直流电压下电场对植被火焰影响的机理分析

普子恒，孙睿康，黎 鹏，吴 田，方春华

直流电压下电场对植被火焰影响的机理分析

普子恒1, 2，孙睿康1，黎 鹏1, 2，吴 田1, 2，方春华1, 2

(1. 三峡大学电气与新能源学院，宜昌 443002；2. 湖北省输电线路工程技术研究中心，宜昌 443002)

为研究直流电压对植被火焰温度、高度和离子浓度等燃烧状态的影响，提出了化学反应-温度-流体-电场多物理场耦合模型．首先确定流体、温度等之间相互关系，然后确定植被燃烧相关化学反应过程及化学反应表达式，最后利用多物理场耦合模型仿真分析不同电场作用下火焰的温度、流速以及离子浓度的变化规律．结果表明，负极性条件下随着电压升高，靠近电极火焰的最高温度依次增高，且－10kV、－20kV和－30kV分别比无电压条件下高139℃、215℃和219℃；正极性条件下随着电压升高，靠近电极火焰的最高温度呈先下降后上升的趋势，且10kV、20kV和30kV分别比无电压条件下高200℃、159℃和286℃．火焰达到稳定时，10kV与－10kV相较于无电压条件下火焰高度增幅分别为11.31%和31.98%．在一定电压范围内，正极性电压越高，火焰向上传播速率越快，而负极性电压越高，火焰向上传播速率越慢．通过分析离子变化规律，20s时刻－10kV火焰H3O＋、HCO＋摩尔分数分别比无电压情况下增加34.5%和45.7%．

直流电压；多物理场；燃烧热解；化学反应

近年来随着特高压直流线路相继建成投运，长距离直流输电线路的山火问题日益突出，使得山火跳闸事故频发．国内外针对山火条件下间隙击穿特性进行了大量的试验[1-4]．研究表明，火焰体中带电粒子受电场影响[5-6]，导致不同极性下火焰形态存在明显差异．火焰中带电粒子畸变电场是导致整个间隙击穿的原因之一，而不同极性火焰的离子产生的畸变场强各异，致使击穿场强不同[7-9]；另外，山火燃烧使得温度升高，粒子热电离和碰撞电离概率增大，同时空气密度下降，增大电子平均自由行程，电子在电场中加速到相应电离能的电场强度降低．不同极性电压对火焰存在不同程度的压缩或拉伸效应，导致电极附近火焰温度存在差异，引起电晕起始场强和起始电压改变．因此，研究不同极性电压的火焰形态对击穿电场的影响具有重要意义．

电场会改变火焰中离子的运动状态，调控火焰特性．Belhi等[10]针对电场对火焰稳定性的影响进行了研究，证实电场中火焰电体积力的存在，表明电场作用可改变火焰传播速率，施加正极性电压后，火焰尖端轴向速度先下降后上升，最后稳定在0.38m/s. Fialkov[11]针对火焰中离子的产生以及相关作用机理进行了研究，通过实验测量火焰中的带电物质，描述相关化学反应，最后对电场控制火焰进行了总结综述. Wisman等[12]研究直流静电场对甲烷火焰稳定性的影响，认为高压下可以产生静电压力，向反应区注入H3O+、HCO+离子，使火焰传播速度加快，起到稳定燃烧的作用．但上述研究均仅在微尺度条件下考虑电场对甲烷或其他气体火焰特性的影响．植被燃烧过程相较于预混火焰更为复杂，预混火焰是可燃气体之间发生反应，而植被燃烧过程存在高分子裂解，各种气体挥发分的氧化，并在燃烧过程中大量的碱金属和碱土金属卷入火焰，高温区发生热电离，产生大量的电子和离子以及大量荷电颗粒．这种复杂的效应将严重影响火焰与电场之间的相互作用．

部分学者针对单纯的森林可燃物热解和燃烧动力学模型进行了一定程度的研究．牛慧昌[13]引入化学意义上统一的气-固两相反应动力学机制，对3种森林可燃物的热解和燃烧过程进行拟合．陈海翔[14]提出了适用于空气气氛下的两步连续反应模型，结合气-固两相传热传质模型，对两种木材(柞木和落叶松)在空气气氛下的燃烧过程进行了数值计算．王秋华等[15]测定不同林型地表可燃物的火焰高度、最大火焰深度以及最高温度，并得出4种可燃物燃烧时温度在700℃左右．以上研究针对不同的生物质种类，进行了生物质在不同气氛下的热解过程研究，根据热分析实验数据建立了相应的动力学模型，但较少关注电场对于森林火灾的火焰体影响，因此需要建立合理仿真模型，分析电场对植被火焰燃烧状态的影响．

为此，本文结合上述两类研究，利用多物理场耦合模型，通过模型加载10kV/20kV/30kV、－10kV/－20kV/－30kV电压，分析对比不同极性以及不同电压大小下火焰燃烧状态，最后得到不同极性下空间流速大小以及电场对HCO＋、H3O＋浓度的影响规律．

1 电场作用下火焰燃烧的多物理场仿真方法

1.1 多物理场耦合关系

图1 植被燃烧多物理场耦合关系

1.2 控制方程

1.2.1 气相守恒方程

1.2.2 电场作用方程

式中：＋和－分别表示正负载流子的性质；表示电子电荷．其中电场强度求解通过与电势的微分关系：

根据带电物质浓度随时间变化，求解每个时间步长下电势分布的泊松方程：

1.3 含带电物质的化学反应模型

植被燃烧一般分为5个阶段：预热、分解、着火、燃烧和蔓延．森林高风险地区以杉木为主，本文采用杉树木垛作为研究对象．杉木的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素．纤维素化学式(C6H10O5)，一般认为纤维素热解过程分为两个阶段：通过纤维素热降解生成挥发性和非挥发性中间物，该过程被视为一次反应；进一步降解产生气体、焦油以及炭和焦炭等最终产物，该过程被视为二次反应．由于燃烧过程复杂，假定挥发分为甲烷、二氧化碳和一氧化碳，不可挥发分为炭．相关反应如下：

同时高温作用下会存在一定的热电离和化学电离，火焰离子来源如式(11)所述[17]：

通过以下反应，HCO＋迅速转化为H3O+：

此反应瞬间发生，特征时间短．假定HCO+立即转化为H3O+，忽略HCO+离子的输运时间．H3O+通过与电子的离解复合反应重新结合：

火焰中的大量离子与电子主要来源于碰撞电离和化学燃烧产生的化学电离、热电离、光电离．植被火焰中电子数密度为108～1011cm-3[18]．

1.4 仿真模型建立

1.4.1 几何模型

火焰条件下的模型主要包括：棒电极、空气间隙、固体燃料区．本文考虑火焰体存在近似轴对称关系，棒电极产生的静电场具有近似轴对称关系，此处对模型进行简化处理，采用二维轴对称模型，减少计算量并促进收敛，如图2所示．

图2 仿真模型(单位：cm)

仿真模型中将燃烧植被固体燃料部分简化等效为半径10cm、高15cm的梯形与矩形的组合．棒电极半径为1.5cm，长度为20cm，距离地面高度为110cm．并设置半径为100cm，高度为 200cm的空气包为外边界，边界条件设置为开放边界．

1.4.2 模型特性参数

固体燃料区作为植被主要燃烧区域，其化学成分如表1所示[19]．纤维素、半纤维素和木质素在植被中的近似比例约为2∶1∶1，这些高分子化合物在植被烘干后的质量中占90%左右，它们的主要化学元素为C(碳)，H(氢)，O(氧)．通过试验，测得植被的物性参数如表2所示[14]．

表1 植被杉树的化学成分

Tab.1 Chemical composition of fir %

表2 植被物性参数

Tab.2 Physical parameters of vegetation

由表1可知，纤维素占主要成分，而纤维素主要分解过程如式(8)，模型由固体燃料区首先通过反应式(8)得到气体挥发分．在非等温条件下的反应动力学方程可以表述为

根据试验测定[14]，反应(8)的指前因子为0.880×1010s-1，活化能a为80kJ/mol．

考虑挥发分与氧气发生氧化反应，各反应速率方程如表3[20]所示．离子反应的阿伦尼乌斯系数如表4所示[21]，速率常数＝ATexp(a/)，单位为cm3/(mol·s)．

表3 氧化反应方程式与反应速率方程

Tab.3 Oxidation reaction equations and reaction rate equations

表4 离子反应的阿伦尼乌斯系数

Tab.4 Arrhenius coefficient of ionic reactions

1.4.3 模型设置

由多物理场耦合关系可知，植被燃烧包括流体流动、传热与传递等过程．温度模块与流体模块构成非等温流体传热，在处理这种湍流流动的模拟计算中，在对比于标准模型后，采用更适用于模拟燃烧涡旋的重整化群RNG(renormalization group)-模型，化学反应热源的温度变化影响流体的流速与压强，并且通过化学反应与传热进行耦合．流体中空气设置为弱可压缩流并考虑自然对流．浓度场与化学反应存在强耦合关系，其中化学反应模块提供化学方程，浓度场中设置物质的量以及物质荷电量．

2 仿真结果与分析

2.1 直流电场数值模拟

利用软件对棒电极加载高电位，木垛区域接地，对空间电场分布进行数值模拟．由于正负极性电场大小相等方向相反，图3给出加载10kV电压下空间电场强度分布云图．由图可知，电场集中分布在电极附近，且从电极往木垛方向电场强度依次衰减．

图3 10kV空间电场分布

2.2 不同加压方式下火焰温度分布特征

图4和图5分别给出了无电压与施加±10kV情况下不同时刻的温度分布和火焰轮廓．仿真设定初始温度150℃作为点火温度，以促进化学反应进行，环境温度设定为25℃．从图4可知：燃烧初期，反应物受流体影响产生了自然对流，火焰整体呈半椭圆形态．粒子靠近电极下方距离越近，受到电场强度作用越大，电子以及离子运动速度加快，远离电极的离子迁移速度与电极下方流体离子迁移速度存在速度差，因此燃烧中期火焰呈锥形分布．负极性电压下大量阳离子向上运动，部分离子扩散至火焰外焰．故负极性下火焰扩散速度快于正极性火焰．Oka等在研究中发现温升为 200～300℃的等温线与摄像机记录的火焰形态较为吻合．因此，图5每隔100℃设置等温区域，采用200～300℃的等温线作为平均火焰轮廓．各时刻-10kV/10kV火焰高度与无电压火焰高度对比如表5所示．

通过表5得到-10kV/10kV相较于正常情况下火焰高度均有所增加，-10kV增加幅度明显大于10kV．两者增加趋势呈现差异，-10kV增幅呈现先上升后下降的趋势，整体平均幅度稳定在32%左右；10kV增幅呈现先下降后上升的趋势，火焰达到稳定时，火焰增幅为11.31%．

表5 火焰高度对比

Tab.5 Comparison of flame height

正极性电压下，燃烧前中期阶段，大量离子受向上的流体力，越靠近电极，阳离子所受的电场力越大，导致阳离子速度减慢，抑制阳离子向上运动．反应主要发生在电极以下，故正极性下火焰增加幅度相较于负极性更小．电极附近流体场发生改变，反应物质受电极固体的影响速度方向发生改变，导致电极附

近存在涡流[22]．上述现象表明，电场通过改变离子的运动状态导致火焰温度的分布差异影响火焰形态．实验表明正极性下其火焰振荡相较于负极性不明显，但有明显电弧产生[23]．

分析不同高度及不同时间的间隙温度变化，取4个截点，如图6所示．截点与对称轴水平距离交替变化，并依次增加高度．以截点、、分析火焰外焰温度分布，截点为分析电极附近温度变化．无电压与施加±10kV情况下火焰燃烧周期的温度曲线如图7所示．

一个燃烧周期内，不同加压方式整体温度分布趋势大致相同，并存在衰减式振荡[24]．在点、、处施加负极性电压火焰的整体温度明显高于施加正极性电压火焰的整体温度，达到峰值时间也相对前置. 燃烧中期，负极性电压通过电场对离子的作用促进火焰的传播；带电离子加速中可能与中性粒子或者电子发生碰撞进行能量与动量的交换以及发生相关化学反应，改变了附近流场的变化，加速了化学反应速率，故负极性电压下火焰温度整体较高．负极性下火焰到达峰值时间超前正极性火焰1～2s，由于火焰中主要发生反应的阳离子在负极性电场下被加速，而正极性电压下运动受到抑制．由点可以明显看出加压条件下火焰温度高于正常火焰温度200℃，表明在电极附近反应剧烈，提高了电极附近温度．

图6 截点位置

图7 不同加压方式的各点温度分布

2.3 电压大小对火焰的影响分析

对电极分别施加10kV、20kV、30kV电压，一个周期内，各截点温度曲线如图7(b)和图8所示，各点温度峰值对比如表6所示．图8可以看出，点、、最高温度存在振荡衰减并最终达到稳态．随着电压的升高，火焰向上传播的速度提高，温度达到峰值的时间超前．由表6可知，20kV各点温度峰值均低于10kV、30kV温度峰值，随着电压升高，各点最高温度呈先下降后上升的趋势，且10kV、20kV和30kV靠近电极火焰点分别比无电压条件下高200℃、159℃和286℃．点温度上升与下降速率较快，离子最初由于流体力往上运动，一部分离子被吸附，另一部分离子当受流体力大于电场力时，离子被迅速加速到电极上方，在电极附近发生离子反应时间极短，导致温度产生突变．

图8 正极性不同电压下各点温度分布

对电极分别施加-10kV，-20kV，-30kV电压，一个周期内，各截点温度如图7(c)和图9所示，各点温度峰值对比如表7所示．图9可以看出，-10kV火焰的传播速率最快，负极性电极电子扩散速度远大于离子速度，电子受到电场影响，减弱了电子的迁移，在火焰底部发生离子反应．电压升高，阳离子迁移速率变快，电子的迁移速度下降．由表7可知，电压升高，除点外，各点火焰峰值温度逐渐升高，且-10kV、-20kV和-30kV分别比无电压条件下高139℃、215℃和219℃．点，点和点达到最高温度的时间相较于-10kV滞后，表明负极性电压升高，削弱了火焰扩散速度．

表6 正极性电压下各点温度峰值对比

Tab.6 Comparisonof temperature peaks at various points under positive polarity voltage

图9 负极性不同电压下各点温度分布

表7 负极性电压下各点温度峰值对比

Tab.7 Comparisonof temperature peaks at various points under negative polarity voltage

2.4 不同极性对流场的影响分析

不同极性各个时刻流速云图如图10所示．电极作用下离子运动影响流体流速．加压情况下火焰空气流速明显增大．流速初始阶段呈现凸型分布，空气存在温度差与压强差，同时热力环流使热空气向上遇冷空气产生流速差[25]．-10kV相较于0kV与10kV更快传播到电极附近，10kV在横向流速扩散宽度大于-10kV，主要受到离子迁移速度影响，负极性下阳离子迁移更快，越靠近电极所受的电场力越大，电子由于热力环流向上运动，靠近电极速度逐渐变慢．正极性下阳离子受电场排斥，未到达电极或向电极外运动，而电子迅速向电极移动，因此电子与阳离子主要在电极以下发生反应，使得电极以下流速变化比较 明显．

2.5 不同极性下离子摩尔分数变化规律

图11给出不同极性情况下离子随时间的变化规律．由图可知，HCO+摩尔分数明显低于H3O+摩尔分数，反应方程(12)的反应速率极快，反应产生的HCO+马上转变成H3O+．

无电极与正极性下HCO+、H3O+摩尔分数呈先上升后下降的趋势，18s左右离子的生成速率最快．负极性电压下，大量HCO+受电场以及流体的作用向上运动，充分与水分子发生反应生成H3O+，由图可知，20s时刻下-10kV火焰H3O+、HCO+摩尔分数分别比无电压情况下增加34．5%和45.7%．

图11 离子随时间变化规律

3 结 论

本文结合直流电压下典型植被的燃烧特征，建立温度、流体、电场和化学反应的多物理场耦合模型，分析不同极性下火焰体的温度分布、流体流速，以及相关离子的摩尔分数．主要结论如下：

(1) 在火焰上施加正负极性电压，火焰在施加电压的方向均受到不同程度的拉伸并产生变形，相较于无电压条件下-10kV火焰高度增幅大于10kV，-10kV火焰各个时刻增幅稳定在31.98%左右，而10kV火焰高度增幅不超过11.31%．

(2) 正极性电压下，电压增大，火焰的传播速度逐渐增加，各点最高温度呈现先下降后上升的趋势．负极性电压下，电压增大，火焰的传播速度下降，火焰底部温度分布呈先下降后上升趋势．

(3) 无电极与正极性下离子生成速率存在特定峰值．20s时刻下-10kV火焰H3O+、HCO+摩尔分数分别比无电压情况下增加34.5%和45.7%．

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Mechanism Analysis of Effect of Electric Field on Vegetation Flame Under DC Voltage

Pu Ziheng1, 2，Sun Ruikang1，Li Peng1, 2，Wu Tian1, 2，Fang Chunhua1, 2

(1. School of Electrical and New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，China；2. Hubei Provincial Engineering Technology Research Center for Power Transmission Line，Yichang 443002，China)

In order to study the effect of DC voltage on the vegetation combustion states，such as flame tempera-ture，height and ion concentration，a coupled multiphysics model of chemical reaction-temperature-fluid-electric field was proposed. First，the interrelationship between fluid and temperature was determined. Then，the chemical reaction processes and chemical reaction formulas related to vegetation combustion were determined. Finally，the changes of flame temperature，flow rate and ion concentration under the effect of different electric fields were simulated and analyzed by the coupled multiphysics model. The results showed that the maximum temperature of the flame near the electrode increased with the increase of voltage under the negative polarity condition，which was 139℃，215℃ and 219℃ higher than that under the no-voltage condition at -10kV，-20kV and -30kV，respectively，under the positive polarity condition，the maximum temperature of the flame near the electrode decreased first and then increased with the increase of voltage，which was 200℃，159℃ and 286℃ higher than that under the no-voltage condition at 10kV，20kV and 30kV，respectively. When the flame reached stability，compared with that under the no-voltage condition the flame height increased by 11.31% and 31.98% at 10kV and  -10kV，respectively. Within a certain voltage range，the higher the positive polarity voltage，the faster the flame propagation；the higher the negative polarity voltage，the slower the flame propagation. The analysis of the ion changing law shows that compared with those in the no-voltage case the mole fractions of H3O+and HCO+of the  -10kV flame at 20s increased by 34.5% and 45.7%，respectively.

DC voltage；multiphysics field；combustion pyrolysis；chemical reaction

TM75

A

1006-8740(2022)04-0379-10

10.11715/rskxjs.R202112009

2021-12-16.

国家自然科学基金青年基金资助项目(51607103).

普子恒（1987—  ），男，博士，副教授.

普子恒，pzhdq@ctgu.edu.cn.

(责任编辑：梁 霞)