高初始压力下直流电场对甲烷空气火焰的影响

魏旭星

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

随着石油资源短缺和大气污染的日益严峻，寻找清洁可替代能源已经成为国内外发动机领域研究的热点。天然气凭借其储量丰富、排放性能优良、安全性高等特点显示出极大的应用价值，特别是天然气稀燃技术被认为是一种可以有效降低排放、增强发动机经济性能的方式[1]，但是稀燃条件下存在着火延迟、燃烧速度低以及循环变动等问题，这将降低发动机输出功率并增加燃油消耗，从而限制天然气发动机的大规模推广[2]。

为了改善天然气稀薄燃烧特性，很多学者提出了解决方案，主要有天然气掺氢燃烧[3]、增强缸内湍流[4]以及电场辅助燃烧[5-7]等，其中电场辅助燃烧具有操作方便、控制简易等特点，受到国内外的广泛关注。Van den Boom等研究了直流电场作用下的甲烷/空气平板火焰，根据热流量法计算得出了电场作用下化学当量比时的层流燃烧速率比未加载电压时增大了8%[5]；Johannes Kuhl等研究了电场对层流燃烧火焰结构和温度的影响，发现电场会引起层流火焰的变形，并能提高火焰的最大温度[6]；Katsikadakos等在常压和加载高电压下测量层流预混甲烷逆流火焰OH⋆化学荧光强度，结果显示最大OH⋆化学荧光强度随电压呈线性增大，表明加载电压可以增大燃烧放热率[7]；崔雨辰等在定容燃烧弹上研究了常温常压下交流电场对甲烷/空气预混火焰的影响，发现加载电场方向的火焰传播速度得到明显的增大[8]。

目前，国内外学者已经大量研究了电场对常压下火焰的影响，但考虑到动力机械大多工作在高初始压力下，因此有必要对较高压力下的电场辅助燃烧进行研究。本文开展了常温、初始压力为4atm下直流正电场辅助燃烧的试验，对电场辅助燃烧的机理探索具有积极意义。

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

如图1所示，本文用到的试验装置主要由定容燃烧弹、直流高压电源、点火系统、进排气系统、高速纹影摄像系统以及压力采集系统组成。

图 1  试验装置图

定容燃烧弹是燃烧过程进行的区域，它的内部为直径130 mm、长130 mm的圆柱形空腔，其中布置有聚四氟乙烯绝缘套、点火电极以及高压网状电极。定容燃烧弹两侧装有石英玻璃窗，为火焰图像拍摄提供必要的光学通路。在高速纹影摄像系统中，火焰传播图像经抛物面镜反射进入高速摄像机，再由软件采集输入到计算机得到记录。试验中使用美国REDLAKE公司生产的HG-100K型号的摄像机，拍摄速度为5000帧/s。压力采集系统由压力传感器、电荷放大器以及数据采集仪3部分组成。压力传感器为Kistler 7061B压阻式绝对压力传感器，其测量范围为0～25 MPa、精度为0.5%，并与Kistler 4618A型电荷放大器匹配校准。数据采集仪将采集到的压力模拟信号转化为可以处理的数字信号，其型号为YOKOGAMA公司研制的DL 750动态测试仪，采样频率最高可达10 MHz，本试验根据采集需要所设置的采样频率为10 kHz。

1.2 试验方法

试验在常温、4atm下进行，试验前向容弹内依次配置过量空气系数1.2、1.4和1.6的甲烷/空气混合气，静置2 min使其均匀混合，与此同时向高压网状电极施加相应电压，点火同时触发高速摄像机和压力传感器，从而得到火焰传播图像和容弹内压力变化数据。在燃烧结束后，废气由真空泵抽出，并用新鲜空气多次冲洗以避免残余废气对下次燃烧的影响。每个试验工况至少重复3次，并取平均值作为该工况的试验值来降低误差。

2 结果与分析

2.1 火焰传播图像

图2是不同过量空气系数下未加载电压与加载电压时不同时刻的火焰传播图像。其中，过量空气系数定义为λ，电压为u，火焰传播时间为t。从图2中可以看出，未加载电压时，火焰近似呈球形发展，且火焰表面有因流体力学不稳定性而产生的褶皱；加载电压后，火焰形状发生变化，水平方向上出现拉伸，竖直方向上出现不同程度的凸起，且火焰表面褶皱有明显增多的趋势。上述趋势在过量空气系数λ增大时，表现得更加明显。

图2   不同过量空气系数下的火焰传播速度

2.2 火焰传播距离和火焰传播速度

2.2.1 火焰传播距离

由图2可知，加载电压后火焰形状较未加载电压时在水平和竖直方向上均会发生变化。为了全面地反映电场对火焰传播的影响，采用“等效面积法”表示火焰传播距离r，即为与火焰外轮廓面积相等的圆的半径，其计算公式为：

式中，Z1为火焰外轮廓像素，Z2为纹影图像总像素，40 mm×40 mm为纹影图像代表容弹中的实际面积。为了同时消除点火能量和容弹内温度、压力变化对火焰传播的影响，火焰传播距离的研究范围选取为r=6～25 mm[9]。图3是过量空气系数λ分别为1.2、1.4和1.6时，加载电压后火焰传播距离随时间的变化关系。从图3可以看出，火焰传播距离随时间近似呈线性变化；加载电压后，火焰传播距离发展到25 mm所用的时间缩短，且加载的电压幅值越大，火焰传播需要的时间就越短。上述规律在过量空气系数变大时更加明显，说明直流正电场对高压下的火焰传播具有促进作用。

图3   不同过量空气系数下火焰传播距离随时间的变化

2.2.2 火焰传播速度

定义火焰传播速度v为火焰从6 mm发展到25 mm时与所对应时间的比值，即v=(r25mm-r6mm)/（t25mm-t6mm），其中t6mm和t25mm分别为火焰面发展到6 mm和25 mm时所对应的时间。表1显示了不同过量空气系数下火焰传播速度v以及加载电压后火焰传播速度的增大率Δv。从表1可以看出，与未加载电压时相比，加载电压后的火焰传播速度均有所提高，且随着电压幅值的增大，促进率有明显的提升。例如，过量空气系数为1.6时，未加载电压下火焰传播速度为381.1 mm/s，加载5 kV电压火焰传播速度为485.9 mm/s，此时电场对火焰传播速度的促进率为27.5%；加载10 kV电压火焰传播速度为624.9 mm/s，此时电场对火焰传播速度的促进率为64.1%。这一规律在过量空气系数1.2、1.4时也同时显现，说明加载电场对高初始压力下的火焰传播速度有明显的提升。

表1   不同过量空气系数下火焰传播速度及其增大率

2.3 燃烧压力

通过压力采集系统可以获得燃烧过程中的压力曲线，图4给出了过量空气系数λ分别为1.2、1.4和1.6时，加载不同电压下燃烧压力随时间的变化关系。从图4可以看出，在相同过量空气系数下，加载电压后的压力曲线均在未加载电压时压力曲线的上方，且压力曲线较未加载电压时在时间上出现提前的趋势。这在电压幅值增大时，表现得更加明显。

图4   燃烧压力随时间的变化

表2给出了不同过量空气下压力峰值pmax、压力峰值到达时间tp以及加载电压后压力峰值变化率Δpmax、压力峰值到达时间的变化率Δtp。从表2可以看出,加载电场后，燃烧压力峰值均较未加载电压时增大，压力峰值到达时间均较未加载电压时提前，且在电压增大后提升效果更加明显。例如,在λ=1.6时，加载10 kV电压，峰值压力较未加载电压时提升了177.3 kPa，增大率为20.0%；压力峰值到达时间较未加载电压提前了185.2 ms，提前率为35.3%。这一趋势在过量空气系数为1.2和1.4时相同，说明直流电场对高初始压力下的火焰燃烧压力具有明显的提升效果。

表2   峰值压力、峰值压力到达时间及相应变化率

2.4 质量燃烧率

通过采集到的压力数据，根据Elbe's方程[10]可计算燃烧过程中的质量燃烧率Mf（t），Mf（t）=[p（t）-pi]/（pmax-pi），式中p（t）为瞬时燃烧压力，pi为可燃混合气的初始压力。定义从点火时刻到质量燃烧率为10%所经历的时间为初始燃烧期tid，质量燃烧率从10%到90%所经历的时间为主燃烧期tmd，加载电压后较未加载电压时相应的变化率分别为Δtid和Δtmd。

图5为不同过量空气系数下，加载电压后质量燃烧率随时间的变化关系。从图5可以看出，加载电压后质量燃烧率曲线均较未加载电压时提前，且随着加载电压幅值的增大，提前的幅度也越大。

图5   质量燃烧率随时间的变化

表3给出了不同过量空气系数下的初始燃烧期tid、主燃烧期tmd及相应的变化率Δtid、Δtmd。从表3可以看出，加载电压后初始燃烧期、主燃烧期均较未加载电压时缩短，且电压幅值增大后提升效果更加明显。例如，在λ=1.6时，加载10 kV电压时，初始燃烧期较未加载电压时提前了37.4 ms，提升幅度为27.7%；主燃烧期较未加载电压时提前了76.2 ms，提升幅度为28.9%。这一趋势在过量空气系数为1.2和1.4时相同，说明直流电场对高初始压力下的质量燃烧率具有较好的促进效果。

表3   初始燃烧期、主燃烧期及其相应的变化率

2.5 机理探讨

为了直观地展示电场空间分布以及电场强度等参数，用Maxwell 14.0对容弹内的电场进行了模拟。图6是加载10 kV电压下电场强度E的幅值分布云图及局部放大图，从图6可以看出，容弹区域所形成的空间电场为非均匀电场，在容弹左右两侧呈对称分布，场强E的范围在2.5×105～3.5×106V/m，最大场强集中在高压电极外边缘拐角和点火电极尖端附近。

图6   容弹内电场分布云图

电场能够影响碳氢火焰的传播和燃烧特性，主要是通过作用于燃烧过程中的带电粒子来完成[11-13]。加载电场时，由于电子具有很高的迁移率，高能电子会与氮气分子碰撞激发N2到振荡态。

这已经被分光测定试验所证实[6]。受到激发振荡的氮气分子可以将振荡能传递给其他分子，尤其是O2分子。

振荡激发态的O2，因获得能量而使自身的活化能增大，故可以增大分支化学反应速率。在火焰形成初期，着火对于CH3和O2之间的反应非常敏感，由图6电场分布云图可知，点火电极附近的电场分布极不均匀，使得这一区域的气体容易发生电离，受到活化的O2与甲基反应。

从而缩短点火延迟期，促进火焰的形成；在甲烷的高温氧化反应中，当该反应一旦引发，便可大幅度地增加甲烷的氧化率[14]。基库建立以后，甲基CH3主要与O原子发生反应。

分支化学反应速率的加快，提高了甲烷的全局化学反应速率，因此正电场作用下的火焰传播有了明显的促进。

从火焰传播纹影图像可知，高初始压力下的火焰形态在施加电场后发生了变化。在试验工况下，火焰形态主要由自身热力学不稳定性和流体力学不稳定性共同决定。施加正电场时，火焰传播方向上粒子的热扩散大于质量扩散，引起局部Lewis数大于1，从而火焰热力学特性趋于稳定；而对于流体力学不稳定性，由于电场带来新的扰动，使得火焰面本身的流体力学不稳定性变大[15]。综合火焰传播纹影图像发现，高初始压力下火焰自身不稳定性增强，火焰在施加电场后褶皱明显增多，这增大了火焰前锋面与未燃区的接触面积，使得更多可燃混合气参与燃烧，放出更多热量，进而加速火焰燃烧速度。

因此，正直流电场对高初始压力下的火焰传播和燃烧特性具有良好的促进效果。

3 结    论

（1）高初始压力下，施加正直流电场会引起火焰变形，且在施加电场的方向上得到拉伸，竖直方向上出现不同程度的凸台。

（2）试验中施加正直流电场对高初始压力下的火焰传播和燃烧特性具有明显的促进作用，且随着施加电压幅值的增大，促进效果变得更加明显。

（3）电场对高初始压力下的火焰形成和发展均产生积极作用，能有效缩短着火延迟期，并促进火焰传播过程的发展。