高频交流电场的频率对预混稀燃火焰的影响

崔雨辰,段 浩,张 聪,吴筱敏,2

（1.西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049；

2.陕西理工学院陕西省工业自动化重点实验室,陕西汉中723001）

高频交流电场的频率对预混稀燃火焰的影响

崔雨辰1,段 浩1,张 聪1,吴筱敏1,2

（1.西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049；

2.陕西理工学院陕西省工业自动化重点实验室,陕西汉中723001）

为了比较不同频率的高频交流电场在辅助燃烧方面的作用,对常温、常压下定容燃烧弹中网状电极结构下的电场对甲烷／空气预混稀燃火焰的火焰形状、火焰传播速度、燃烧压力的影响进行研究.结果表明：在高频交流电场作用下,火焰均在水平方向被拉伸,且频率越高,拉伸越剧烈,平均火焰传播速度和燃烧压力均随着交流电频率的增加而增加；混合气越稀,电场对火焰的作用效果越明显,与未加电压相比,当交流电压有效值为5 kV,交流电频率为25 k Hz,过量空气系数为1.2、1.4和1.6时,平均火焰传播速度分别提高45.77%、50.00%和87.93%,相对燃烧压力增大率的最大值分别为0.51、0.66和0.86.

高频交流电场；稀燃火焰；定容燃烧弹；火焰传播特性；燃烧压力

解决能源短缺问题的关键是提高能源利用效率,而电场对火焰的影响可以为高效率、低污染的燃烧系统的研究提供新的思路,大量的研究证明电场在增强火焰稳定性［1-2］、提高火焰速度［3-4］以及减少碳烟排放［5-6］等方面均有显著的作用.

在以往的研究中,对电场的选取大多集中在直流电场,很少涉及交流电场.近几年,国内外的一些学者开始对交流电场辅助燃烧的机理展开了研究.Kim等［7］研究了交流电场频率对丙烷空气喷焰稳定特征参数升起和吹熄速率的影响,结果表明可以通过改变交流电场的幅值和频率来扩展火焰稳定区域.张扬等［8］研究了高频交流电场（f＝10 k Hz,U＝0～4 kV）对非预混甲烷空气喷焰火焰燃烧行为和NO排放的影响,结果表明火焰形变、CO和NO排放都随电压幅值呈非单调性变化,他们认为这可能是热效应、离子风效应和电化学效应竞争的结果.以上的研究都集中在本生灯火焰、同轴喷射火焰等驻定火焰,很少涉及定容燃烧弹中的球形膨胀瞬态火焰,且大多数研究都是针对当量比附近的气体,而稀燃被广泛认为是一种提高燃油经济性、降低排放的有效措施,因而有必要对稀燃条件下的燃烧进行研究.因此,本文对定容燃烧弹中的网状电极分别施加不同频率的高频交流电压,研究了甲烷／空气预混稀燃火焰在高频交流电压作用下的传播和燃烧特性.

1 实验装置和方法

整个试验台架由定容燃烧弹、配气机构、点火电路、高速纹影摄像系统、燃烧压力采集系统、高频交流电源及其电路系统组成,如图1所示.

图1 实验装置图Fig.1 Schematic of experimental setup

实验所用的定容燃烧弹是由45号钢整体切割加工而成的圆柱形空腔（内径为130 mm、长为130 mm）.容弹内腔布置有聚四氟乙烯绝缘套（内径为114 mm、外径为130 mm、长为130 mm）、点火电极和网状电极.容弹上下表面中心装有一对直径为2 mm的点火电极,两点火电极由45号钢加工而成,电极间距为2 mm.一对由45号钢锻造而成的网状电极水平对称地安装在距点火电极35 mm处,高压电源分别加载在这一对网状电极上,与点火电极构成点-网电场分布结构.容弹两侧装有高抗冲石英玻璃（直径为170 mm、厚度为30 mm）为拍摄火焰图像提供光学通路.电极和容弹的结构如图2所示.

图2 电极结构和容弹结构Fig.2 Structure of electrodes and constant volume combustion chamber

本实验采用传统的电感放电的点火方式点燃混合气,点火能量约为50 mJ.高压交流电源为Wisman公司生产的WPS20P20型高压交流电源（输出电压为0～20 kV,功率为1.5～45 W,输出电压变化为±10%）.燃烧压力采集系统由压力传感器、电荷放大器和数据采集仪3部分组成.压力传感器为Kistler 4075A10压电式绝对压力传感器,测量范围为0～25 MPa,误差为±0.5%,用于接收燃烧过程中容弹内的压力变化信号.电荷放大器为Kistler 4618A型,用于放大压力传感器接收到的信号,与压力传感器匹配校准.数据采集仪为YOKOGAMA公司研制的DL750动态测试仪,采样频率为10 k Hz.高速摄像机为美国Redlake公司生产的HG-100K,拍摄速度为5 000帧／s,用于记录火焰传播过程.

实验在常温、常压下进行,向容弹中依次充入过量空气系数为1.2、1.4和1.6的甲烷／空气混合气,静置2 min除扰动,与此同时向网状电极分别施加频率f＝5、10、15、20、25 k Hz,电压有效值U＝5 kV的交流电压.点火同时触发高速摄像机拍照和压力传感器采集数据.每次实验结束后的废气由真空泵抽出,并用空气多次冲洗容弹,以消除残留废气对下次燃烧的影响.每个工况点至少重复3次,取平均值,从而减小实验误差.

2 结果与分析

2.1 电场数值模拟结果

利用Maxwell 14.0软件对网状电极在加载交流电压后形成的空间电场分布进行了数值模拟.如图3所示为加载交流电压有效值U＝5 kV时,交流电压波峰和波谷对应的电场数值模拟结果.由于电极和容弹的对称性,对电场云图和电场矢量图各取一半进行分析.从图中可以看出,无论是电压波峰还是电压波谷,网状电极间对应的电场方向均近似水平,方向正好相反,而两者对应的电场强度E分布几乎完全相同,水平方向上的电场强度为4.0×104～3.4× 105V／m,电场强度在点火电极的尖端附近空间最大,随着离容弹中心距离的增大先逐渐减小后增大.

2.2 火焰传播图像

如图4所示为电压有效值U＝5 kV且过量空气系数λ＝1.2、1.4、1.6时不同频率f下的火焰传播图像.其中,t为时间,从图中可以看出,当未加载电压时,火焰基本呈球形传播,加载电压后,火焰在水平方向上得到了不同程度的拉伸,过量空气系数一定时,频率越高,火焰拉伸越明显.频率一定时,混合气越稀,火焰传播得越慢但拉伸越剧烈,例如电场对λ＝1.6时的火焰的拉伸作用明显比对λ＝1.2时的要大.

交流电场对火焰的影响主要是热效应、离子风效应和电化学效应共同作用的结果［8］.热效应是指当电场中存在较大电流时电能转换成热能而带入的能量,由于本实验火焰中的电流很小,因而可以忽略热效应的影响.交流电场作用下的离子风效应与直流电场作用下的有所不同,直流电场作用下的离子风效应是指加载电压后形成了方向为由地电极指向高压电极的电场,在此电场的作用下,大量粒子沿电场方向定向迁移使得火焰前锋面在横向与未燃区的传质和传热增强,促进火焰的横向发展［9］,而高频交流电场作用下的离子风效应则是由于交流电场极性的交替变化使得电场中带电粒子受到的电场力方向交替改变,从而增强了火焰中各粒子的能量和动量交换.当电压有效值一定时,交流电频率越高,同一时间带电粒子受到的电场力方向交替改变的次数越多,因此粒子间的能量和动量交换就越剧烈,火焰传播得越快.电化学效应是指火焰中大量离子与中性分子发生剧烈碰撞,产生大量活化基和离子直接作用于化学反应动力学,从而燃烧过程中的某些化学反应得到了改变［8,10-12］.当交流电频率越高时,离子与中性分子碰撞的概率越大,从而产生的活化基和离子数越多,形成的电化学效应越强,对火焰的促进作用就越强.因此,当交流电压有效值一定时,交流电频率越高,火焰在水平方向的发展越快.

图3 当U＝5 kV时交流电波峰和波谷对应的电场数值模拟结果Fig.3 Electric field distributions of the peak and trough of alternating voltage at U＝5 kV

2.3 火焰传播距离和火焰传播速度

2.3.1 火焰传播距离 由图3电场数值模拟结果可知,在高频交流电场作用下的网状电极的电场方向基本都在水平方向上,由此可知,电场对火焰的作用主要在水平方向.因此,本文中定义火焰传播距离L为火焰在水平方向上左右两边火焰前锋面到容弹中心距离的平均值,即L＝（L1＋L2）／2,L1和L2的值由纹影照片确定,数据获取方式如图5所示.由于当L＜6 mm时,点火能量会对火焰发展产生波动影响；当L＞25 mm时,容弹内温度和压力的变化会对火焰产生影响［13-15］,因此,本文研究的火焰传播距离的范围为L＝6～25 mm.

图4 不同频率下的火焰传播图像Fig.4 Typical flame propagation images of different frequencies

如图6所示为U＝5 kV且λ＝1.6时不同频率下的火焰传播距离随时间的变化.从图中可以看出,火焰横向传播距离L随时间t几乎呈线性增加,且相同时间内,加载电压后的L均比未加载电压时的大,随着交流电频率的增大,L-t曲线的斜率逐渐增大.

图5 火焰传播距离示意图Fig.5 Diagram of flame spread distance

图6 不同频率下的火焰传播距离随时间的变化Fig.6 Flame spread distance versus combustion time of different frequencies

如表1所示为U＝5 kV且λ＝1.2、1.4和1.6时不同频率下的火焰半径发展到25 mm所用的时间t25以及加载电压后的t25比未加载电压时缩短的比率Δt25.从表中可以看出,过量空气系数一定时,加载电压后的t25比未加载电压时的要明显缩短,且交流电频率越高,时间缩短的程度越大.当交流电频率一定时,t25和Δt25均随着过量空气系数的增大而增大,即混合气越稀,火焰发展所用时间越长,电场对火焰的影响越大.

表1 不同频率下的火焰半径发展到25 mm所用的时间及其比未加载电压时的缩短比率Tab.1 Corresponding times when flame radius increases to 25 mm and their shortening rates

如图7所示为U＝5 kV且λ＝1.6时不同频率下的火焰传播速度随传播距离的变化.从图中可以看出,与未加载电压相比,加载电压后的火焰传播速度得到了很大的提高,且交流电频率越高,火焰传播速度提高的幅度越大,这主要是因为频率越高,离子风效应和电化学效应越强,对火焰的促进作用就越强.

图7 不同频率下的火焰传播速度随传播距离的变化Fig.7 Flame propagation speed versus flame spread distance of different frequencies

如图8所示为U＝5 kV且λ＝1.2、1.4和1.6时平均火焰传播速度随交流电加载频率的变化关系.从图中可以看出,相同过量空气系数下,平均火焰传播速度随加载频率的增大而增大,而当加载频率一定时,混合气越稀,平均火焰传播速度越小.

如表2所示为U＝5 kV且λ＝1.2、1.4和1.6时不同频率下的及其相比于未加载电压时的增大程度.从表中可以看出,在相同过量空气系数下,加载电压后的平均火焰传播速度均比未加载电压时的大,且随着频率的增大,增大程度逐渐变大,例如λ＝1.6,f＝5、10、15、20、25 k Hz时,比未加载电压时分别增大了43.10%、62.07%、70.69%、81.03%和87.93%.从表中还可以看出,当加载频率一定时,均随过量空气系数的增大而增大,即混合气越稀,电场对火焰传播速度的促进作用越明显,例如当f＝25 k Hz,λ＝1.2、1.4和1.6时,比未加载电压时分别增大了45.77%、50.00%和87.93%.由表1火焰发展时间可知,混合气越稀,火焰发展到相同距离所用的时间越长,火焰受到电场的影响就越大.

图8 平均火焰传播速度与交流电频率的关系Fig.8 Average flame propagation speeds versus frequencies

表2 不同频率下的平均火焰传播速度及其增大率Tab.2 Average flame propagation speeds and their increasing rates of different frequencies

2.4 燃烧压力

为了更好地比较不同频率的高频交流电场对预混稀燃火焰燃烧压力的促进作用,燃烧压力采用归一化方式获得一个无量纲的相对燃烧压力增大率φ,定义为

式中：p为加载交流电压后的瞬时燃烧压力值,p0为未加载电压时的瞬时燃烧压力值.

如图9所示为U＝5 kV且λ＝1.6时不同频率下的相对燃烧压力的增大率随时间的变化.从图中可以看出,φ随时间t均呈现出先增大后减小的趋势,这是因为燃烧初期容弹内燃料充足,加载电压后电场对火焰的影响显著,从而燃烧压力迅速增大,随着燃料消耗殆尽以及容弹内壁的传热等影响,电场对火焰的影响减弱,燃烧压力迅速下降.从图中还可以看出,加载不同频率的交流电压后的燃烧压力与未加载电压时的值相比均有不同程度的提高,峰值出现时间tmax均有所提前,加载频率越大,燃烧压力增加的幅度越大,峰值出现时间提前得也越多.

图9 不同频率下的相对燃烧压力增大率随时间的变化Fig.9 Increasing rate of relative combustion pressure versus combustion time of different frequencies

如表3所示为U＝5 kV且λ＝1.2、1.4和1.6时不同频率下的相对燃烧压力增大率的最大值φmax及其出现时间tmax.从表中可以看出,过量空气系数一定时,随着加载频率的增加,φmax增加,tmax减小.当频率一定时,φmax随过量空气系数的增大而增大,例如当f＝25 k Hz,λ＝1.2、1.4和1.6时,φmax的值分别为0.51、0.66和0.86,由此可见,混合气越稀,电场对燃烧压力的影响就越大.

表3 不同频率下的相对燃烧压力增大率的最大值及其出现时间Tab.3 Maxima of the increasing rate of relative combustion pressure and their appearance times of different fre-_______quencies

3 结 论

（1）高频交流电场作用下的火焰均在水平方向上被拉伸,且频率越高,拉伸越明显；当频率一定时,混合气越稀,拉伸越明显.

（2）加载高频交流电压后,火焰传播速度与燃烧压力均比未加载电压时的有所增加,且频率越高,增加的幅度越大,电场对火焰的促进作用越明显.

（3）混合气越稀,交流电场对火焰的影响越大.与未加载电压相比,当交流电压有效值U＝5 kV,频率f＝25 k Hz,过量空气系数λ＝1.2、1.4和1.6时,平均火焰传播速度分别提高45.77%、50.00%和87.93%,相对燃烧压力增大率的最大值分别为0.51、0.66和0.86.

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Effects of frequencies of high-frequency alternating electric fields on premixed lean combustion

CUI Yu-chen1,DUAN Hao1,ZHANG Cong1,WU Xiao-min1,2
（1.School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China；2.Shaanxi key Laboratory of Industrial Automation Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,China）

An experiment was conducted in a constant volume combustion bomb under a lean combustion condition to compare the roles of different frequencies of high-frequency alternating electric fields in promoting combustion process.The different effects of high-frequency alternating electric fields with the mesh electrode on the flame shape,propagation speed and combustion pressure of premixed CH4／air mixtures were also analyzed at room temperature and atmospheric pressure.The results show that the flame is stretched in the horizontal when high-frequency alternating electric field is applied to the electrodes and is stretched more severely with the frequency increase.The average flame propagation speed and combustion pressure also increase with the frequency.In addition,the effect of electric field on the flame is greater when the mixture is diluted.Compared with those without the applied voltage,when the voltage virtual value is 5 kV and the frequency is 25 k Hz,the average flame propagation speeds at the excess air ratio of 1.2,1.4 and 1.6 increase by 45.77%,50.00%and 87.93%；the maxima of the increasing rate of relative combustion pressure are 0.51,0.66 and 0.86,respectively.

high-frequency alternating electric field；lean combustion；constant volume combustion bomb；flame propagation characteristics；combustion pressure

吴筱敏,女,教授,博导.E-mail：xmwu＠mail.xjtu.edu.cn

TK 431

A

1008-973X（2015）05-0944-06

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.05.019

2014-11-22. 浙江大学学报（工学版）网址：www.journals.zju.edu.cn／eng

国家自然科学基金资助项目（51176150,51476126）；清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资助项目（KF14122）.

崔雨辰（1991－）,女,硕士生,从事电场辅助燃烧的研究工作.E-mail：jsdtcyc＠stu.xjtu.edu.cn