郭宏展,姜根柱

(江蘇科技大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇省 鎮(zhèn)江市 212100)

0 引言

飛速發(fā)展的科技和不斷加快的經(jīng)濟全球化使能源問題日益突出。能源短缺、現(xiàn)有燃料使用效率不高、排放的污染物過多都是導(dǎo)致環(huán)境惡化的原因。提高現(xiàn)有能源利用效率、開發(fā)可替代的清潔能源是當前的研究重點。電場助燃、等離子體助燃等新型燃燒技術(shù)在近些年逐步走進大眾視野[1-3]。第一批研究火焰導(dǎo)電性的學(xué)者指出,在燃燒過程中,火焰中不僅產(chǎn)生自由離子,也產(chǎn)生自由電子,所以利用電磁場可從火焰的外部來影響燃燒。近代有關(guān)研究顯示,電場的加入可使燃料燃燒的效率得到提升,且污染物的排放也會得到有效減少。因此,深入研究分析電場輔助燃燒技術(shù),對于應(yīng)對能源問題具有重要意義。

電場輔助燃燒是利用電場與燃燒火焰產(chǎn)生的流場進行耦合的方法,使燃料的燃燒火焰特性(如火焰穩(wěn)定性、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑷紵a(chǎn)生的污染物數(shù)量[4-8]等)出現(xiàn)變化,而這些與施加的電場形式、強度和施加方式等又有關(guān)。1951年,文獻[9]研究了在縱向電場條件下Bunsen火焰的特性,發(fā)現(xiàn)電場對Bunsen火焰的穩(wěn)定性影響強烈。同時文獻[9]建立了正離子與環(huán)境空氣動量轉(zhuǎn)移的力學(xué)模型,從而定性解釋了多數(shù)實驗結(jié)果。所以電場輔助燃燒已成為提高燃燒效率的不可忽視的一種方法;但在實際燃燒系統(tǒng)中添加電場之前,需對電場中火焰的燃燒行為進行詳細研究和理解。為此,首先要了解電場的加入使火焰加速燃燒的原因,并通過實驗和建模來表征火焰結(jié)構(gòu)和其他火焰特性,以遍從化學(xué)動力學(xué)和物理學(xué)的角度更好地理解實驗現(xiàn)象。

當前最令人信服的解釋電場能輔助燃燒的一種說法是離子風效應(yīng)。當火焰與外部施加的電場發(fā)生接觸時,由于電場的作用,電荷載流子被分離并朝著相應(yīng)的電極加速。電子和負離子移向陽極(高電位電極),而正離子沿著電場線向陰極(低電位電極)移動,并可能與混合氣體中的中性分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生自由基。而火焰中濃度較高、質(zhì)量較大的帶電離子,可將自身運動的動量和動能傳遞給與之碰撞的中性粒子,加速中性粒子的運動,這會產(chǎn)生近似電場方向的粒子大規(guī)模遷移運動[10-11]。

離子風效應(yīng)可使火焰面積改變,并挾帶一點空氣,所以火焰的穩(wěn)定性會有所變化。只要四周的火焰面發(fā)生彎曲,就會增大向它們的傳熱。電場下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾邮怯捎诨鹧驿h面內(nèi)電子溫度的上升,而電子溫度的上升減少了電子的附著率,這會使電子的濃度和系統(tǒng)中電子組分的化學(xué)活性增加。文獻[12]在研究火焰中等離子體行為時,發(fā)現(xiàn)電場的存在會使火焰產(chǎn)生離子風效應(yīng),離子風效應(yīng)可大大提高火焰的穩(wěn)定性。

由于一般火焰區(qū)產(chǎn)生的離子都是正離子,所以早期的離子風效應(yīng)認為火焰反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的都是正離子,正離子會使整體的離子風在電場作用下單向地往陰極方向移動。文獻[13]通過滯止火焰法,并使用粒子圖像測速的方法使離子風變得可視化;通過實驗觀察到火焰位于流動停滯平面時,原始流場在火焰附近分離,從而導(dǎo)致雙停滯流動,這個現(xiàn)象說明了離子風實際上是負離子吹向陽極、正離子吹向陰極的雙向運動。但由于電場力的作用,火焰會被拉向陰極。

綜上所述,電場作為一種外部干擾因素,對火焰燃燒特性具有重要影響。本文總結(jié)前人的研究成果,從多方面詳細分析其影響方式。首先,總結(jié)不同數(shù)值模型對電場的影響;其次,描述電場橫向、豎向等分布形式對火焰的影響情況;最后,分析電場類型、頻率和強度等施加類型對火焰的影響。了解電場如何影響火焰的燃燒有助于優(yōu)化燃燒過程,提高能源利用效率,減少環(huán)境污染,推動更高效的火焰控制技術(shù)開發(fā)。

1 電場下預(yù)混火焰的數(shù)值分析

電場輔助燃燒實驗中,最重要的是知曉實驗數(shù)據(jù)是否準確。理論分析法的優(yōu)點是所得結(jié)果具有普遍性,各種影響因素清晰可見,是指導(dǎo)實驗研究和驗證新的數(shù)值計算方法的理論基礎(chǔ)?？上韧ㄟ^數(shù)值仿真來預(yù)測數(shù)值的合理范圍[14];但它往往需要對計算對象進行抽象和簡化,才有可能得到理論解。實驗測量方法所得的實驗結(jié)果真實可靠,是理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。然而,實驗往往受模型尺寸、流體擾動和測量精度的限制,有時可能很難通過實驗方法得到結(jié)果。而數(shù)值模擬恰好可克服前2種方法的弱點,在計算機上進行特定的計算與在計算機上做實驗一樣,通過數(shù)值模擬計算可得到流場、溫度場及壓力場的分布情況。

1.1 相關(guān)理論及其問題

關(guān)于電場對火焰產(chǎn)生影響的主流理論是離子風效應(yīng)?；鹧驿h面在電場作用下,化學(xué)離子化產(chǎn)生的離子加速分離,離子在加速和運動過程中與中性粒子發(fā)生碰撞,從而發(fā)生了能量傳遞,周而復(fù)始的碰撞使大量中性粒子發(fā)生定向的位置偏移,這種現(xiàn)象稱為離子風。本生火焰在電場作用下所產(chǎn)生的變化如圖1所示[15],可見,在電場作用下火焰中的正離子和負離子分別朝著電場的負極和正極移動。

離子風效應(yīng)是基于駐點火焰得出來的結(jié)果,并沒有考慮空間上火焰?zhèn)鞑嶒灲Y(jié)果的影響。在空間時,火焰內(nèi)的粒子和中子的碰撞并不能像駐點火焰那樣隨時間的積累會達到平衡點。所以,離子風效應(yīng)對于傳播火焰的作用相比于駐點火焰,其作用更小。

初始離子濃度對電場下火焰特性的影響也被多位學(xué)者所研究。文獻[16]的研究表明,火焰中離子濃度的摩爾分數(shù)在10-9～10-7量級。文獻[17]通過數(shù)值模擬方法對電場下火焰中的離子濃度進行了研究。數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn):外加電場0～0.9kV/cm時對應(yīng)離子未飽和區(qū);0.9～1.2kV/cm 對應(yīng)離子飽和區(qū);1.2kV/cm以上對應(yīng)離子過飽和區(qū)。文獻[18]采用數(shù)值模擬方法研究了燃燒過程中火焰區(qū)附近形成離子的變化規(guī)律。通過計算,火焰區(qū)離子濃度最高約為10-7量級。外加電場會使離子從火焰溫度較高的區(qū)域轉(zhuǎn)移向溫度較低的區(qū)域,這時離子對反應(yīng)的影響較大。這時的離子風效應(yīng)雖然可改變火焰面位置和形狀,但對化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的影響較弱。所以離子風效應(yīng)還存在著很多不足,需開發(fā)更加完善的數(shù)值模擬模型來研究電場對火焰的影響。

1.2 數(shù)值研究方法及其模型

計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示,對包含有流體流動、熱傳導(dǎo)和燃料燃燒等相關(guān)現(xiàn)象的系統(tǒng)進行分析。CFD也可看作流體基本方程(質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程)控制下對流動的數(shù)值模擬。通過這種數(shù)值模擬,可求解極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各位置上的基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)分布。數(shù)值模擬的總體工作過程如圖2表示。

圖2 數(shù)值模擬的一般過程圖Fig.2 General process diagram of numerical simulation

1.2.1 一維模型

一維數(shù)值模擬在研究電場通過作用于火焰中存在的離子來增強燃燒的能力時具有建模簡單、模擬準確的優(yōu)點。使用一維模型來驗證這種現(xiàn)象時,所需花費的時間往往比二維和三維模型要少。

最初是由ZELDOVICH 等人開發(fā)的兩步鏈支化化學(xué)模型改善了一步模型[19]。DOLD 等人在后來的研究中修改了自由基的重組步驟,使鏈支化反應(yīng)在一個交叉溫度下可保持穩(wěn)定[20-21]。鏈支化反應(yīng)通常位于火焰的高溫區(qū)域,反應(yīng)的中間物種或化學(xué)自由基在該細鏈分支區(qū)域的上游和下游擴散,并通過非常放熱的鏈終止反應(yīng)。SHARPE等人認為DOLD等人優(yōu)化過后的兩步動力學(xué)模型比單步模型更好,這種模型在描述碳氫化合物和氫火焰時更加準確和真實[22]。

文獻[23]合并了2個附加反應(yīng)來說明帶電物種的產(chǎn)生和消耗,從而補充了DOLD提出的模型。表1給出了文獻[23]用于模擬預(yù)混火焰中電場影響的反應(yīng)公式,其中:F為燃料;Z為中性自由基;M 為觸發(fā)反應(yīng)所需的任何分子,但在反應(yīng)中不會發(fā)生變化;P為反應(yīng)產(chǎn)物;qi(i=Ⅱ,Ⅳ)為反應(yīng)熱;Z+為正離子自由基;e-為電子;Ωi(i=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)為與溫度無關(guān)的完全反應(yīng)速率;Αi(i=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)為速率常數(shù);ρ為混合密度;WF、WZ、WZ+、We-為相應(yīng)分子量為平均分子量;Y′Z、Y′F、Y′Z+、Y′e為相應(yīng)質(zhì)量分數(shù);Ei(i=Ⅰ,Ⅲ)為活化能;R為通用氣體常數(shù);T為溫度。反應(yīng)I和Ⅱ分別復(fù)制了DOLD提出的模型;而反應(yīng)Ⅲ和Ⅳ分別模擬了CALCOTE等人提出的理論,并用于多個數(shù)值研究的化學(xué)離子化和解離重組[24-26]。

表1 文獻[23]使用的鏈支化、化學(xué)電離和離解復(fù)合反應(yīng)Table 1 Chain branching,chemical ionization and dissociation complex reactions used by Reference [23]

文獻[22]的一維仿真結(jié)果表明,外部電場(電場強度為E)的施加使薄鏈支化層周圍質(zhì)子和電子的分布發(fā)生了一些變化,這個變化讓放熱的速率增加,并使火焰速度也隨之變化。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是:電場的溫度高到可克服反應(yīng)Ⅲ的活化能時,正電場則可促進電子在火焰的寒冷區(qū)域中進行積累,并且電子通過反應(yīng)Ⅳ與質(zhì)子反應(yīng)的可用性也得到了增加;當E<0時,觀察到相反的效果。

一維模型并不能進行定量預(yù)測,只能更好地認知一些現(xiàn)象。仿真中添加一些比如熱膨脹、流體動力學(xué)或化學(xué)動力學(xué)這些原理,是減少建模工作量、搭建抽象模型的基礎(chǔ)。

1.2.2 二維模型

二維數(shù)值模擬具有網(wǎng)格少、計算速度快等優(yōu)點,學(xué)者們對燃燒的機制數(shù)值模擬研究大多集中在二維模擬。二維模擬相比于一維模擬所考慮的東西會多一些,但二維模擬也會為提高計算效率而做一些簡化。比如在搭建二維模型時,對于火焰鋒面能量源項的添加,會采用不區(qū)分物種統(tǒng)一添加的簡化方法,模擬電場力和電磁場能對火焰鋒面內(nèi)離子的影響。

二維數(shù)值模擬中的氣動效應(yīng)和熱效應(yīng)的模擬一般通過用戶自定義函數(shù)(user-defined function,UDF)實現(xiàn),向Navier-Stokes(N-S)方程中的特定粒子添加x方向的動力源項是最常見的方法。N-S沿x方向動量守恒方程的一般式為

式中Fconst為交變體積力的有效值。當模擬交流電時,其表達式為

式中ω為交流頻率。而外加電場對動量守恒方程的影響通常涉及電場力的引入,當外加電場方式改變時,動量守恒方程中會引入電場作用的源項,此時其動量守恒方程將轉(zhuǎn)化為

式中ρE表示電場力對流體動量的貢獻,用于描述外加電場對流體運動的影響。這使動量守恒方程更全面地考慮了電場作用下的流體運動行為。

電磁熱效應(yīng)則是通過向N-S方程中特定粒子添加能量源項實現(xiàn)。N-S方程的能量守恒方程的一般式為

式中:r為位置矢量;f(r)表示位置r上的能量源項。

當外加電場方式改變時,能量守恒方程中的源項會隨之改變。在電磁場作用下,電場對流體中電荷的運動產(chǎn)生影響,因此能量守恒方程中會引入電場作用的源項,此時能量守恒方程將變?yōu)?/p>

式中Φe表示電磁場作用導(dǎo)致的耗散率,用于描述電場對流體能量守恒的影響。這使能量守恒方程更全面地考慮了電磁場作用下的能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程。

文獻[27]在搭建電場對于火焰影響的二維模型時簡化了一些所要考慮的條件。在所建立的模型中,離子與電子的運輸方程不同時考慮,且認為電場是個理想的穩(wěn)定電場;文獻[28]研究了離子擴散與粒子遷移對于離子風的影響,在搭建模型時簡化了一些條件,使火焰可在出口處保持穩(wěn)定。

文獻[29]為驗證已有的實驗結(jié)論,分別搭建了幾個二維模型,結(jié)果表明:如果僅考慮化學(xué)動力學(xué)的影響,火焰中的離子密度最后會趨于穩(wěn)定;如果僅考慮離子風的影響,那么離子風的存在使火焰的穩(wěn)定性得到了提升。這與之前的實驗結(jié)論吻合。

電場下離子和粒子的遷移對于電場對火焰的作用有重要影響,需要全部考慮。大多數(shù)的數(shù)值模擬所使用的恒定值假設(shè),以及混合物成分和溫度關(guān)系的建立需要改進;負離子影響的仿真建模還有待進一步開發(fā)和研究,尤其是在施加反向電位時。

1.2.3 三維模型

盡管一維與二維模型對電場下火焰的現(xiàn)象可提供定性的物理與化學(xué)上的解釋,但火焰燃燒過程中的一些電子遷移過程和電離現(xiàn)象的作用還未搭建完整的模型來說明。特別是,在負電荷的作用下火焰的現(xiàn)象模擬還需進一步研究。三維模型可使火焰對電場的響應(yīng)更加清楚地呈現(xiàn),但這需要高質(zhì)量的電子遷移和化學(xué)模型來準確預(yù)測電子和相關(guān)離子的空間分布[30-31]。三維模型的問題在于計算量巨大、計算效率低下,如果考慮到電子漂移速度,將會進一步增加計算機負擔[32],所以對于三維模型中某些化學(xué)影響的簡化是必須的[33]。比如多維問題中對多組分輸運系數(shù)的準確描述是困難的,使用恒定的Lewis數(shù)是一種提高計算效率的選擇。文獻[34-36]通過使用團隊在過去幾年中開發(fā)的模型框架,研究搭建了橫向電場下甲烷-空氣的完整非穩(wěn)態(tài)三維火焰響應(yīng)模型。該模型完整模擬了離子風效應(yīng)并對其進行了證明;并將之前搭建的模型整合在一起,將電場方面、電動勢產(chǎn)生的流體動力學(xué)影響、歐姆加熱產(chǎn)生的影響、物質(zhì)擴散的影響及電子和離子的遷移等多種因素都考慮在內(nèi)。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致,這對于改善電離機制非常有用。實驗與模型預(yù)測之間仍存在一些差異,機制還需繼續(xù)完善;三維模型的建立還可繼續(xù)完善,比如可對亞飽和狀態(tài)下不同的直流和交流電場進行詳細地比較研究[37]。

1.3 不同模型的預(yù)測比較

通過添加簡單的燃燒機制和電場的影響機制可搭建一維模型。一維模型不能進行定量測量________,只能增強研究者對于火焰在電場中燃燒現(xiàn)象的了解__________。

通過將電場與燃燒場進行耦合并添加一些比較復(fù)雜的UDF可搭建二維模型。二維模型可進行定量測量,但模型在搭建時會進行簡化處理考慮的因素會不全。當橫向離子風將動量添加到主要流動中時,需從周圍環(huán)境中添加附加動量_____,從而導(dǎo)致沿z方向夾帶流動。二維建模無法捕獲由這些夾帶流動引起的三維效應(yīng)。

將已有的影響因素和機制考慮周全并對部分影響較小的因素進行簡化和忽略可搭建三維模型。三維模擬的模型搭建復(fù)雜且計算耗時長,考慮的影響因素較全,可精確測量火焰在電場中的各種數(shù)值,且可驗證和改善已有的火焰在電場中的燃燒機制。

2 不同電場分布形式對火焰的影響

電場施加形式的不同會對火焰特性產(chǎn)生一定影響。根據(jù)電場方向與火焰方向是否平行或垂直,可把電場分為豎向電場、橫向電場及單電極電場;根據(jù)電場是否均勻分布可將電場分為均勻電場和非均勻電場。一般來說,采用均布電場的較少,主要以非均勻電場來研究燃燒火焰特性。下文從豎向電場、橫向電場和單電極式電場來闡述電場與燃燒火焰特性的近期研究進展。

2.1 豎向電場

使用豎向電場時,當施加的電場力方向和火焰燃燒所受的熱浮力方向相反時,液滴可達到一個近似于平衡的狀態(tài),利用這個原理可模擬出火焰在微重力下的燃燒現(xiàn)象。文獻[38]研究了單液滴在豎直放置的直流電場中的燃燒行為。圖3為豎直電場實驗裝置示意圖,實驗發(fā)現(xiàn),最小燃燒速率常數(shù)大于微重力下最小燃燒速率常數(shù)。這表明液滴處于微重力情況下而不是完全失重。

圖3 豎直電場實驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental setup for the vertical electric field

文獻[39]研究了豎直直流電場下在微重力環(huán)境中單液滴的燃燒情況。實驗研究發(fā)現(xiàn),火焰變形和燃燒速率常數(shù)隨電場強度的增加而增加;同時還觀察到電場的影響程度受燃料煙塵特性的影響。文獻[40]研究了浮力對液滴燃燒的影響,認為單液滴在加速墜落情況下,火焰和熱氣區(qū)域的行為與在正常重力條件下的行為沒有太大差異。

文獻[41]也研究了火焰垂直對稱時施加豎向電場的電壓與電極距離的關(guān)系。實驗發(fā)現(xiàn):火焰的變形程度與電壓和1.5倍的電極距離呈函數(shù)關(guān)系;在不同電壓下,燃燒速率和燃燒產(chǎn)物都會有很大的影響;電壓持續(xù)升高到能擊穿空氣時,燃燒產(chǎn)物比如CO和NO的數(shù)量變化會增大。

對于豎向電場,電場力方向與火焰所受熱浮力的方向相反時,可研究微重力下的火焰燃燒;但在豎向電場條件下,電場強度對火焰的影響不夠明顯。

2.2 橫向電場

施加橫向電場時,火焰特性對其電場強度的反應(yīng)更敏感,火焰在豎直方向拉伸很小,甚至被抑制拉伸,而在水平方向的拉伸極其明顯。文獻[42]使用介質(zhì)阻擋放電法(dielectric barrier discharge,DBD)研究了火焰在橫向電場情況下的燃燒特性,實驗發(fā)現(xiàn)橫向電場存在一個臨界電場強度,該臨界電場強度到達時可讓空氣處于擊穿狀態(tài)從而形成等離子電場,該情況下電場可改變火焰形狀(如高度降低)和顏色,這表明DBD的低溫等離子技術(shù)可控制火焰的高度和碳煙顆粒的濃度。

文獻[43]在橫向?qū)ΨQ放置了外徑為60mm 的網(wǎng)狀電極,從而實現(xiàn)橫向電場的施加。實驗中網(wǎng)狀電極被通負電,點火電極與地相連接,從而實現(xiàn)電場的施加?？紤]到電場強度達到一定程度時會發(fā)生擊穿空氣的情況[44],所以實驗中施加的電壓沒有超過能擊穿空氣的電壓臨界值。實驗研究發(fā)現(xiàn):由于離子驅(qū)動使得自由基的傳輸受到了影響,在電場方向上火焰位移速度提升,垂直于電場方向的速度受到抑制;隨著電壓的上升,火焰流體動力學(xué)的不穩(wěn)定性愈加明顯,火焰峰值壓力上升,火焰起始時間減少。

DBD橫向電場產(chǎn)生的低溫非平衡等離子體可輔助燃燒低熱值燃料,使火焰穩(wěn)定燃燒。橫向電場使火焰在水平方向被拉伸,豎直方向被抑制;同時,橫向電場的電場強度對燃燒的作用明顯;當施加的電場角度發(fā)生變化時,燃燒也會受到一些影響,但是缺乏這方面的定量研究。

2.3 單極電場

單極式電場即發(fā)散電場,主要從施加電場頻率方面考慮電場對火焰特性的影響。文獻[45]利用單電極電場對低頻下如何提升火焰的振蕩行為進行了研究。其實驗裝置示意圖如圖4所示,觀察到3種不同類型的振蕩火焰:(1)與施加頻率無關(guān)的小幅大規(guī)模振蕩;(2)與施加頻率同步的小規(guī)模振蕩;(3)小規(guī)模振蕩嵌入大規(guī)模振蕩中的雙周期耦合。分析認為,火焰在多個尺度振蕩的原因是燃燒的不穩(wěn)定,而電場施加所產(chǎn)生的離子風對這個振蕩起到了促進作用。但該實驗沒考慮火源功率的影響,且實驗時所使用的火源功率范圍較小。

圖4 單極電場實驗裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of experiment apparatus for monopole electric field

文獻[46]利用固定的單電極裝置對丙烷噴氣火焰的上升速度和穩(wěn)定性進行了研究。實驗發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性在低電壓的交流電場中會得到提升,但高壓下的電場影響了火焰的穩(wěn)定性,使懸空速度減小。該實驗所研究的火源功率范圍較小,還需更大功率范圍的研究。

需要探究單電極產(chǎn)生的電場下,火焰多尺度振蕩與電場頻率之間的關(guān)系。單極電場的研究缺乏進一步驗證的試驗技術(shù)手段,也缺少更大燃燒功率范圍內(nèi)的研究。

3 不同電場施加方式對火焰的影響

3.1 電場的類型

施加的電場類型分為直流電場與交流電場,直流電可當作零頻率的交流電。在直流電場作用下,火焰中會形成持續(xù)的離子風;但在交流電場作用下,離子風的效應(yīng)并不是連續(xù)的[47]。這就使直流電場與交流電場對于火焰的影響存在一個固有的差別[48]。文獻[49]研究了直流電場對丙烷火焰穩(wěn)定性的影響,實驗結(jié)果表明,相比于交流電場,直流電場的影響效果更小。文獻[50]的數(shù)值模擬表明:直流電場下離子風效應(yīng)是影響火焰的主導(dǎo)效應(yīng);而在交流電場下,低頻情況與直流電場類似,影響的主要因素是雙向的離子風;在高頻交流電場下,影響火焰的主導(dǎo)因素是電化學(xué)效應(yīng)。

高壓直流電場的施加會使火焰趨于熄滅;而在高壓交流電場作用下,會提升未點燃區(qū)域與火焰前鋒面之間的熱傳質(zhì)效應(yīng),從而提升燃燒速率。施加電場會使不同流動中的火焰出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象[51]。文獻[52]研究了乙醇火焰在直流電場下的行為,實驗觀察到由于乙醇蒸發(fā)的速度遠遠小于離子風效應(yīng),導(dǎo)致燃燒速度增加,可見直流電場的施加使火焰穩(wěn)定工作的范圍變小。

文獻[53]使用本生燈燃燒器對氫氣擴散火焰在交流電場中受到的影響進行了研究。研究表明,離子風效應(yīng)使火焰在擴散過程中呈現(xiàn)對稱的幾何形狀,并在等離子體火焰中產(chǎn)生了一個偏移的電場?；鹧鎯?nèi)的粒子流是使火焰形變的主導(dǎo)原因;但當電極間隙減小、通入氣體流速過快時,離子風效應(yīng)會降低。文獻[54]通過向倒圓錐形的火焰中施加直流電場,研究了電場提升稀薄火焰穩(wěn)定性的可能。實驗發(fā)現(xiàn),當通入的氣體流速提升時,電場使火焰燃燒穩(wěn)定的效果會大大降低。

3.2 電場的正負

施加電場的正負不同會導(dǎo)致火焰中的離子風效應(yīng)的正負發(fā)生變化。主要差異在于離子風發(fā)展過程的不同,同樣的,作用于火焰上的效果也有所不同。文獻[55]通過平板滯止火焰法并向滯止平板施加電壓來研究離子風對火焰撞擊傳熱的影響。實驗表明:正向電場的施加可使火焰更加穩(wěn)定;當磁場反轉(zhuǎn)時,火焰趨于吹散。

正離子的產(chǎn)生原因是化學(xué)反應(yīng),負離子的產(chǎn)生原因是電子與中性分子的吸附作用[56]。所以,正離子風發(fā)展到后期,由于火焰鋒面內(nèi)會形成阻礙反應(yīng)的渦流,從而使得對火焰的促進效果減小;但是施加負電場產(chǎn)生的正離子風的離子風效應(yīng)更強,在發(fā)展到出現(xiàn)抑制發(fā)展的渦流之前,對于火焰的促進作用較大[57]。正負離子風效應(yīng)的不同如圖5所示。文獻[58]實驗研究了預(yù)混甲烷火焰在直流電場中的響應(yīng)。火焰在受到正電場和負電場時,由于受到離子風效應(yīng)的影響發(fā)生了變形,并且隨著流速的增加,形變程度減少;當施加正電場產(chǎn)生的負離子風發(fā)展到后期時,火焰被拉伸為梭形,水平方向的力對于火焰的促進效果越來越明顯。文獻[59]通過施加直流電場研究了火焰在高壓時的響應(yīng)。實驗表明,在正電壓下,壓力越高,電場的影響越明顯,并且后期沒有出現(xiàn)類似于正離子風的抑制情況。所以負電場產(chǎn)生的離子風效應(yīng)更明顯,正電場可更好地促進火焰燃燒。

圖5 正負離子風效應(yīng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of positive and negative ion wind effect

3.3 電場的頻率

氣動效應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)是電場影響火焰的主要因素,交流電場對火焰氣動效應(yīng)和電化學(xué)的影響存在最佳頻率。需要通過不斷實驗探究得到能夠獲得助燃效果最好的頻率。

3.3.1 低頻交流電場助燃分析

在低頻電場中,氣動效應(yīng)和熱效應(yīng)是促進燃燒的主要原因?；鹧嫒紵匦缘母淖?nèi)Q于由哪種效應(yīng)主導(dǎo)[60]。雙向離子風是低頻電場助燃的主要作用方式[61],但離子風的發(fā)展在后期會受渦流的影響而逐漸減小對火焰的助燃效果[62]?；鹧嬷械牧Ｗ影l(fā)生遷移后導(dǎo)致濃度不均勻,也會導(dǎo)致電場對于火焰的影響減弱。文獻[63]使用對沖滯止火焰法研究了交流電場對非預(yù)混火焰的影響。實驗結(jié)果表明:交流電場的施加使火焰中出現(xiàn)雙向離子風,并產(chǎn)生振蕩;在低頻與高頻下火焰出現(xiàn)了不同的響應(yīng)狀態(tài)。當頻率較低時火焰振蕩振幅穩(wěn)定,高頻時由于火焰內(nèi)電荷密度降低從而導(dǎo)致火焰的振幅下降。

低頻電場對于火焰的助燃效果隨著頻率的下降而提高[64]。文獻[65]通過本生火焰研究了交流電場對甲烷火焰脫離速度的影響。圖6為不同頻率交流電壓下歸一化脫離速度的實驗數(shù)據(jù),由圖6可見,交流電場的頻率與火焰分離速度正相關(guān)。文獻[66]通過本生火焰研究了交流電場的施加對預(yù)混火焰的穩(wěn)定性的影響,實驗結(jié)果表明,低頻的交流使火焰在吹出速度下降情況下不穩(wěn)定。雙離子風效應(yīng)使火焰脫離速度在較高的交流頻率下出現(xiàn)非單調(diào)性變化。

圖6 不同頻率交流電壓下火焰的歸一化脫離速度Fig.6 Normalized detachment velocity of flames at different frequencies of AC voltage

3.3.2 高頻電場助燃分析

高頻電場中,電子是促進燃燒的主要原因。電子通過碰撞,從低頻振動變?yōu)楦哳l振動,從而獲得較高的動能。電子的高頻振動使火焰產(chǎn)生熱效應(yīng),從而使火焰的傳播速度、燃燒速率和燃料的反應(yīng)速率得到提升。

高頻電場對于火焰的助燃機制與低頻相比有所不同。電化學(xué)反應(yīng)是電場高頻電場助燃的主要機制。高頻電場提供的電磁能可使氧化劑的能級達到閾值,并且激發(fā)達到更高的能級,這樣就可使火焰在反應(yīng)過程中的化學(xué)速率加快,從而達到助燃效果。

高頻電場助燃相比于低頻電場助燃效果更好。高頻電場中的火焰因為輸入的電磁能不均勻而被拉伸,并且拉伸的幅度與頻率正相關(guān)。在高頻電場中,當頻率升高時,電場對于火焰的促進效果越好,燃燒壓力與平均火焰?zhèn)鞑ニ俣纫矔仙?這一點是與低頻交流電場不同的。

Ansoft Maxwell軟件的3D模擬可定量研究由不同尺寸和結(jié)構(gòu)的高壓電極產(chǎn)生的電場強度。但Ansoft Maxwell軟件對電場的模擬是燃燒之前的靜電模擬,由于燃燒過程十分復(fù)雜,目前還無法對燃燒過程的電場分布進行模擬。

3.4 電場強度

電場強度越高,火焰的變形程度越大。施加的電壓足夠大時,電場會通過火焰放電而擊穿。在這個擊穿電壓下,占據(jù)了部分電極空間、具有導(dǎo)電性質(zhì)的高溫燃燒產(chǎn)物會產(chǎn)生電弧。文獻[67]研究分析了弱電場和激光輻射對于碳氫混合物燃燒的影響。實驗使用周期脈動電場以防電壓過高,從而防止火焰被擊穿。實驗研究結(jié)果表明,周期電場的施加使火焰的燃燒極限和燃燒速率得到了提升。

文獻[68]通過向CH4與空氣氮氣的混合物的火焰中施加直流電場,從而研究電場強度和電場分布對火焰的影響。實驗結(jié)果表明,電場強度的上升會導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊纳仙?并且呈現(xiàn)線性相關(guān)。因此,均勻電場比不均勻電場在促進火焰?zhèn)鞑ニ俣壬系男Ч谩Ｎ墨I[69]使用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)觀察研究了弱電場對預(yù)混火焰的影響,實驗結(jié)果表明,隨著電場強度的增強,火焰的振蕩時間逐漸減小。文獻[70]研究了電場強度對火焰溫度變化的影響,實驗中施加電場前后火焰的溫度變化如圖7所示,由圖可見,電場強度的增加使離子風的強度增加,從而導(dǎo)致火焰溫度上升。

圖7 施加電場前后火焰的溫度變化曲線Fig.7 Temperature change curves of the flame before and after application of an electric field

電場強度和分布對于稀薄燃燒的促進作用上扮演著重要角色,需要加大對不同混合物的燃燒研究及在弱電場下燃燒的機制研究。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了電場對火焰燃燒的影響研究。從以上分析可看出,利用電場增強火焰燃燒速率,控制火焰燃燒特性,從而加大能源的轉(zhuǎn)換效率,降低具有污染性的燃燒產(chǎn)物的排放已成為可能。但還沒有對不同電場形式與燃燒火焰特性開展系統(tǒng)研究,缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),電場參與下的燃燒反應(yīng)動力學(xué)模型及完備的電場與燃燒場耦合機制分析,電場下固相燃料的火焰特性相關(guān)研究,以及磁場、聲場、重力場、燃燒場等多場耦合對火焰燃燒特性的影響研究。

部分學(xué)者通過改變電場形式和電場參數(shù),對放入其中的各種燃料的燃燒火焰特性變化規(guī)律進行了研究。本文總結(jié)得出以下結(jié)論:

(1) 雙向離子風效應(yīng)、氣動效應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)是電場輔助燃燒的主要原因,但雙向離子風效應(yīng)主要用于研究靜止狀態(tài)的火焰,對于傳播過程中火焰的影響原因還需尋找更合理的解釋。

(2) 對于火焰的仿真大多集中在1維和2維,3維模型因開發(fā)成本大、考慮因素過多而少有人能搭建出來。對于模型的開發(fā)還需進一步研究。

(3) 電場分布情況與電場施加形式的不同會對火焰產(chǎn)生不同的影響;直流電場相比于交流電場的影響效果更小;負電場產(chǎn)生的離子風效應(yīng)更明顯,正電場可更好地促進火焰燃燒;相比于低頻電場,高頻電場助燃效果更好。