DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.034

40 Hz低频交流电场对甲烷/空气稀燃火焰的影响

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)

摘要：为研究不同电压有效值的低频交流电场对预混稀燃火焰的影响，在40 Hz交流电压作用下，对常温、常压下定容燃烧弹中过量空气系数λ为1.2，1.4和1.6时的甲烷/空气火焰的传播特性和燃烧压力进行研究。研究结果表明：混合气越稀，火焰在电场中传播的时间越长，电场对火焰的作用效果越明显；40 Hz交流电压作用下，火焰均在水平方向被拉伸，且拉伸的程度与电压有效值正相关，平均火焰传播速度和燃烧压力随着电压有效值的增大而增大；与未加载电压相比，当过量空气系数λ=1.6，电压有效值U为1，2，3，4和5 kV时，平均火焰传播速度分别提高17.24%，32.76%，46.55%，55.17%和74.14%，相对燃烧压力增大率的最大值分别为0.19，0.24，0.36，0.49和0.65。

关键词：低频交流电场；电压有效值；定容燃烧弹；火焰传播特性；燃烧压力

中图分类号：TK431       文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)01-0255-07

Effects of low-frequency alternating electric fields at frequency of 40 Hz on lean methane/air flames

CUI Yuchen¹, DUAN Hao¹, ZHANG Cong¹, WU Xiaomin^{1, 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)

Abstract: An experiment was conducted under a lean combustion conduction to investigate the influences of low-frequency alternating electric fields of different voltage virtual values on the flame propagation and combustion characteristics of premixed CH₄/air mixtures at the excess air ratio(λ) of 1.2, 1.4 and 1.6, room temperature and atmospheric pressure. The results show that the effect of electric field on the flame is greater when the mixture is diluted. The flame is stretched in the horizontal when low-frequency alternating electric field at the frequency of 40 Hz is applied in the electrodes and the flame is stretched more severely when the voltage virtual value increases. Both the average flame propagation speed and the combustion pressure increase as the voltage virtual value increases. Compared with those without the applied voltage, when the excess air ratio is 1.6, the average flame propagation speeds at the voltage virtual value of 1, 2, 3, 4 and 5 kV increase by 17.24%, 32.76%, 46.55%, 55.17% and 74.14%; the maxima of the increasing rate of relative combustion pressure are 0.19, 0.24, 0.36, 0.49 and 0.65, respectively.

Key words: low-frequency alternating electric field; voltage virtual value; constant volume combustion bomb; flame propagation characteristics; combustion pressure

随着环境污染和能源短缺问题的日益加剧，天然气作为清洁替代能源已经在汽车发动机上得到广泛应用，但扼制天然气发动机经济性能提升的一大瓶颈就是天然气在稀燃条件下存在着火延迟、燃烧速率低和稳定性差等缺点，而电场辅助燃烧这一新型燃烧技术，已被证实可以提高火焰传播速度^[1-3]、增强火焰稳定性^[4-6]和减少碳烟排放^[7-8]，这对于缓解当前能源危机有着重要的意义。对直流电场辅助燃烧的研究已经持续了将近1个世纪，对其机理的研究也相对成熟，而相比之下，对交流电场辅助燃烧的研究相对甚少。近年来，国内外的一些学者对交流电场辅助燃烧的机理展开了研究，并取得了一定的进展。WON等^[9-10]用实验的方法对比了直流和交流电场对丙烷层流同轴射流火焰的稳定性和火焰传播速率的影响，结果表明交流电场在扩展火焰稳定极限上比直流电场更有优势，同时他们还发现同轴射流火焰的传播速率的增强效果与电场强度有很好的相关性。KIM等^[11]研究了交流电场频率对丙烷空气喷焰稳定特征参数抬升和吹熄速率的影响，结果表明交流电场可以扩展火焰稳定区域。ZHANG等^[12]研究了高频交流电场(f=10 kHz，U=0~4 kV)对非预混甲烷空气喷焰燃烧行为和NO排放的影响，认为引起火焰行为对高频电压非线性响应的原因是热效应、离子风效应和电化学效应竞争的结果。以上的研究基本都集中在驻定火焰，很少涉及电场对诸如发动机中一类非驻定火焰的影响。为了检验电场辅助燃烧技术对天然气发动机经济性的影响，本文作者将内燃机工作理想成均质反应物的预混燃烧，将燃烧过程简化为等容加热循环，对简化后的发动机建立了理想状况下的定容燃烧弹模型，通过大量的实验，研究不同电压有效值的低频流电场(f=40 Hz)对甲烷/空气预混稀燃火焰的火焰形状、火焰传播速度和燃烧压力的影响。

1  实验装置和方法

本文中的实验装置如图1所示，主要由定容燃烧弹系统、配气系统、点火系统、高速摄像及纹影光路系统、数据采集系统和高压电供给系统组成。

定容燃烧弹是由45号钢加工而成的正方体，其内腔是内径×长度为113 mm×130 mm的圆柱体。容弹内腔是布置有厚度为8.5 mm的聚四氟乙烯绝缘套，避免高压电极和容弹发生高压放电。容弹前后两侧装有直径为170 mm、厚度为30 mm的高抗冲石英玻璃为纹影成像提供光学通路，石英玻璃与容弹之间利用O型橡胶圈密封。容弹上下表面中心竖直方向对称分布着1对外裹聚四氟乙烯的针状点火电极，2点火电极的直径和间距都为2 mm，点火电极在点火完成后充当地极。高压电极是直径为60 mm的网状电极，其材料为45号钢，两网状电极对称地安装在定容燃烧弹的两侧左右面的中心处，距点火电极水平距离为35 mm。电极结构及其在容弹中的安装位置如图2所示。

低频交流电源的型号为Hv20 kV/10~200 Hz，频率范围为10~200 Hz，功率范围为0~10 W，输出电压变化为±10%；数据采集系统由压力传感器、电荷放大器和数据采集仪组成；压力传感器是型号为Kistler 4075A10的压电式低压绝对压力传感器，用于采集燃烧过程中容弹内的燃烧压力，测量范围为0~25 MPa，相对误差为±0.5%；电荷放大器的型号为Kistler 4618A型，与压力传感器匹配校准，用于放大压力传感器接收的信号；数据采集仪为日本YOKOGAMA公司研制的DL750动态测试仪，采样频率为10 kHz；高速摄像机为美国Redlake公司生产的HG-100K，用于记录火焰的传播过程，拍摄速度为5 000帧/s。

图1  实验装置图

Fig. 1  Schematic of experimental setup

图2  电极和定容燃烧弹结构

Fig. 2  Structure of electrodes and constant volume combustion chamber

实验在常温、常压下进行，向容弹中配置过量空气系数λ为1.2，1.4和1.6的甲烷/空气混合气，静置2 min使其混合均匀，与此同时向网状电极分别施加电压有效值U为1，2，3，4和5 kV，频率f=40 Hz的低频交流电压。点火同时触发高速摄像机和压力传感器，得到火焰传播图像和燃烧压力曲线。燃烧后的废气由真空泵抽出，并用新鲜空气冲洗容弹至少2次以上，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  结果和分析

2.1  电场数值模拟结果

利用Maxwell14.0软件对网状电极在加载低频交流电压后形成的空间电场分布进行数值模拟。模拟时，点火电极接地，在网状电极上加载频率f=40 Hz，有效值U=5 kV的低频交流电压，取电压波峰和波谷在容弹中心处的纵向截面云图进行分析，数值模拟结果如图3所示。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3可以看出：无论是电压波峰还是电压波谷，网状电极间的电场方向均近似水平，而两者的方向正好相反，波峰和波谷处对应容弹空间电场分布几乎完全相同，水平方向上的电场强度E为4.0×10⁴~3.4×10⁵ V/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，电场强度E先逐渐减小后增大。

图3  U=5 kV时电压波峰和波谷的电场数值模拟结果

Fig. 3  Electric field distributions of peak and trough of alternating voltage at U=5 kV

2.2  火焰传播图像

由图3可知：低频交流电场作用的电场方向主要在水平方向，竖直方向上火焰发展受电场影响较小，因此，本文只讨论火焰在水平方向上的发展情况。

图4所示为当频率f=40 Hz且过量空气系数λ为1.2，1.4和1.6时不同电压有效值下的火焰传播图像。从图4可以看出：未加载电压时，火焰呈准球形由已燃区向未燃区传播，且混合气越稀，火焰传播得越慢；加载交流电压后，火焰均在水平方向上被拉伸，且混合气越稀，拉伸现象越明显，例如在电场作用下，λ=1.6的火焰几乎被拉成长条形，而λ=1.2的火焰拉伸相对轻微，几乎仍呈球形；当过量空气系数一定时，电压有效值越大，火焰在水平方向被拉伸的幅度越大。例如λ=1.6，U=5 kV时，火焰几乎被拉扁。

图4  f=40 Hz且λ为1.2，1.4和1.6时不同电压有效值下的火焰传播图像

Fig. 4  Typical flame propagation images of different voltage virtual values at f=40 Hz, λ=1.2, 1.4 and 1.6

交流电场对火焰的影响主要通过如下3种方式：热效应、电化学效应和离子风效应^[12]。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，由于本实验中火焰中的电流很小，因此，可以不考虑热效应对燃烧的影响。电化学效应是指火焰中大量离子和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，从而通过改变燃烧过程中的某些化学反应来促进火焰的发展^[12-13]。由于目前广泛认为电化学效应主要作用于高频交流电场中当电压有效值较高时，而低频交流电场较小的频率使得有限的碰撞难以产生大量活化基，因而电化学效应对火焰的影响不大^{[12, 14]}。低频交流电场作用下的离子风效应是一种双离子风效应^[14]，是指加载电压后形成了方向在点火电极和网状电极之间交替变化的电场，在此电场的作用下，大量正负离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，从而促进火焰的横向发展。离子风效应与高压电极加载的电压幅值正相关，换言之，火焰横向受到促进的程度随着加载电压幅值的增大而增大，因此，当加载的交流电压有效值越大时，离子风效应越强，对火焰的促进作用越明显。

2.3  火焰传播距离和火焰传播速度

2.3.1  火焰传播距离

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的确定方式如图5所示。本文研究的火焰传播距离L的范围是6~25 mm，因为当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^[15]。

图5  火焰传播距离示意图

Fig. 5  Diagram of flame spread distance

图6所示为当f=40 Hz且λ=1.6时不同电压有效值下的火焰传播距离随时间的变化。从图6可以看出：无论是否加载电压，火焰传播距离L随时间t近乎呈线性增加，而L-t曲线的斜率在未加载电压时最小，加载电压后，曲线的斜率随着电压有效值的增大依次增大。

表1所示为当f=40 Hz且λ为1.2，1.4和1.6时不同电压有效值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△t₂₅。从表1可以看出：当λ=1.2时，未加电压的t₂₅=16.2 ms，若交流电压频率f≤30 Hz，则电场方向在火焰传播到25 mm之前一直保持不变，其对火焰的作用类似于直流电场的作用，没有研究意义，因此，本文中选取交流电频率f=40 Hz。加载电压后的火焰传播时间比未加电压时的要明显缩短，且当过量空气系数一定时，电压有效值越大，时间缩短的程度越大，例如当λ=1.6，U=5 kV时，△t₂₅达43.39%，远比该过量空气系数下其他电压作用下的缩短程度大。当电压有效值一定时，混合气越稀，t₂₅和△t₂₅均越大，此时火焰发展所用时间越长，电场对火焰的促进作用越明显。

图6  f=40 Hz且λ=1.6时不同电压有效值下的火焰传播距离随时间的变化

Fig. 6  Flame spread distance versus combustion time of different voltage virtual values at f=40 Hz and λ=1.6

表1  f=40 Hz且λ为1.2，1.4和1.6时不同电压有效值下的t₂₅及其缩短比率Δt₂₅

Table 1  Corresponding times when flame radius increases to 25 mm and their shortening rates at f=40 Hz, λ=1.2, 1.4 and 1.6

2.3.2  火焰传播速度

火焰传播速度v_L定义为水平方向上的火焰前锋面相对于静止的容弹壁面的运动速度，即

                 (1)

式中：L为火焰在水平方向上的传播距离；t为火焰传播时间。

图7所示为当f=40 Hz且λ=1.6时不同电压有效值下的火焰传播速度随火焰传播距离的变化。从图7可以看出：加载电压后的火焰传播速度有了较大幅度的提高，且电压有效值越大，提高的幅度越大，这是由于离子风效应与高压电极加载的电压幅值正相关，加载的电压有效值越大，离子风效应越强，对火焰的促进作用越明显。

图7  f=40 Hz且λ=1.6时不同电压有效值下的火焰传播速度随火焰传播距离的变化

Fig. 7  Flame propagation speed versus flame spread distance of different voltage virtual values at f=40 Hz and λ=1.6

图8所示为当f=40 Hz且λ为1.2，1.4和1.6时的平均火焰传播速度随交流电压有效值的变化。从图8可以看出：加载电压后的平均火焰传播速度与未加载电压时的相比有较大幅度提高，特别是电压有效值越大，提高的幅度越大。当电压有效值一定时，混合气越稀，平均火焰传播速度越小。

表2所示为当f=40 Hz且λ为1.2，1.4和1.6时不同电压有效值下的平均火焰传播速度及其相比于未加载电压时的增大程度△。从表2可以看出：加载电压后的平均火焰传播速度与未加载电压时的相比有了明显提高，且电压有效值越大，提高的幅度越明显，这种规律在混合气越稀时尤为明显，例如当U=5 kV，λ为1.2，1.4和1.6时，△分别为32.39%，61.63%和74.14%，由表1可知：混合气越稀，火焰在电场中传播的时间越长，电场对火焰的影响越大。

2.4  燃烧压力

为了更好地比较不同电压有效值的低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相对燃烧压力增大率，其定义为

                (2)

式中：p为加载低频交流电压后的瞬时燃烧压力；p₀为未加载电压时的瞬时燃烧压力。

图8  f=40 Hz且λ为1.2，1.4和1.6时的平均火焰传播速度随交流电压有效值的变化

Fig. 8  Average flame propagation speeds versus voltage virtual values at f=40 Hz, λ=1.2, 1.4 and 1.6

表2  f=40 Hz且λ为1.2，1.4和1.6时的平均火焰传播速度及其增大率

Table 2  Average flame propagation speeds and their increasing rates at f=40 Hz, λ=1.2, 1.4 and 1.6

图9所示为当f=40 Hz且λ=1.6时不同电压有效值下的相对燃烧压力增大率随时间的变化。从图9可以看出：加载交流电压后的燃烧压力与未加载电压时的相比有了较大幅度提高，且电压有效值越大，压力增加的幅度越大，峰值出现时间也提前得越多，由此可见，低频交流电场对火焰燃烧有一定的促进作用，且电压有效值越大，促进的效果越明显。从图9还可以看出：相对燃烧压力增大率随时间t呈现出先增大后减小的趋势。这主要是因为燃烧初期，容弹内的燃料相对充足，电场对火焰传播的促进作用明显；随着燃烧的进行，容弹内的燃料逐渐被消耗，电场对火焰的促进作用没有比开始时明显，又由于容弹内壁等的传热，火焰燃烧压力增势逐渐降低。

图9  f=40 Hz且λ=1.6时不同电压有效值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 voltage virtual values at f=40 Hz and λ=1.6

表3所示为当f=40 Hz且λ为1.2，1.4和1.6时不同电压有效值下的相对燃烧压力增大率的最大值及其出现时间t_max。从表3可以看出：当过量空气系数一定时，随着电压有效值的增大，越大，t_max越小，由此可见，电压有效值越大，火焰传播受到的促进作用越大；当电压有效值一定时，随过量空气系数的增大而增大，例如当U=5 kV，λ为1.2，1.4和1.6时，分别为0.44，0.56和0.65。由此可见，混合气越稀，电场对火焰燃烧压力的影响越明显。

表3  f=40 Hz且λ为1.2，1.4和1.6时的相对燃烧压力增大率的最大值φ_max及其出现时间t_max

Table 3  Maxima of increasing rate of relative combustion pressure and their appearance times at f=40 Hz, λ=1.2, 1.4 and 1.6

3  结论

1) 在40 Hz交流电压作用下，火焰在水平方向得到拉伸，拉伸程度随着电压有效值的增大而增大。当电压有效值一定时，混合气越稀，火焰拉伸越明显。

2) 在40 Hz交流电压作用下，火焰传播速度和燃烧压力与未加载电压时的相比均有所提高，且电压有效值越大，提高的幅度越大。与未加载电压相比，当过量空气系数λ=1.6，电压有效值U为1，2，3，4和5 kV时，平均火焰传播速度分别提高17.24%，32.76%，46.55%，55.17%和74.14%，相对燃烧压力增大率的最大值分别为0.19，0.24，0.36，0.49和0.65。

3) 混合气越稀，火焰在电场中停留的时间越长，电场对火焰的促进作用越明显。与未加载电压相比，当频率f=40 Hz，电压有效值U=5 kV，过量空气系数λ为1.2，1.4和1.6时，平均火焰传播速度分别提高32.39%，61.63%和74.14%，相对燃烧压力增大率的最大值分别为0.44，0.56和0.65。

参考文献：

[1] VOLKOV E N, KORNILOV V N, GOEY L P H. Experimental evaluation of DC electric field effect on the thermoacoustic behavior of flat premixed flames[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2013, 34(1): 955-962.

[2] VEGA E V, LEE K Y. An experimental study on laminar CH₄/O₂/N₂ premixed flames under an electric field[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2008, 22(2): 312-319.

[3] VAN DEN BOOM J D B J, KONNOV A A, VERHASSELT A M H H, et al. The effect of a DC electric field on the laminar burning velocity of premixed methane/air flames[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(1): 1237-1244.

[4] ALTENDORFNER F, SAKHRIEH A, BEYRAU F, et al. Electric field effects on emissions and flame stability with optimized electric field geometry[C]// Proceedings of the European Combustion Meeting (ECM). Chania, Greece: Combustion Institute Greek Section, 2007: 371-379.

[5] BELHI M, DOMONGO P, VERVISCH P. Effect of electric field on flame stability[C]// Proceedings of the European Combustion Meeting. Vienna, Australia, 2009: 1-6.

[6] CESSOU A, VAREA E, CRINER K, et al. Simultaneous measurements of OH, mixture fraction and velocity fields to investigate flame stabilization enhancement by electric field[J]. Experiments in Fluids, 2012, 52(4): 905-917.

[7] PARK D G, CHOI B C, CHA M S, et al. Soot reduction under DC electric fields in counterflow non-premixed laminar ethylene flames[J]. Combustion Science and Technology, 2014, 186(4/5): 644-656.

[8] WANG Y, NATHAN G J, ALWAHABI Z, et al. Effect of a uniform electric field on soot in laminar premixed ethylene/air flames[J]. Combust Flame, 2010, 157(7): 1308-1315.

[9] WON S H, CHA M S, PARK C S, et al. Effect of electric fields on reattachment and propagation speed of tribrachial flames in laminar coflow jets[J]. Proc Combust Inst, 2007, 31(1): 963-970.

[10] WON S H, RYU S K, KIM M K, et al. Effect of electric fields on the propagation speed of tribrachial flames in coflow jets[J]. Combust and Flame, 2008, 152(4): 496-506.

[11] KIM M K, RYU S K, WON S H, et al. Electric fields effect on liftoff and blowoff of nonpremixed laminar jet flames in a coflow[J]. Combust Flame, 2010, 157(1): 17-24.

[12] ZHANG Y, WU Y, YANG H, et al. Effect of high-frequency alternating electric fields on the behavior and nitric oxide emission of laminar non-premixed flames[J]. Fuel, 2013, 109: 350-355.

[13] SUN W, UDDI M, WON S H, et al. Kinetic effects of non-equilibrium plasma-assisted methane oxidation on diffusion flame extinction limits[J]. Combust Flame, 2012, 159(1): 221-229.

[14] KIM M K, CHUNG S H, KIM H H. Effect of electric fields on the stabilization of premixed laminar Bunsen flames at low AC frequency: bi-ionic wind effect[J]. Combust Flame, 2012, 159(3): 1151-1159.

[15] MENG X W, WU X M, LIU J, et al. Effects of direct-current (DC) electric fields on flame propagation and combustion characteristics of lean premixed CH₄/O₂/N₂ flames[C]// SAE Technical Paper, 2013: 2013-01-0309.

(编辑  杨幼平)

收稿日期：2016-01-18；修回日期：2016-03-03

基金项目(Foundation item)：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) (Projects(51176150, 51476126) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(KF14122) supported by Open-end Fund of State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy of Tsinghua University)

通信作者：吴筱敏，教授，博士生导师，从事发动机工作过程，燃烧与电场，燃烧测量和控制等研究；E-mail: xmwu@mail.xjtu.edu.cn