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。     

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。     

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。     

低频交流电场对甲烷/空气预混火焰影响的机理研究

为了明确低频交流电场对火焰的作用机理,在常温、初始压力0.3MPa下,施加电压有效值为5kV、频率f=40,60,80,100Hz的电场对甲烷/空气混合气的燃烧特性进行研究,建立了预混甲烷/空气火焰离子反应模型,对燃烧过程各粒子的浓度变化进行模拟,将实验与模拟结果综合进行了分析。结果表明:加载低频交流电场后,预混球形火焰在横向发生明显形变,随着频率的增大,平均火焰传播速度S_L和压力峰值Pmax均逐渐减小;模拟计算表明随着频率的增大,双离子风发展程度ξ_(eff)逐渐减小,平均火焰传播速度增大率ΔS_L和压力峰值增大率ΔPmax与双离子风发展程度ξ_(eff)的线性拟合相关系数分别为0.995 82和0.919 96,ξ_(eff)与电场对火焰的促进作用密切相关;电场下火焰前锋面粒子间的碰撞作用程度与火焰的宏观拉伸形变之间存在着直接联系,基于碰撞作用的双离子风效应是低频交流电场对预混火焰的主要促进因素。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

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     

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.     

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%。     

基于Python的CO2/O2氛围下柴油燃烧火焰特征分析

为分析柴油在CO2/O2氛围下燃烧的火焰特征,利用光学定容燃烧室测试并拍摄了6种不同工况下的柴油燃烧过程. 基于自编的Python代码对火焰图像进行后处理,提取出火焰浮起长度、红绿分量比、平均亮度、相关性系数、面积变化率和重叠率等特征参数并进行分析. 结果表明：在空气和CO2/O2氛围下,柴油火焰浮起长度和相关性均随燃烧进程先增大后减小再增大,平均亮度则先增大后减小,其在空气下和35% CO2+65% O2氛围下的峰值分别为210.75 px和138.89 px. 在火焰发展阶段,红绿分量比保持在0.8~1.2之间,而在火焰熄灭阶段,随着CO2浓度减小和O2浓度增大,红绿分量比有所减小. 与在空气下燃烧相比,柴油在CO2/O2氛围下的燃烧火焰形状更加细长,湍流现象更加明显,火焰浮起长度缩短,平均亮度下降.     

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.     

缸内压力信号中燃烧激励引起高频谐波的特征参数

针对振动信号与缸内压力信号辨识的相位燃烧特征参数间存在滞后角、且不同工况下滞后角不一致的问题,研究了缸内压力信号中可用于表征高频谐波能量的特征参数.分析了缸内压力信号的时频分布特点,确定燃烧激励信号的频带范围;建立了单缸柴油机一维仿真模型,对峰值压力等参数进行了分析.结果表明:峰值压力、最大压升率、最大压升率与燃烧始点到最大压升率点间隔角比值及燃烧始点到峰值压力点间隔角与缸内压力信号高频谐波能量呈近似线性关系;所提出的参数,包括实测振动速度信号中的■能用于表征高频谐波能量,为基于振动速度信号特征参数修正相位滞后角提供了参考.     

生物柴油燃烧火焰温度场的实验研究

对生物柴油经由旋流燃烧器在炉窑内燃烧时火焰区域温度场的变化规律进行研究,分析不同过量空气系数和助燃空气温度对火焰区域温度场的影响。研究结果表明:轴线上火焰温度较低,沿轴线远离喷嘴方向变化趋势为先平缓增大,随后快速增长,到达峰值后又迅速回落;增大过量空气系数,火焰高温区长度变短,且逐渐靠近喷嘴,火焰温度分布越来越稳定,局部高温区更集中,沿燃烧方向火焰温度分布向均匀化发展;提高助燃空气温度,火焰整体温度升高,高温区域面积变大,燃烧过程趋于稳定,在垂直方向上火焰上扬趋势越来越明显。     

直流电场对甲烷/氨/空气预混层流火焰的影响

为了初步探究直流电场对氨/碳氢混合燃料燃烧特性的影响,在定容燃烧弹台架上开展正、负直流电场对甲烷/氨/空气预混层流火焰传播特性影响的研究。实验分为两部分:在常温常压条件下,保持过量空气系数不变,改变甲烷/氨混合气中氨的掺混比,对不同配比的甲烷/氨/空气混合气分别加载正、负直流电场;保持氨在甲烷/氨混合气中的掺混比不变,对不同过量空气系数的甲烷/氨/空气混合气分别加载正、负直流电场。实验处理后得到各工况下火焰传播发展图像、平均火焰传播速度、速度提高率、完全燃烧时间和完全燃烧时间提前率。结果表明:负直流电场比正直流电场促进火焰传播效果略强,负直流电场对火焰的拉伸近似为圆角矩形而正直流电场近似为梭形,且拉伸效果随氨的掺混比增加以及过量空气系数的增大而增强;正、负直流电场能够加快火焰传播速度,缩短完全燃烧时间,且促进效果随着电压增大而增加;两种电场的促进效果都会随着氨掺混比增加和过量空气系数的增大而增强。本实验说明,高压直流电场对促进氨/碳氢混合燃料的稀薄燃烧有明显提升作用。     

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。