电场分布对甲烷-空气火焰的影响

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1、中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：144043电场分布对甲烷-空气火焰的影响孙天旗，段浩，刘兵，吴筱敏（西安交通大学能源与动力工程学院，西安710049）(Tel:15202959674,Email:suntianqi@stu.xjtu.edu.cn)摘要：在定容燃烧装置上，对直径为60、40、20、4mm的电极下的电场作用下的过量空气系数为1.0和1.6的甲烷空气火焰进行对比分析。结果表明：在不均匀系数ke＜4的电场（Φ60、Φ40、Φ20）中，任一过量空气系数和加载电压下，平均火焰传播速率和相对燃烧

2、压力最大值均随电极直径的增大而增大；在不均匀系数ke＞4的电场（Φ4）中，加载-10kV的电压时，在离子风和电晕放电共同作用下，Φ4电极下的平均火焰传播速率和相对燃烧压力最大值均大于Φ20电极下的值。关键词：定容燃烧装置；不同电极直径；不均匀系数，电晕放电。0前言天然气作为最有发展前景的清洁替代燃料之一，在发动机上的使用已实用化，但天然气存在火焰传播速率慢的问题，稀燃时会导致燃烧不完全，且污染物排放高。而电场具有辅助燃烧的作用，且已被广泛研究了很多年。大量实验结果表明直流和交流电场具有改变火焰形状[1,2]、提

3、高火焰传播速率[3,4]等作用。故有必要研究电场对甲烷空气火焰燃烧特性的影响。王宇等[5]通过实验研究发现，电场作用下的针状电极使甲烷空气火焰高度变短，而平板电极使火焰顶部向阴极板倾斜。JingHu等[6]通过对甲烷空气的同轴流动及烛型火焰进行实验及模拟研究，发现电场影响火焰形状的主要原因是离子风效应。Vega等[7]对甲烷空气本生灯火焰进行了实验研究发现，电场对火焰表面的褶皱的形成及加强可导致火焰速率的明显改变。Jaggers等[8]对直流及交流电场下的甲烷空气火焰进行研究发现，电场作用下的火焰传播速率明显增

4、大。VandenBoom等[9]对平板甲烷空气火焰进行实验研究，发现在电场的作用下，当量比的混合气火焰的燃烧速率能提高大约8%。Starikowskii等[10]通过对电场作用下的甲烷空气火焰的数值模拟，发现电场能够提高完全燃烧的程度。以上研究均是针对本生灯火焰、平板火焰、烛型火焰等稳定火焰，很少涉及容弹内的瞬态火焰。Meng等[11]通过实验研究发现，直流电场下的甲烷空气火焰的燃烧特性显著提高。Min等[12]对容弹内甲烷空气火焰进行了研究，发现交流电场会使火焰面上产生裂纹，即导致火焰的不稳定，这个不稳定性会

5、促进火焰在燃烧初期的传播的加快。上述研究虽在定容燃烧但内进行，但极少有涉及到电场强度及不均匀性对火焰特性的影响。故本文在定容燃烧弹内，针对不同电极直径下形成的具有不同电场强度及不均匀性的电场作用下的甲烷空气火焰进行了研究，具体分析对火焰形状，火焰传播距离及速率，燃烧压力的影响。基金项目：（国家自然科学基金51176150；清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金KF14122）1实验系统及方法整个实验系统由定容燃烧弹、配气系统、点火控制系统、高速纹影摄像系统、燃烧压力采集系统、直流高压电源及电路系统组成，实

6、验系统图如图1所示。定容燃烧弹的外形是个立方体，其内腔为直径130mm，长130mm的圆柱形空腔，空腔内装有外径为130mm，厚8.5mm的聚四氟乙烯绝缘套。容弹两侧装有厚15mm的高抗冲石英玻璃，为高速纹影摄像系统提供光学通路，高速纹影摄像系统采用的摄像机为美国REDLAKE公司的HG-100K型的高速摄像机，其拍摄速度在103～104帧/s间可调。容弹侧表面上装有压力传感器，其为Kistler7061B型压阻式绝对压力传感器，采集频率为10kHz。与压力传感器配合用来采集压力数据的为日本YOKOGAMA公司

7、的DL750型数据采集仪，其采样频率最高可达10MHz。容弹中心竖直方向对称的安装有一对点火电极，用于火花点火形成火核，并在形成电场时充当地极。容弹中心水平方向对称的安装有一对高压电极，与点火电极共同形成电场。高压电极上加载的高压由WismanDEL30N45型直流负高压电源提供，其输出电压范围为0～-30kV。图1实验系统图定容燃烧弹的外形是个立方体，其内腔为直径130mm，长130mm的圆柱形空腔，空腔内装有外径为130mm，厚8.5mm的聚四氟乙烯绝缘套。容弹两侧装有厚15mm的高抗冲石英玻璃，为高速纹影

8、摄像系统提供光学通路，高速纹影摄像系统采用的摄像机为美国REDLAKE公司的HG-100K型的高速摄像机，其拍摄速度在103～104帧/s间可调。容弹侧表面上装有压力传感器，其为Kistler7061B型压阻式绝对压力传感器，采集频率为10kHz。与压力传感器配合用来采集压力数据的为日本YOKOGAMA公司的DL750型数据采集仪，其采样频率最高可达10MHz。容弹中心竖直方向对称的安