低频交流电场对甲烷/空气预混火焰影响的机理研究

何子奇,高忠权,贾伟东,孟浩,杨猛,邓宇

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

随着能源短缺和环境污染问题的日益突出,能源行业面临严峻的挑战,应对这一问题,目前主要有两种解决方案:一种是新能源领域的研究;另一种是提高现有能源的利用效率,开发更清洁高效的燃烧技术。电场辅助燃烧技术可以提高火焰传播速率和燃烧效率[1],降低碳烟和氮氧化物的排放[2-3],利用该技术可有效提高燃料利用率。近年来,电场辅助燃烧理论受到国内外学者的广泛关注,在平板火焰、对冲火焰、本生灯火焰、射流火焰、球形火焰上加载正/负直流(DC)电场、低频及高频交流(AC)电场、脉冲直流电场等方面做了诸多研究。Kim等对本生灯火焰加载不同频率低频交流电场,研究发现,低频交流电场下火焰中的正负离子在电场力作用下交替迁移,与中性分子发生碰撞进而引起宏观体积流,此现象称为双离子风效应[4]。

天然气作为目前常用的一种清洁燃料,在汽车发动机、锅炉等多处广泛使用,因此研究低频交流电场对甲烷/空气预混火焰的助燃机理很有必要。为定量分析电场下火焰中带电粒子与中性分子间的作用,需计算参与碰撞的各种粒子的数密度以及正负离子与中性分子间的碰撞频率和碰撞响应时间等参数,进而获得电场下粒子间的碰撞作用与火焰拉伸现象之间的联系。本文分析了高初始压力下加载不同低频(40～100 Hz)交流电场对甲烷/空气预混稀燃火焰的燃烧特性,并将Prager/Peterersen离子反应机理[5-6]与CHEMKINPRO软件相结合,对实验工况下燃烧过程的离子产物及其浓度分布进行了模拟,通过实验及模拟结果的分析,进一步明确了低频交流电场对预混球形火焰的助燃机理。

1 实验装置和方法

图1 实验装置图

实验装置主要包括定容燃烧弹、点火系统、进排气系统、低频交流电供给系统、高速摄像及纹影系统、压力采集系统等,如图1所示。其中定容燃烧弹容弹外部形状为正方体,材料为45号钢,容弹内腔为中空圆柱体,直径为140 mm,长度为180 mm。为防止外加高电压时高压电极与容弹内腔壁面之间放电影响燃烧室的电场分布,在容弹的内腔壁面上覆盖厚度为5.0 mm的聚四氟乙烯绝缘套。容弹的上下对置安装针状点火电极,外表面包裹聚四氟乙烯,两点火电极之间距离为2 mm。容弹左右两侧对置安装一对高压电极,中间为网格状镂空,用于施加外部高电压。厚度为60 mm、直径为190 mm的高抗冲石英玻璃安装在容弹的前后两面,提供纹影成像的光学通路。容弹结构及内部电极位置如图2所示。实验中低频交流电供给系统、高速摄像系统和压力采集系统所涉及的仪器型号及参数如表1所示。

图2 定容燃烧弹结构及电极位置

实验仪器型号参数高压电源XIELIHV20 kV/10～1 000 Hz输出电压～20 kV频率10～1 000 Hz高速摄像机Redlake HG-100 K5 000帧/s压力传感器Kistler7061B压电式测量范围0～25 MPa电荷放大器Kistler5011型±10～±999 000 pC数据采集仪日本横河DL750采样频率10 kHz

在常温、初始压力为0.3 MPa下,向容弹内充入过量空气系数λ=1.4的甲烷/空气混合气,静置消除气体扰动后向左右两侧网状电极分别施加电压有效值U=5 kV,频率f=40,60,80,100 Hz的低频交流电并点火。每个工况点至少重复3次,取最接近平均值的工况数据,从而减小实验误差。

2 结果与分析

2.1 火焰传播图像

初始压力为0.3 MPa、过量空气系数为1.4时,在有效值为5 kV的不同频率低频交流电场下的火焰传播纹影图像如图3所示。由图3可知:未加载电场时,火焰呈近似球形向外传播,水平和竖直方向变化程度基本一致;加载低频交流电场后,火焰在水平方向有明显的拉伸,竖直方向火焰拉伸幅度较小,这主要是因为网状电极布置于水平方向;随着交流频率减小,火焰的拉伸变形程度逐渐增大,火焰锋面褶皱也略有增加,当交流频率为40 Hz时,火焰拉伸变形程度最大。

图3 火焰传播纹影图像

2.2 火焰传播距离和传播速度

2.2.1 火焰传播距离 由于加载低频交流电场的网状电极水平对置于容弹内,因而火焰在水平方向拉伸明显。本文定义火焰传播距离L为水平方向两侧火焰前锋面到容弹中心距离La、Lb之和的平均值,即L=(La+Lb)/2。纹影图通过Matlab程序处理提取火焰前锋面,La、Lb分别为图像中心到火焰两侧前锋面的距离,火焰传播距离如图4所示。本文研究的火焰传播距离范围为6～25 mm,主要是避免了点火能量和容弹内温度和压力变化对火焰造成的影响[7]。

图4 火焰传播距离示意图

不同低频交流电压作用下水平方向火焰传播距离随时间的变化如图5所示。由图5可知:随着时间的增加,加载和未加载电压时火焰传播距离均呈近似线性增长,且在相同时间间隔下,加载低频交流电场下的火焰传播距离均比未加载电场时的大;当交流电场频率f减小时,L随t的变化率逐渐增大,当f=40 Hz时,L随t的变化率最大,即火焰传播速度最大。

图5 不同频率交流电场下火焰传播距离随时间的变化

2.2.2 平均火焰传播速度 火焰传播速度SL为火焰前锋面相对于静止的容弹内腔的运动速度,即SL=dL/dt。

式中:L6-25、t6-25分别为火焰从6 mm传播到25 mm的距离和对应的时间。

表2 加载不同频率交流电压下的和

2.3 燃烧特性参数

初始压力为0.3 MPa、过量空气系数为1.4时,不同频率交流电场作用下燃烧压力随时间的变化如图6所示。由图6可知,相较于未加载电场,加载低频交流电场后燃烧压力峰值Pmax增大且压力峰值时刻tp提前。由于电场加速了火焰传播,相同时间内有更多未燃气参与燃烧,整个燃烧过程加速完成,因此压力峰值时刻tp提前,压力峰值Pmax增大。

图6 不同频率交流电场下燃烧压力随时间的变化

表3给出了加载不同低频交流电场的压力峰值Pmax、压力峰值时刻tp及其相较未加载电场对应的变化率ΔPmax、Δtp。由表3可知,加载交流电场后压力峰值Pmax均增大,且频率越低增大程度越大,压力峰值时刻tp均减小,且频率越低减小程度越大。加载有效值为5 kV,频率分别为40、60、80、100 Hz的交流电场时,燃烧压力峰值分别增大3.48%、2.90%、1.91%、1.49%,压力峰值时刻分别提前15.01%、13.82%、11.81%、5.88%。

表3 低频交流电场燃烧特性参数

3 模拟计算及机理分析

3.1 火焰中粒子的模拟计算

交流电场作用下,火焰中的正负离子在电场力作用下发生迁移,与中性分子发生碰撞。为定量分析电场下火焰中带电粒子的碰撞作用,获取离子数密度变得尤为关键。将离子反应机理与CHEMKINPRO软件相结合,对初始压力为0.3 MPa、过量空气系数为1.4的未加电场的甲烷/空气预混燃烧进行模拟,获取燃烧过程中的离子产物及其浓度分布。

图7 初始压力为0.3 MPa、λ=1.4的甲烷/空气预混火焰带电粒子浓度分布图

3.2 双离子风发展程度分析

在电场作用下,火焰锋面带电粒子受电场力作用加速,与中性分子发生碰撞,进行动量和热量的传递,促进电场方向上火焰已燃区与未燃区之间的传质和传热,进而促进火焰传播[10]。正离子浓度和电子浓度均较高,电子质量远小于中性分子质量,与中性分子之间的动量传递忽略不计,负离子的浓度较低,但不可忽略[11-12],本实验工况负离子浓度约占正离子浓度的27%。

直流电场下离子定向迁移进而促进火焰的发展,称这种作用为离子风效应[13];低频交流电场下,网状电极与点火电极之间形成方向交替变化的电场,正负离子交替沿电场线方向迁移,Kim等的研究将其归为双离子风效应[4],这是低频交流电场对火焰促进作用的主要机理。

离子风效应对火焰传播的促进效果可由离子风发展程度ξ表示,即

(1)

(2)

(3)

式中:t为离子在火焰中作用的时间;tc为碰撞响应时间[14];z为离子与中性分子的碰撞频率;Ri为离子与尚未发生碰撞的中性分子浓度之比,由于中性分子浓度比正负带电离子浓度约大8个数量级[4],使用中性分子总浓度代替未发生碰撞的中性分子浓度;σ为碰撞直径,根据CHEMKINPRO输运参数文件取为3.746×10-10m;p=3×105Pa为初始压力;m是平均粒子质量,根据模拟结果以单位体积粒子总质量比粒子总数求得为4.59×10-26kg;kB=1.390 62×10-23J·K-1为玻尔兹曼常数;T为绝热火焰温度。使用CHEMKIN-PRO软件,计算λ=1.4、初始温度为298 K、压力为3×105Pa时绝热火焰温度为1 863 K,将数值代入式(3),得到实验工况下离子与中性分子的碰撞频率为8.65×109s-1。

正离子和负离子的浓度不同,因而其对应的碰撞响应时间也不相同,低频交流电场下正负离子交替迁移形成双离子风作用,发展程度可表示为

ξeff=ξp-ηξn=

(4)

式中:tcp为正离子的碰撞响应时间;η为负离子与正离子浓度之比;ξp、ξn分别为正负离子单独作用下的离子风效应。通过离子的模拟计算,过量空气系数为1.4、初始压力为0.3 MPa的甲烷/空气火焰中正离子与中性分子浓度之比为2.09×10-9,z为8.65×109s-1、η为0.27、tcp为55.20 ms、U=5 kV、f=40,60,80,100 Hz的低频交流电场单位周期时间的双离子风发展程度分别为0.33、0.24、0.19、0.15。双离子风发展程度ξeff随交流频率的变化如图8所示,可知随着频率的增大,双离子风发展程度逐渐减小。

图8 双离子风发展程度ξeff随频率的变化

3.3 双离子风发展程度与平均火焰传播速度增大率及压力峰值增大率的相关性分析

图9 双离子风发展程度ξeff与的拟合曲线

图10 双离子风发展程度ξeff与ΔPmax的拟合曲线

低频交流电场呈周期变化,电场方向每隔半周期变化一次,正负离子交替作用,当交流电场频率增大时,每半周期离子受电场作用的时间减小,离子加速碰撞还未形成较大的体积流时,电场方向发生改变,离子风无法持续发展,因此双离子风发展程度受到限制[15],宏观上表现为火焰在多周期累积作用下拉伸效果减弱。当交流电场频率较小时,双离子风发展程度ξeff较大,离子与中性分子之间碰撞更加充分,电场对火焰的促进效果变强。因此,低频交流电场对预混球形火焰的作用机制主要为正负离子与中性分子之间的碰撞作用,运用双离子风发展程度ξeff可以准确描述不同频率低频交流电场对预混球形火焰的影响程度。

4 结 论

(2)低频交流电场对火焰的促进作用主要基于双离子风效应,随着频率的减小,双离子风发展程度ξeff逐渐增大,火焰拉伸程度增大,平均火焰传播速度和压力峰值均增大。当频率分别为100、80、60、40 Hz时,双离子风发展程度分别为0.15、0.19、0.24、0.33。