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.     

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%。     

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。     

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。     

直流电场对甲烷/空气预混火焰影响的机理研究

为明确直流电场对燃烧的作用机理,在常温、初始压力100kPa下,向定容燃烧弹内的网状电极加载3种电场,分别为两侧同为负直流电场、同为正直流电场以及左侧为负直流电场右侧为正直流电场,研究3种电场加载方式下的直流电场对甲烷/空气预混火焰燃烧特性的影响。结果表明:在3种电场加载方式下,火焰形变、平均火焰传播速度、压力峰值随着电压的增大均增大;当电压幅值相同时,两侧同为负电场对火焰促进效果最强,其次为左侧为负电场右侧为正电场,两侧同为正电场对火焰促进效果最弱。由模拟计算可知:电体积力随着电压的增大而增大,两电极同为负电场与正电场时,平均火焰传播速度增大率和电体积力之间的相关系数分别为0.996、0.997,压力峰值增大率和电体积力之间的相关系数分别为0.989、0.971,说明电体积力与电场对火焰的促进作用密切相关;当电压幅值为10kV时,两电极同为负电场与正电场的离子风发展程度分别为0.153、0.019,说明正是由于离子风发展程度的不同导致了正负电场对燃烧促进作用不同。     

正/负电场对预混稀燃火焰影响的对比研究

为了比较正/负电场的助燃效果,在室温298K、气压100kPa条件下,通过对定容燃烧弹内的网状电极分别加载正直流电压和负直流电压,研究了正/负电场助燃机理,由此分析了2种电压对甲烷/空气预混火焰形状、火焰传播速度以及燃烧压力等参数的影响。结果显示:正/负直流电场对过量空气系数分别为1.2、1.6的预混稀燃火焰均有促进作用,平均火焰传播速度在施加电压的电极方向得到增强;在施加电场后,相同过量空气系数下的火焰燃烧峰值压力增大,且随着电压幅值绝对值的增大,峰值压力到达时间相应缩短;在相同的电压幅值下,正电场的促进效果优于负电场。该结果对电场辅助燃烧的进一步研究具有指导意义。     

不同电极结构下电场对甲烷/空气火焰的影响

基于电场促进燃烧的理论,为了进一步研究不同电极结构对燃烧的影响,利用定容燃烧弹来模拟发动机气缸内的燃烧,在常温常压不同当量比(0.8、1.0和1.2)下通过分别加载3种不同结构的电极对直流电场与甲烷/空气火焰的关系进行了研究。结果表明:3种电极结构下电场对火焰横向传播均有明显的促进作用,且网状电极下火焰横向传播的促进效果最明显,然后依次是柱状电极和点电极;3种电极结构下燃烧压力一开始均得到不同程度的提高,而网状电极下电场对燃烧压力的影响最为明显。综上所述:3种电极结构中,网状电极下电场对火焰的促进作用最大,在今后的应用中较其他两种电极有更为明显的优势。     

不同频率高频交流电对球形传播火焰的影响

为研究不同频率高频交流电场对预混稀燃火焰的影响,对常温、常压下定容燃烧弹中过量空气系数为1.6时的甲烷/空气火焰的传播和燃烧特性进行了研究.结果表明:高频交流电场作用下,火焰均在水平方向被拉伸,当加载交流电压有效值一定时,交流电频率越高,火焰在水平方向的拉伸越剧烈.与未加载电压相比,当交流电压有效值u=5kV,交流电频率f为5、7.5、10、12.5和15kHz时,平均火焰传播速度分别提高43.10%、53.45%、63.79%、74.14%和84.48%,相对燃烧压力增大率的最大值分别为0.15、0.21、0.27、0.36和0.50.由此得出,高频交流电场对火焰燃烧有一定的促进作用,且交流电频率越高,促进作用越明显.     

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CH_4/空气和初始压力为0.1MPa的CH_4/O_2/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CH_4/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CH_4/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CH_4/空气火焰的拉伸作用逐渐减小,对CH_4/O_2/Ar火焰的拉伸作用逐渐增大,CH_4/空气的平均火焰传播速度增大率逐渐减小,CH_4/O_2/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/空气预混稀燃气中,高频交流电场影响火焰燃烧的电化学效应中电子与燃烧产物分子的振动碰撞及其后续的链式反应占据主导。在不同初始压力下,平均火焰传播速度增大率随着简化场的增大呈线性增大,说明利用简化场来衡量高频交流电场电化学效应的强弱是可行的。