房建峰，姚永玉，周 辉，葛述卿，贾贵西

(洛阳理工学院 机械工程学院，洛阳 471023)

0 概述

天然气是当今应用非常广泛的清洁替代能源，在国民经济长期可持续发展和环境保护中起着重要作用[1]。作为天然气主要成分的甲烷，其分子结构中的C—H键能(415.2 kJ/mol) 比较大，超过一般有机物分子结构中的C—C键能(347.2 kJ/mol)。因此，天然气燃烧的火焰传播速度较慢，燃烧持续时间较长，散热损失较大，在稀燃状况下更是如此。在实际应用中采取适当的方法提高甲烷火焰的传播速度对改善天然气的燃烧很有必要。理论分析证明，外加电场能够有效地促进甲烷的燃烧过程[2]。

碳氢燃料在燃烧时，火焰中被检测到存在一定量的带电离子，包括阳离子、阴离子和自由电子[3-4]。在外加电场作用下，这些带电离子的运动状态会发生改变，从而影响燃烧火焰的传播和燃烧特性[5-7]。例如，文献[3]中发现外加电场可使本生灯火焰光滑的表面产生褶皱，火焰燃烧速率也有一定程度的增加，而且火焰温度也有所升高。文献[5]中发现直流电场可提高本生灯火焰的吹熄速率，增强火焰的稳定性。文献[7]中发现外加电场可改变喷射火焰的形状，促进燃料和空气的进一步混合，使得CO的排放量降低。

在电场作用的各种火焰中，球形膨胀火焰属于火焰形态随时间迅速变化的瞬态火焰。其作用原理是将一定浓度的可燃混合气充入密闭容弹中，在容弹中心点燃混合气，燃烧火焰呈圆球形向外传播发展。定容燃烧在能源与动力工程领域有着广泛的应用，例如，点燃式发动机混合气的燃烧过程就接近于定容装置中的火焰燃烧。研究电场对球形膨胀火焰的作用效果在实际工程中有一定价值。本试验以定容燃烧装置为基础，探讨了高电压下浓/稀甲烷-空气混合气的燃烧特性,并通过分析加载电场时火焰中自由电子的运动变化及其对天然气燃烧的作用，进一步说明电场影响火焰燃烧的机理，为提高改善球形膨胀天然气火焰的燃烧性能提供了可靠的理论基础和新的思路与方法。

1 试验装置

本试验采用的定容燃烧装置如图1所示，主要由定容燃烧弹、纹影摄像系统、燃料配置系统、高压电极、压力采集系统和点火系统等组成。定容燃烧弹是由不锈钢制成的两端通透的圆柱形空壳体，其内腔直径为130 mm，高度为130 mm。壳体内装有聚四氟乙烯绝缘套，壁厚为5 mm，长度为130 mm。容弹前后端装有厚15 mm的石英玻璃，以便通过纹影成像系统由高速摄像机(HG-100K)拍摄燃烧过程的火焰传播图像。与点火回路相连的点火电极垂直安装在定容燃烧弹的中心处，其外围包有聚四氟乙烯以屏蔽点火电极对容弹中高压电场的影响。燃料配置系统根据试验要求向容弹中充入合适浓度的甲烷-空气混合气，其中试验用的干空气由体积分数为21%的氧气和79%的氮气组成。测量混合气燃烧压力变化的传感器为KISTLER 4075A10型压阻式绝对压力传感器，与之相连的压力采集装置为Yokogawa公司生产的DL750型采集仪，采集频率为10 kHz。

图1 试验装置示意图

在容弹中产生作用于燃烧火焰电场的高压电极为不锈钢制成的网状圆盘，形状如图2所示。圆盘外径为60 mm，圆盘中网格尺寸为8.5 mm×8.5 mm。一对高压电极安装在定容燃烧弹中心线的左右两侧，与容弹中心的距离均为35 mm。试验中连接网状电极的高压电源由咸阳威斯曼公司生产，其电压范围为0 kV～30 kV。

图2 高压电极示意图

燃烧室、高压电极和测量装置的安装布置示意图如图3所示。试验是在常温常压下进行的，根据混合气的过量空气系数把相应质量的空气和甲烷通过水银压力计充进燃烧室，利用压力计汞柱高度的变化确定进入燃烧室中甲烷和空气的多少。试验中混合气处于浓燃和稀燃状态，其相应的过量空气系数λ分别为0.8和1.4，加载电压U为0 kV、5 kV和 10 kV。在混合气燃烧过程中拍摄火焰的传播图像，并采集容弹中混合气的燃烧压力。每个试验工况至少重复3次以上，使混合气燃烧压力p的最大值及其出现时间t保持稳定不变。例如，λ为0.8的混合气加载10 kV电压时，最终燃烧压力的发展结果如图4所示。重复试验中火焰燃烧压力的发展基本一致，压力峰值及峰值时间几乎完全相同。

图3 燃烧室、高压电极和测量装置安装布置示意图

图4 燃烧压力发展的重复结果(λ=0.8、U=10 kV)

2 试验结果与分析

2.1 高电压下容弹中的电场分布

为了更准确地分析容弹中外加电场对火焰燃烧的作用，本文利用Ansoft Maxwell 13.0软件对容弹中的电场分布进行了数值模拟。首先依据燃烧室的形状和尺寸建立三维模型，并根据各组成部分的材料(聚四氟乙烯、石英玻璃、甲烷-空气混合气、不锈钢、铂(点火电极材料))加载各自的相对介电常数。甲烷的相对介电常数与空气非常接近，因此甲烷-空气混合气的相对介电常数用空气的数值替代。高压电极加载5 kV和10 kV电压，点火电极和容弹外围电压为0 kV。对模型划分网格后即可求解，计算结果的迭代误差不超过0.1%。

图5为高压电极加载10 kV电压时在容弹中心的电场分布状况。可以看到，容弹内部的电场分布沿水平和竖直方向对称。电场强度较高的区域主要集中在高压电极附近，数值约为5.6×105V/m。点火电极附近的电场强度大约为3.1×105V/m。在点火电极和高压电极之间的区域内电场强度相对较低，且比较均匀。经分析模拟结果可知其平均电场强度约为2.0×105V/m。从电场方向的分布可以看出，在两个高压电极之间电力线基本保持在水平方向，左半部分电场方向水平向右，而右半部分电场方向水平向左。加载5 kV电压时，容弹中的电场强度数值的分布状况与图5(a)相似，只是相同位置的数值减小一半，而电场方向与图5(b)相同。

图5 加载电压10 kV时容弹中的电场分布

2.2 高电压作用下的火焰传播状况

图6和图7显示了加载电场下λ为0.8和1.4时混合气燃烧火焰的传播状况。加载0 kV电压(即容弹中没有电场作用)时，点火以后燃烧火焰大致呈圆球形向外扩散发展，水平方向和竖直方向上的火焰传播状况基本一致。加载5 kV电压时，水平方向的火焰传播有所加快，而竖直方向上火焰与没有电场时的状况差别不大，混合气的火焰形状发生一定程度的变化。加载电压升高到10 kV时，水平方向的火焰发展进一步加快，而竖直方向上火焰发展与没有电场时的状况仍然相差不大。在0 kV、5 kV和10 kV电压作用下，λ为1.4时的火焰在12 ms时，水平方向的火焰传播距离分别为16.3、19.1和21.7 mm，而竖直方向的传播距离则分别为16.1、17.1和 16.7 mm。从图中也可看出，高电压下球形膨胀火焰的形状发生较大变化，原来近似圆球形的火焰形状变成了主轴在水平方向上的近似椭圆形。

图6 高电压作用下λ为0.8时不同加载电压及火焰发展 时间下的火焰传播图像

图7 高电压作用下λ为1.4时不同加载电压及火焰发展 时间下的火焰传播图像

根据一般的离子风理论[13]，火焰中的阳离子在其中起主导作用。由于阳离子的受力方向与电场的方向一致，因此电场方向上的火焰发展会由于离子风的促进作用而加快，电场相反方向上的火焰发展则会受到抑制而减慢。在本试验中，从图5可知，高压电极之间电场方向大致指向容弹竖直方向的中心线，与水平方向上的火焰传播基本相反。然而，图6和图7表明高电压下水平方向上的火焰发展不仅没有减慢，反而随电场的增强而加快。

N2(v=0)+e=N2(v=1)+e

(1)

受到激发振动的氮分子通过碰撞可把它的振动能量传递给混合气中别的中性粒子，特别是氧分子，即：

N2(v=1)+O2(v=0)=N2(v=0)+O2(v=1)

(2)

在以上链式化学反应中，v=0和v=1分别代表中性粒子位于基态和激发态。处于激发态的O2可加速下列链分支基元反应：

O2+H=OH+O

(3)

该反应中活性基OH、O的生成量随自由电子运动的增强而提高，由此促进了燃烧化学反应，使得高电压下的火焰传播加快。

为了定量地表示高电压下球形膨胀火焰发展状况，测取了电场促进火焰燃烧最明显的水平方向的火焰传播半径。考虑到容弹中电场的空间分布较复杂，且火焰前锋面呈现圆凸形，测量火焰半径ru时取火焰图片中与容弹中心水平线成0°、±15°、±165°和180°共6个方向上火焰半径(r1、r2、r3、r4、r5、r6)的平均值，如图8所示。为了消除点火能量及燃烧压力和温度的升高对火焰传播的影响，根据球形火焰的相关原理[16]，火焰半径的测量范围控制在 5～25 mm之间。

图8 火焰半径测取示意图

图9表示了高电压作用下λ为0.8和1.4时火焰的传播半径ru随时间的变化关系及其标准偏差，图中各处半径ru的标准偏差的数值不超过0.1。可以看出，电压为0 kV时，ru随时间的变化近似呈线性关系。λ为0.8时的火焰半径发展较快，而λ为1.4时的火焰半径发展相对较慢。本试验中的火焰传播半径与已发表的相关文献的数据基本一致[11]。在高压电极上加载电压时，火焰半径达到25 mm时所用时间缩短，加载电压越大，火焰传播所用时间越短。当加载电压为5 kV和10 kV时，λ为1.4时的火焰半径达到25 mm时所用时间分别为16.8 ms和14.1 ms，比 0 kV 电压下所用时间(21.0 ms)分别缩短了20.0%和32.9%。综上可知，高压电场促进了火焰半径的发展。

图9 高电压作用下火焰半径随时间的发展

根据火焰传播半径，本文中求出了燃烧火焰在火焰传播半径5～25 mm之间的火焰平均速度Sn，其增长率ΔSn为加载电场时的Sn相对于没有电场作用下S0的增长率，即：

Sn=(0.025-0.005)/(t25-t5)

(4)

ΔSn=(Sn-S0)/S0

(5)

式中，t25和t5表示从点火到火焰半径传播到25和 5 mm 时的时间。表1为电场作用下λ为0.8和1.4时混合气的火焰平均速度Sn及其增长率ΔSn。可以看出，在电场作用下，火焰平均速度增大。加载电压越高，火焰平均速度的增加率越大，其中稀燃混合气火焰速度的增加程度最大。加载电压10 kV时，λ为0.8和1.4时的火焰平均速度分别比未加电场时增加了36.4%和49.5%。

表1 高电压作用下的火焰平均速度及其增长率

从火焰形状的变化可以看出，水平方向上的火焰传播加快，加大了火焰前锋向未燃火焰区的弯曲程度，由此增强了火焰传播过程受到的拉伸效应[17]。火焰面的拉伸效应的强弱可用拉伸率来表示，其定义为火焰面上无限小微元面积A的自然对数对时间的导数。根据燃烧学关于火焰拉伸的相关理论[18]，球形膨胀火焰的拉伸率α计算公式为：

(6)

根据试验中火焰的传播状况，计算出高电压作用下火焰拉伸率随传播半径的变化及其标准偏差，如图10所示。图中各处拉伸率的标准偏差均不超过4.5。球形火焰的拉伸率在燃烧初期较大，随着火焰的传播逐渐减小。在没有电场作用时，在半径15 mm处，λ为0.8和1.4时的火焰拉伸率分别为160.2 s-1和128.5 s-1。在高压电场作用下，火焰传播过程中火焰前锋受到的拉伸率增强。在10 kV电压下，在半径15 mm处，λ为0.8和1.4时的火焰拉伸率分别为245.3 s-1和195.1 s-1，相对于没有电场作用时分别增大了53.1%和51.6%。

图10 高电压作用下火焰拉伸率随半径的发展

2.3 高电压作用下燃烧压力的发展

图11显示了高电压作用下λ为0.8和1.4时混合气的燃烧压力随时间的变化。可以看出，点火以后混合气的燃烧过程存在着火滞燃期，在此阶段容弹内的燃烧压力基本保持不变，和初始压力几乎相同。经过滞燃期以后，燃烧压力迅速升高，直至到达压力峰值。随着燃烧过程的进一步发展，燃烧压力开始缓慢降低。在外加电场作用下，混合气燃烧的滞燃期缩短，急燃期的压力升高率增大，且峰值时间tp提前。加载电压越高，燃烧压力的变化越明显。表2给出了高电压作用下λ为0.8和1.4时混合气的燃烧压力峰值(pmax)、峰值时间(tp)及pmax和tp相对于未加电场时的增长率Δpmax和Δtp。可以看出，λ为1.4时混合气的峰值时间的增长率Δtp比λ为0.8时混合气的增长率Δtp相对大一些。同时，λ为1.4时的压力峰值pmax有所提高，而λ为0.8时的pmax几乎没有变化。在加载10 kV电压时，λ为0.8和1.4时混合气的燃烧压力峰值的增长率分别为 -0.4% 和5.1%，而峰值时间分别提前了10.8%和17.2%。

图11 高电压作用下燃烧压力随时间的发展

表2 高电压作用下压力峰值、峰值时间及其增长率

在加载电场作用下火焰的传播发展加快，相同时间内有更多的未燃混合气参与燃烧反应，且效果随着加载电场的增强而更加强烈，火焰燃烧滞燃期缩短，急燃期的压力升高率增大，压力峰值时间提前。而燃烧压力峰值的变化主要取决于火焰的燃烧强度和燃烧过程对外界的散热量[18]，由图6和图7可知，高电压作用下火焰前锋受到额外的拉伸作用，其效果随电场的增强而增大。拉伸效应会影响混合气中各组分的扩散状况，导致扩散速度较大的组分在火焰前锋中的浓度有所提高，由此改变了火焰前锋中燃烧混合气的浓度，从而影响火焰的燃烧强度。在甲烷-空气混合气中，甲烷对氮气的扩散速度大于氧气对氮气的扩散速度，因此拉伸作用将会提高燃烧火焰中甲烷的浓度[18]。在稀燃火焰中，甲烷的浓度相对较低，拉伸作用提高燃烧火焰中甲烷的浓度，将使得火焰燃烧区中的反应物浓度向靠近当量比浓度的方向变化，使得火焰的燃烧化学反应更剧烈，增强火焰的燃烧强度。同时，火焰传播速度的加快减少了燃烧过程的对外散热。因此电场作用下，稀燃混合气的压力峰值有一定程度的提高。对于浓燃混合气，火焰中甲烷的浓度相对较高。拉伸作用进一步提高燃烧反应区中甲烷的浓度，导致火焰前锋中反应物的浓度进一步偏离当量比浓度，减弱火焰的燃烧强度，同时火焰传播速度的加快减少了燃烧过程的对外散热。二者共同作用，使浓燃混合气的压力峰值变化不大。

3 结论

(1) 在加载电场作用下，球形膨胀火焰在电场相反方向上的火焰传播加快，火焰传播半径和平均火焰速度随外加电场的增强而增大，同时火焰前锋在发展过程中受到的拉伸效应增强。加载10 kV电压时，λ为0.8和1.4时混合气的火焰平均传播速度比没有电场作用时分别增加了36.4%和49.5%。

(2) 在加载电场作用下，混合气的燃烧过程加快，结合火焰前锋受到的拉伸作用，使得甲烷空气混合气燃烧压力的峰值时间提前，稀燃混合气的压力峰值增大，而浓燃混合气的压力峰值变化不大。加载10 kV电压时，λ为0.8和1.4时混合气的压力峰值时间比没有电场作用时分别提前了10.8%和17.2%，而λ为0.8时混合气的压力峰值基本不变，λ为1.4时混合气的压力峰值升高了5.1%。