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%。     

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。     

电场分布对球形传播火焰变形率的影响

针对电场作用下球形传播火焰的变形问题,利用Maxwell 14.0软件分别对点状、环状、直径为20mm和60mm的网状等4种电极产生的电场进行了模拟,同时在常温、常压下,定容燃烧弹中过量空气系数为1.2时,通过对这4种结构的电极施加负电压(-5kV和-10kV)对甲烷/空气预混火焰在不同方向(与水平方向夹角为0°、15°、30°、45°、60°和70°)上的火焰变形率进行了研究。结果显示:施加负电压时,环状电极下的火焰在不同方向上的平均变形率最小,点状电极的次之,直径为20mm网状电极比点状电极的稍大;直径为60mm网状电极下施加-5kV电压时,火焰在不同方向上的平均变形率与点状电极的差别不大,施加-10kV电压时,火焰在大于45°方向上的平均火焰变形率最大。由此表明,环状电极的电场分布有利于火焰的均匀发展,可以降低火焰淬熄的可能性。     

直流电场对预混CH4/O2/N2火焰传播特性影响的试验研究

为研究直流电场及其极性对火焰传播行为的影响,利用高速摄像法和球形扩展火焰理论在定容燃烧弹上展开了正负直流电场作用下预混CH4/O2/N2火焰传播规律的试验研究.试验结果表明:对于化学计量空燃比混合气,施加电场后球形火焰面在水平方向上被拉伸,拉伸火焰传播速率、无拉伸层流燃烧速率以及马克斯坦长度均随着输入电压幅值的增大而增大,且负电场比正电场的作用更加显著.当输入电压为-5 kV与5 kV时,火焰传播速率相对于未加电场时分别增加了10.85％和5.66％,而层流燃烧速率则分别增加了13.13％和6.98％.因此,电场能有效促进火焰传播,改善燃烧以及提高燃烧稳定性.     

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。     

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     

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。     

丙烷喷射火焰中电极形状对间隙击穿特性的影响

高压输电导线作为输电系统的核心部分,一旦发生火灾将可能造成严重的后果。目前针对电极形状对输电线路间隙击穿的定性定量研究较少。该文利用30 kV·A/50 kV高压工频放电系统、丙烷喷射模拟火源以及棒/板2种不同形状电极,从击穿电压、击穿极性特征、击穿电弧特征3个方面研究了火焰条件下电极形状对间隙击穿特性的影响。研究发现,火焰条件下间隙距离小于8.0 cm时击穿波形具有“两期两点”特征,即击穿前“放电诱导期”、临界击穿时“间隙击穿点”、击穿产生电弧后“电弧导通期”、电弧阶段性消失时“击穿消失点”。通过设置不同间隙距离,测量不同电极组合的平均击穿电压和平均击穿场强,发现随间隙距离增大,棒-棒和棒(阴)-板(阳)电极击穿电压值增加速率分别为最低和最高。相较于空气间隙击穿,火焰条件下由于存在火焰流场和热浮力,间隙击穿具有更明显的极性特征,不同电极形状会影响正负周期形成导电通道的概率。击穿方向为正周期时,棒(阴)-板(阳)电极组合击穿概率最大,击穿方向为负周期时,棒(阳)-板(阴)电极组合击穿概率最大。研究结果表明：击穿电弧演变过程可分为导通阶段、燃烧阶段和熄灭阶段,火焰条件下电弧体积明显增大,...     

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.     

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。     

高压电场中陶粒填充床对亚甲基兰的脱色效能

考察了高压脉冲电场中陶粒填充床对于亚甲基兰的脱色效能.实验结果表明,在高压脉冲电场与陶粒的相互作用下,亚甲基兰得到了有效去除.当反应条件为电压25 kV,通入空气流量为270 mL/min,亚甲基兰溶液初始质量浓度为5 mg/L,流速为40 mL/min,在反应180 min时,去除率稳定在78%左右.随着电压的增加,流速的减小,亚甲基兰初始质量浓度的减小和空气的通入,亚甲基兰的去除率都得到增加.在高压脉冲电场下,陶粒的存在增强了电场强度,同时放电过程也增强了陶粒对于亚甲基兰的吸附,二者的相互作用促进了亚甲基兰的降解.     

水平光滑管外油自然对流换热的电场强化效应

对水平光滑管外油的自然对流高压直流电场强化换热效果进行了实验研究,实验确认了对自然对流换热性能很差的油类工质施加高压电场能够有效地促进换热强化,同时比较系统调查了换热系数强化率与电场强度、油温、热负荷之间的相互耦合关系,发现换热系数强化率基本不受热通量的影响,而与电场强度存在强函数关系,实验中,当外加电压为４ＫＶ时的对流换热系数比大空间内自然对流换热系数约提高１倍。     

静电纺丝法制备PVP纳米纤维绳的研究

采用双针尖平行放置的一对细小铜针作为接收装置,聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)无水乙醇质量分数为10%,电压25kV,在不同的旋转数下纺出了PVP纳米纤维绳.在电纺丝喷丝针头和接收铜针间的静电库仑引力,以及纺丝间库仑斥力的双重作用下,电纺出PVP纳米纤维,纺丝电源中断后,一端的铜针固定,另一端作高速旋转,在接收器铜针的高速旋转下最终制得PVP纳米纤维绳.用扫描电子显微镜(SEM)对其进行表征.实验结果表明,接收器旋转速度和接收距离对多纤维结构的形貌有显著影响.讨论了纳米纤维的形成机理.     

Microstructure of premixed propane/air flame in the transition from laminar to turbulent combustion

In order to explore the flame structure and propagation behavior of premixed propane/air in the transi-tion from laminar to turbulent combustion, the high speed camera and Schlieren images methods were used to record the photograph of flame propagation process in a semi-vented pipe. Meanwhile, the super-thin thermocouple and ionization current probe methods were applied to detect the temperature distribution and reaction intensity of combustion reaction. The characteristics of propane/air flame propagation and microstructure were analyzed in detail by the experimental results coupled with chemical reaction thermodynamics. In the test, the particular tulip flame behavior and the formation process in the laminar-turbulent transition were disclosed clearly. From the Schlieren images and iron current results, one conclusion can be drawn that the small-scale turbulent combustion also appeared in laminar flame, which made little influence on the flame shape, but increased the flame thickness obviously.     

有限元法分析尖板电极结构的空间静电场分布

为了研究尖板电极结构的空间静电场分布,基于有限元数值计算方法,分别对完全空气介质和空气介质中掺有液态介质的空间静电场的场强变化进行了深入分析。有限元分析结果显示:空气介质的尖板电极结构的空间静电场是极不均匀的电场,在喷嘴尖端位置,场强迅速增加,达到最大场强值。单颗液滴在空气介质中的存在将引起液滴附近场域的场强发生较大变化;多颗液滴对喷嘴尖端的场强沿垂直方向上有明显的拉伸作用,由于液滴自身的场强叠加效应,它对空间静电场产生了垂直向扩张影响,从而扩大了整个空间静电场的电晕区。     

Demixing in simple fluids induced by electric field gradients

Phase separation in liquid mixtures is mainly controlled by temperature and pressure, but can also be influenced by gravitational, magnetic or electric fields. However, the weak coupling between such fields and concentration fluctuations limits this effect to extreme conditions. For example, mixing induced by uniform electric fields is detectable only at temperatures that are within a few hundredths of degree or less of the phase transition temperature of the system being studied. Here we predict and demonstrate that electric fields can control the phase separation behaviour of mixtures of simple liquids under more practical conditions, provided that the fields are non-uniform. By applying a voltage of 100 V across unevenly spaced electrodes about 50 micro m apart, we can reversibly induce the demixing of paraffin and silicone oil at 1 K above the phase transition temperature of the mixture; when the field gradients are turned off, the mixture becomes homogeneous again. This direct control over phase separation behaviour depends on field intensity, with the electrode geometry determining the length-scale of the effect. We expect that this phenomenon will find a number of nanotechnological applications, particularly as it benefits from field gradients near small conducting objects.     

基于RFPA-3D的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟

水力压裂裂缝的几何形态是评价压裂效果的主要因素,煤层受割理、层理和天然裂隙的影响,非均质性较强,对于垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力共同影响下的煤层水力压裂缝扩展规律还未形成系统认识。文章利用RFPA-3D数值模拟软件,研究非均匀分布的硬煤层和软煤层,在垂向主应力不变,不同水平主应力差下水力压裂三维裂纹的扩展过程和延伸规律,研究发现硬煤层水平主应力差接近时,水力压裂缝在煤层中延伸没有优势方位,形成网状缝;水平主应力差较大时,水力压裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展,其他分支裂缝初始阶段沿着最小水平主应力方向延伸,随后逐渐向最大水平主应力方向靠拢。软煤层水力压裂初始阶段,注入段附近煤层以井筒为中心向四周挤压,煤层被挤压形成一个“大肚子”区域,待煤层挤压到一定程度,煤层开始起裂、裂缝扩展;水平主应力差接近时,注入段煤层压实后,起裂形成网状缝;水平主应力差较大时,注入段煤层压实后,压裂缝沿最大水平主应力方向以及与最大水平主应力方向成45°夹角方向产生两条优势裂缝。研究成果在安徽芦岭井田Y-01煤层气水平井组进行应用,日产气突破10 000 m3。     

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.      

电场处理对赤葵种子萌发期发芽率抗盐性的影响

用不同强度的电场处理赤葵种子,分别在无盐和0.5%盐浓度下测定电场对种子发芽率的影响.统计分析表明:在0.5～4.5 kV/cm场强范围,不同电场强度对种子的发芽率影响不同.在0.5%盐浓度下,用2.0 kV/cm的电场处理赤葵种子,种子发芽率可提高14.4%,在无盐状态下,用1.0 kV/cm的电场处理赤葵种子,种子发芽率可提高11.6%.