负直流及低频交流电场对预混火焰影响的实验研究

为了比较直流及低频交流电压的助燃效果,在常温常压下,对定容燃烧弹内的网状电极分别加载负直流和低频交流电压,研究了两种电压对甲烷/空气预混火焰的火焰形状、火焰传播速率和燃烧压力的影响。结果表明:负直流和低频交流电压对平均火焰传播速率和燃烧压力均有一定的促进作用,且低频交流电压的助燃效果要强于负直流电压,随着低频交流电频率的降低,对火焰的促进作用增大。当过量空气系数为1.6时,与未加载电压相比,负直流电场(电压为-5kV)和低频交流电场(频率为40、60、80、100Hz,电压有效值为5kV)作用下的平均火焰传播速率分别提高37.93%、72.41%、55.17%、48.28%和39.66%,相对燃烧压力增大量的最大值分别为0.23、0.65、0.58、0.48和0.28。     

40Hz低频交流电场对甲烷/空气稀燃火焰的影响

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 k V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。     

交流电场对高压下甲烷/空气预混稀燃火焰的影响

为了改善天然气燃烧速率慢、稀燃条件下着火延迟以及火焰稳定性差等不足,在常温、初始压力为3×97kPa下,研究分析了定容燃烧弹中低频交流电场对甲烷/空气预混稀燃火焰形状、火焰传播速度、燃烧压力相关特性参数等的影响。结果表明:与未加载交流电压相比,加载10~100Hz交流电压的火焰在水平方向均发生拉伸变形,电压频率越小,拉伸变形越明显,在15 Hz附近时变化最明显;加载电压后火焰传播速度增大,且随电压频率的减小先增大后减小,在接近15 Hz时最大;交流电场作用下燃烧压力峰值增大,压力峰值到达时间、初始燃烧期和主燃烧期均缩短;随着电压频率的减小,燃烧压力峰值与火焰传播速度变化相一致,而压力峰值到达时间的变化则相反,但均在15Hz附近其绝对值出现最大值,比未加载电压时分别增加了19.90%、-42.23%。     

交流电场电压幅值对球形火焰影响的理论研究

为了获得高频交流电场电压幅值对球形扩展火焰的影响因素,运用电磁学原理进行了研究,得出:以两网状电极为底面的圆柱体中任意一点在任意时刻产生的电磁能量大小与交流电电压有效值的平方成正比,与该点到圆柱体轴心的距离成正比,在圆柱体中电磁能量密度沿径向递减;电磁能量产生的热效应和电化学效应可提高火焰平均传播速度,电磁能量密度的不均分布会引起火焰变形。同时,通过对常温、常压下定容燃烧弹中3种过量空气系数的甲烷-空气预混球形扩展火焰的平均传播速度和形状变化与加载交流电压有效值的关系进行了实验验证,结果表明:当电压有效值小于2kV时,电磁能量以热效应的方式促进火焰传播,当电压有效值大于2kV时,电磁能量以电化学效应的方式促进燃烧;实验中电磁能量密度的不均匀分布导致了火焰横向拉伸。该结果可为高频电场助燃研究提供新的思路和方法     

高频交流电场对预混稀燃火焰影响的机理分析

为了明确高频交流电场对火焰燃烧的影响机理,分别选取了初始压力为0.1、0.3、0.5 MPa的CH₄/空气和初始压力为0.1MPa的CH₄/O₂/Ar预混稀燃气,通过在定容燃烧弹内的网状电极上加载幅值为5kV、频率为15kHz的高频交流电场,对比分析了在高频交流电场下两种预混气火焰传播特性的异同,以及不同初始压力下CH₄/空气火焰传播特性的异同。结果表明:加载高频交流电场后,随着初始压力的增大,电场对CH₄/空气火焰面发展的影响程度逐渐减小,平均火焰传播速度增大率逐渐减小;随着过量空气系数的增大,加载电场后对CH₄/空气火焰的拉伸作用逐渐减小,对CH₄/O₂/Ar火焰的拉伸作用逐渐增大,CH₄/空气的平均火焰传播速度增大率逐渐减小,CH₄/O₂/Ar的平均火焰传播速度增大率逐渐增大,电场对两种混合气火焰传播的影响趋向相同。这说明在CH_4<...     

不同电极下电场对甲烷/空气稀燃火焰影响的试验研究

针对稀燃条件下燃烧存在燃烧速率慢、循环变动严重的问题,研究了定容燃烧弹内点、柱、网3种电极结构下的电场对火焰形状、火焰传播距离及速率、燃烧压力的影响。结果表明:3种电极下加载电压,火焰形状均发生变形且在水平方向被拉伸;3种电极中网电极下的电场对火焰的促进作用最大;混合气越稀,火焰在电场中停留的时间越长,电场对火焰的影响越大。过量空气系数为1.2、1.4、1.6,网电极在加载-10kV电压时,平均火焰传播速率比未加载电压时分别提高了66.82%、112.42%、126.16%,相对燃烧压力增大率的最大值分别为71.60%、113.55%、114.97%。     

高初始压力下交流电场对甲烷/空气预混球形火焰燃烧特性的影响

为了明确在高初始压力下外加交流电场对天然气预混火焰的影响,以甲烷/空气预混的瞬态球形火焰为研究对象,利用定容燃烧弹探究了在过量空气系数为1.2、常温298K、高初始压力300kPa下,加载电压有效值5kV的低频和高频交流电场对甲烷/空气预混火焰燃烧特性的影响。结果显示:低频条件(f=40,60,80,100 Hz)下,火焰传播速度分别增大17.41%、6.53%、3.99%、1.54%时,燃烧压力峰值分别增大2.06%、1.73%、1.04%、0.79%,质量燃烧率达到100%所用的时间分别缩短11.96%、10.27%、7.78%、3.74%;高频条件(f=10,15,20kHz)下,火焰传播速度分别增大13.69%、19.76%、22.21%时,燃烧压力峰值分别增大1.00%、2.37%、3.07%,质量燃烧率达到100%所用的时间分别缩短11.03%、14.94%、16.13%。对低频和高频交流电场的助燃机理——双离子风效应和电化学效应进行了具体的分析,分析结果与实验现象吻合,证明了电场助燃技术的可行性与有效性。     

交流电场气动效应对球形传播火焰影响的数值研究

为了验证电场对球形传播火焰的影响机理,通过采用给球形传播火焰锋面组分添加交变动量源项的方法,模拟了交流电场作用下火焰锋面受力产生的气动效应,以预测电场对球形传播火焰影响的机理。在N-S方程中通过为火焰锋面添加以流动时间t函数形式的水平方向动量源项并采用Fluent软件,来模拟交流电场对甲烷-空气球形传播火焰的拉伸影响,模拟时过量空气系数为1.6,体积力有效值恒为30 750N/cm3,交变频率分别为10Hz、100Hz和1 000Hz。模拟结果表明:在交流电场下,低频时电场对火焰的拉伸作用较为明显,在此阶段气动效应是电场对火焰形变产生影响的主要因素;高频时没有发现火焰出现明显的拉伸现象,可以推断此时气动效应不是电场对火焰影响的主要因素;气动效应的界定频率的数量级可以通过数值模拟来估计,约在102~103 Hz左右。     

正直流电场对球形火焰影响的机理分析

为了确定正直流电场影响燃烧的机理,选取了初始压力为303.975kPa,过量空气系数为1.2、1.4、1.6的预混稀燃气,通过对容弹内网状电极分别加载幅值为5kV的正/负直流电压以及幅值为5kV、频率为15kHz的高频交流电压,对比分析了直流正电场与另外两种电场下预混球形火焰传播特性的异同。结果显示:不论火焰形变、火焰传播中速度的变化还是平均传播速度增大率随过量空气系数的变化,其在正直流电场下的规律都与负直流电场下相近而与高频交流电场下相差甚远;当过量空气系数从1.2增大至1.6时,正/负直流电场下火焰平均传播速度增大率从低于15%提高至约40%,而交流电场下该值始终约为11%。对比结果表明,正直流电场与负直流电场一样主要通过离子风效应影响火焰,但分析表明正电场下离子风的形成机理及促进效果与负电场下差异明显,这对不同条件下采用电场辅助燃烧时的电场种类选择有重要意义。     

负电场下点电极和网状电极对预混稀燃火焰的影响

针对相同能耗下电极形状对火焰的影响,研究了常温、常压下定容燃烧弹中过量空气系数为1.6时甲烷空气预混稀燃火焰的传播和燃烧特性与加载电压的关系,对比了点电极和网状电极对火焰的影响。结果表明:2种电极下加载电压都使得火焰发生了形变,对火焰横向传播均有明显的促进作用;与未加载电压相比,当加载电压为-5、-10、-12kV时,点电极下火焰纵向传播速度分别提高9.32%、17.20%、4.67%,网状电极下分别提高0.62%、-20.90%、-22.80%,点电极下压力峰值增幅分别为6.4%、9.8%、11.2%,网状电极下增幅分别为5.6%、2.4%、1.3%;加载-5kV电压时2种电极对火焰的影响相差不大,加载-10、-12kV电压时点电极对火焰的促进作用明显优于网状电极。综合考虑可以得出,点电极的性能更加优越。     

非均匀电场对火焰传播速率的影响

在定容燃烧装置上,通过改变加载电压和电极结构形成了不同的非匀强电场,由此研究了电场对预混层流火焰形状和传播速率的影响.结果表明:在非均匀电场下,尖-网电极对应的火焰形状发生了显著变化,尖-柱电极对应的火焰形状变化较小；受离子风的影响,沿电场方向的火焰水平方向传播速率增加,加载电压越大,火焰水平方向传播速率增加得越多；当加载电压为-5 kV、-10kV、-12 kV时,尖-网电极对应的水平方向平均传播速率分别增加了10.4％、23.7％、34.1％,尖-柱电极对应的水平方向平均传播速率分别增加了2.5％、7.5％、8.8％；加载电压相同时,尖-网电极比尖-柱电极对应的火焰水平方向传播速率增加得更多.     

汽油在O2/CO2氛围下燃烧特性试验

基于定容燃烧可视化光学平台,模拟缸内直喷(GDI)汽油机缸内燃烧环境,研究汽油在O2/CO2氛围和空气氛围下均质燃烧特性以及火焰传播特性,研究结果表明当循环喷油量一定时,相比于空气氛围,汽油在氧气浓度为40%的O2/CO2氛围下燃烧的压力升高率提高了1.8倍,着火落后期和明显燃烧期缩短近50%,放热率的峰值增大了近1倍,且峰值相位提前。过量空气系数对汽油在O2/CO2氛围下燃烧的影响较大,化学当量比时放热率的峰值达到最大,随着过量空气系数增大,最大燃烧压力增大,最大压力升高率下降,放热率的峰值下降,且峰值相位后移,反应速率下降,明显燃烧期增大,且火焰传播速度明显下降。     

点火能量对天然气空气预混合气层流燃烧的影响

通过改变点火线圈的充电时间,研究了充电时间与天然气空气预混合气点火能量、预混层流燃烧速度及压力和放热率等燃烧特性参数之间的关系.结果表明:点火能量随充电时间的增加而增大,当充电时间增加到6 ms时,点火能量的增加趋势减缓;点火能量能会影响火核的形成和初期火焰的发展,当火核半径发展到8mm时,火焰传播速度不受影响;压力峰值随点火能量的增加逐渐增大且峰值位置提前,当充电时间由2 ms增加到8 ms时,最大压力峰值增加了3.8％,峰值提前8.6 ms出现,火焰发展期和快速燃烧期分别缩短了5.2 ms和1.7ms.     

电场与燃烧耦合研究进展

 为了提高能源转换效率、降低燃烧副产物的排放,利用电场增强燃烧、控制燃烧火焰特性已逐渐引起研究人员的注意.本文从竖向、横向(即径向)和单电极式等不同的电场形式对燃烧场的影响展开论述.不同的电场形式下,通过改变电场参数,对电场中不同燃料的燃烧火焰特性变化规律进行研究,以此考查电场与燃烧耦合时的特性.研究表明,利用竖向电场力来平衡浮力可以粗略模拟微重力下燃烧时的扩散火焰,燃烧速率受电场强度影响,4kV时最小;利用横向电场可以改变火焰形状(如高度降低)及颜色,也可以助燃低热值燃料,实现可靠点火和稳定燃烧;对于单极式电场,观察到3种不同类型的振荡火焰.然后,对利用电场降低燃烧副产物的可行性进行了阐述.最后指出,迄今未见对不同电场形式与燃烧火焰特性的系统研究,缺乏相应的基础数据、电场参与下的燃烧反应动力学模型以及完备的燃烧场耦合机制分析.     

模拟海拔高度对柴油机燃烧影响的可视化试验

在定容燃烧弹内模拟一款重型柴油机喷油时刻的缸内热力学状态,基于高速摄影开展了不同海拔高度下柴油燃烧的可视化试验研究。结果表明,海拔高度对着火延迟、着火距离、升举长度、卷吸空气比率以及火焰亮度等都有显著的影响,海拔从0 m升高到4 500 m时,着火延迟由0.67 ms延长至1.04 ms,着火距离由22.09 mm增大到37.03 mm;升举长度由23.1 mm增大到34.5 mm;卷吸空气比率由12.0%增大到14.0%;空间积分火焰亮度峰值减小,且空间积分火焰亮度峰值的变化幅度和卷吸空气比率的变化幅度都随海拔升高而减小;时间积分火焰亮度减小,碳烟生成总量减少。     

Influence of rarefaction wave on premixed flame structure and propagation behavior

To explore the influence of rarefaction wave on the structure and propagation behavior of the premixed propane/air flame in a rectangle combustion pipe, the techniques of high speed Schlieren photograph method, pressure measurement and so on are used to study the interaction processes between rarefaction wave and flame. Two cases of rarefaction wave-flame interaction were performed in the experiment. The experimental result shows that both the rarefaction waves can cause the flame transition from laminar to turbulent combustion quickly. The cowflow rarefaction wave decreases the flame speed, while the counterflow rarefaction wave leads the flame propagation speed to increasing on the whole, accompanied with sharp vibration.     

Influence of rarefaction wave on premixed flame structure and propagation behavior

To explore the influence of rarefaction wave on the structure and propagation behavior of the premixed propane/air flame in a rectangle combustion pipe, the techniques of high speed Schlieren photograph method, pressure measurement and so on are used to study the interaction processes between rarefaction wave and flame. Two cases of rarefaction wave-flame interaction were performed in the experiment. The experimental result shows that both the rarefaction waves can cause the flame transition from laminar to turbulent combustion quickly. The cowflow rarefaction wave decreases the flame speed, while the counterflow rarefaction wave leads the flame propagation speed to increasing on the whole, accompanied with sharp vibration.     

湿空气非预混火焰回流区速度特性的实验

为了寻找特性速度对火焰结构的规律性影响,使用粒子图像速度仪(PIV)测量圆盘形钝体后甲烷/湿空气非预混火焰的回流区速度场,得到火焰的平均速度场分布.结果表明,在中心燃料未穿透回流区时,中心轴线上存在2个滞止点;与普通的燃烧火焰相比,湿空气燃烧2个滞止点之间的距离变短,最小无量纲速度偏大,其位置曲线具有3个明显的变化阶段,分别代表不同的燃烧状态;在不同的空气速度下,中心轴线上的最小速度及其所处位置都具有大致相同的函数关系,表明燃空速度比是控制燃烧火焰结构的一个重要参数.     

Influence of the low-frequency source parameters on the plasma characteristics in a dual frequency capacitively coupled plasma reactor: Two dimensional simulations

A two-dimensional (2D) fluid model is presented to study the discharge of argon in a dual frequency capacitively coupled plasma (CCP) reactor. We are interested in the influence of low-frequency (LF) source parameters such as applied voltage amplitudes and low frequencies on the plasma characteristics. In this paper, the high frequency is set to 60 MHz with voltage 50 V. The simulations were carried out for low frequencies of 1, 2 and 6 MHz with LF voltage 100 V, and for LF voltages of 60, 90 and 120 V with low frequency 2 MHz. The results of 2D distributions of electric field and ion density, the ion flux impinging on the substrate and the ion energy on the powered electrode are shown. As the low frequency increases, two sources become from uncoupling to coupling. When two sources are uncoupling, the increase in LF has little impact on the plasma characteristics, but when two sources are coupling, the increase in LF decreases the uniformities of ion density and ion flux noticeably. It is also found that with the increase in LF voltage, the uniformities in the radial direction of ion density distribution and ion flux at the powered electrode decreases significantly, and the energy of ions bombarding on the powered electrode increases significantly.     

垂直管道中锆粉云火焰传播速度特性及锆颗粒群燃烧模型

在粉尘云瞬态火焰实验系统上开展实验研究,揭示了垂直管道中锆金属云的火焰传播速度特性并建立了垂直管道中向上运动的锆颗粒群燃烧模型. 研究结果表明,锆颗粒的燃烧产物二氧化锆颗粒具有单斜和四方两种晶相. 管道中的锆粉云浓度高低可根据火焰锋面形状进行初始判断. 垂直管道中锆粉云的最大火焰传播速度随锆粉云浓度的增加先增大后减小,这是由于管道中富燃料燃烧缺氧和未燃颗粒吸收体系热能而造成. 锆粉云浓度为0.625 kg/m3时,管道中出现最快火焰的传播速度可达39.7 m/s. 在锆颗粒群燃烧模型中将颗粒燃烧过程分为4个阶段. 从宏观现象和微观机理上对锆粉云在垂直管道中的火焰传播过程进行了表征.