焰外輪廓面積相等的圓的半徑，其計算公式為：

式中，Z1為火焰外輪廓像素，Z2為紋影圖像總像素，40 mm×40 mm為紋影圖像代表容彈中的實際面積。為了同時消除點火能量和容彈內(nèi)溫度、壓力變化對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的研究范圍選取為r=6～25 mm[9]。圖3是過量空氣系數(shù)λ分別為1.2、1.4和1.6時，加載電壓后火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間的變化關系。從圖3可以看出，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間近似呈線性變化；加載電壓后，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x發(fā)展到25 mm所用的時間縮短，且加載的電壓幅值越大，火焰?zhèn)鞑バ枰臅r間就越短。上述規(guī)律在過量空氣系數(shù)變大時更加明顯，說明直流正電場對高壓下的火焰?zhèn)鞑ゾ哂写龠M作用。

圖3 ??不同過量空氣系數(shù)下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間的變化

2.2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

定義火焰?zhèn)鞑ニ俣葀為火焰從6 mm發(fā)展到25 mm時與所對應時間的比值，即v=(r25mm-r6mm)/（t25mm-t6mm），其中t6mm和t25mm分別為火焰面發(fā)展到6 mm和25 mm時所對應的時間。表1顯示了不同過量空氣系數(shù)下火焰?zhèn)鞑ニ俣葀以及加載電壓后火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃舐师。從表1可以看出，與未加載電壓時相比，加載電壓后的火焰?zhèn)鞑ニ俣染兴岣撸译S著電壓幅值的增大，促進率有明顯的提升。例如，過量空氣系數(shù)為1.6時，未加載電壓下火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?81.1 mm/s，加載5 kV電壓火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?85.9 mm/s，此時電場對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇龠M率為27.5%；加載10 kV電壓火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?24.9 mm/s，此時電場對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇龠M率為64.1%。這一規(guī)律在過量空氣系數(shù)1.2、1.4時也同時顯現(xiàn)，說明加載電場對高初始壓力下的火焰?zhèn)鞑ニ俣扔忻黠@的提升。

表1 ??不同過量空氣系數(shù)下火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌湓龃舐?/p>

2.3 燃燒壓力

通過壓力采集系統(tǒng)可以獲得燃燒過程中的壓力曲線，圖4給出了過量空氣系數(shù)λ分別為1.2、1.4和1.6時，加載不同電壓下燃燒壓力隨時間的變化關系。從圖4可以看出，在相同過量空氣系數(shù)下，加載電壓后的壓力曲線均在未加載電壓時壓力曲線的上方，且壓力曲線較未加載電壓時在時間上出現(xiàn)提前的趨勢。這在電壓幅值增大時，表現(xiàn)得更加明顯。

圖4 ??燃燒壓力隨時間的變化

表2給出了不同過量空氣下壓力峰值pmax、壓力峰值到達時間tp以及加載電壓后壓力峰值變化率Δpmax、壓力峰值到達時間的變化率Δtp。從表2可以看出,加載電場后，燃燒壓力峰值均較未加載電壓時增大，壓力峰值到達時間均較未加載電壓時提前，且在電壓增大后提升效果更加明顯。例如,在λ=1.6時，加載10 kV電壓，峰值壓力較未加載電壓時提升了177.3 kPa，增大率為20.0%；壓力峰值到達時間較未加載電壓提前了185.2 ms，提前率為35.3%。這一趨勢在過量空氣系數(shù)為1.2和1.4時相同，說明直流電場對高初始壓力下的火焰燃燒壓力具有明顯的提升效果。

表2 ??峰值壓力、峰值壓力到達時間及相應變化率

2.4 質量燃燒率

通過采集到的壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)Elbe's方程[10]可計算燃燒過程中的質量燃燒率Mf（t），Mf（t）=[p（t）-pi]/（pmax-pi），式中p（t）為瞬時燃燒壓力，pi為可燃混合氣的初始壓力。定義從點火時刻到質量燃燒率為10%所經(jīng)歷的時間為初始燃燒期tid，質量燃燒率從10%到90%所經(jīng)歷的時間為主燃燒期tmd，加載電壓后較未加載電壓時相應的變化率分別為Δtid和Δtmd。

圖5為不同過量空氣系數(shù)下，加載電壓后質量燃燒率隨時間的變化關系。從圖5可以看出，加載電壓后質量燃燒率曲線均較未加載電壓時提前，且隨著加載電壓幅值的增大，提前的幅度也越大。

圖5 ??質量燃燒率隨時間的變化

表3給出了不同過量空氣系數(shù)下的初始燃燒期tid、主燃燒期tmd及相應的變化率Δtid、Δtmd。從表3可以看出，加載電壓后初始燃燒期、主燃燒期均較未加載電壓時縮短，且電壓幅值增大后提升效果更加明顯。例如，在λ=1.6時，加載10 kV電壓時，初始燃燒期較未加載電壓時提前了37.4 ms，提升幅度為27.7%；主燃燒期較未加載電壓時提前了76.2 ms，提升幅度為28.9%。這一趨勢在過量空氣系數(shù)為1.2和1.4時相同，說明直流電場對高初始壓力下的質量燃燒率具有較好的促進效果。

表3 ??初始燃燒期、主燃燒期及其相應的變化率

2.5 機理探討

為了直觀地展示電場空間分布以及電場強度等參數(shù)，用Maxwell 14.0對容彈內(nèi)的電場進行了模擬。圖6是加載10 kV電壓下電場強度E的幅值分布云圖及局部放大圖，從圖6可以看出，容彈區(qū)域所形成的空間電場為非均勻電場，在容彈左右兩側呈對稱分布，場強E的范圍在2.5×105～3.5×106V/m，最大場強集中在高壓電極外邊緣拐角和點火電極尖端附近。

圖6 ??容彈內(nèi)電場分布云圖

電場能夠影響碳氫火焰的傳播和燃燒特性，主要是通過作用于燃燒過程中的帶電粒子來完成[11-13]。加載電場時，由于電子具有很高的遷移率，高能電子會與氮氣分子碰撞激發(fā)N2到振蕩態(tài)。

這已經(jīng)被分光測定試驗所證實[6]。受到激發(fā)振蕩的氮氣分子可以將振蕩能傳遞給其他分子，尤其是O2分子。

振蕩激發(fā)態(tài)的O2，因獲得能量而使自身的活化能增大，故可以增大分支化學反應速率。在火焰形成初期，著火對于CH3和O2之間的反應非常敏感，由圖6電場分布云圖可知，點火電極附近的電場分布極不均勻，使得這一區(qū)域的氣體容易發(fā)生電離，受到活化的O2與甲基反應。

從而縮短點火延遲期，促進火焰的形成；在甲烷的高溫氧化反應中，當該反應一旦引發(fā)，便可大幅度地增加甲烷的氧化率[14]?；鶐旖⒁院?，甲基CH3主要與O原子發(fā)生反應。

分支化學反應速率的加快，提高了甲烷的全局化學反應速率，因此正電場作用下的火焰?zhèn)鞑ビ辛嗣黠@的促進。

從火焰?zhèn)鞑ゼy影圖像可知，高初始壓力下的火焰形態(tài)在施加電場后發(fā)生了變化。在試驗工況下，火焰形態(tài)主要由自身熱力學不穩(wěn)定性和流體力學不穩(wěn)定性共同決定。施加正電場時，火焰?zhèn)鞑シ较蛏狭Ｗ拥臒釘U散大于質量擴散，引起局部Lewis數(shù)大于1，從而火焰熱力學特性趨于穩(wěn)定；而對于流體力學不穩(wěn)定性，由于電場帶來新的擾動，使得火焰面本身的流體力學不穩(wěn)定性變大[15]。綜合火焰?zhèn)鞑ゼy影圖像發(fā)現(xiàn)，高初始壓力下火焰自身不穩(wěn)定性增強，火焰在施加電場后褶皺明顯增多，這增大了火焰前鋒面與未燃區(qū)的接觸面積，使得更多可燃混合氣參與燃燒，放出更多熱量，進而加速火焰燃燒速度。

因此，正直流電場對高初始壓力下的火焰?zhèn)鞑ズ腿紵匦跃哂辛己玫拇龠M效果。

3 結????論

（1）高初始壓力下，施加正直流電場會引起火焰變形，且在施加電場的方向上得到拉伸，豎直方向上出現(xiàn)不同程度的凸臺。

（2）試驗中施加正直流電場對高初始壓力下的火焰?zhèn)鞑ズ腿紵匦跃哂忻黠@的促進作用，且隨著施加電壓幅值的增大，促進效果變得更加明顯。

（3）電場對高初始壓力下的火焰形成和發(fā)展均產(chǎn)生積極作用，能有效縮短著火延遲期，并促進火焰?zhèn)鞑ミ^程的發(fā)展。