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/cm^3,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10^2~10^3 Hz左右。

直交流电场对甲烷—空气预混球形扩展火焰的影响

为验证直流/交流电场对甲烷—空气预混球形传播火焰的助燃机理,模拟研究了火焰分别受气动效应、热效应和两者叠加作用的影响。采用的模拟方法是:向火焰锋面Navier-Stokes(N-S)方程添加动量源项和能量源项。进行了相关的实验,以验证模拟的正确性。结果表明:直流电场对火焰的影响主要是气动效应,火焰锋面内粒子的迁移和涡流是其中的主要因素。在1 k Hz以下的低频交流电场中,电场对火焰的影响主要是气动效应和热效应的叠加作用。而在1 k Hz以上的高频交流电场中,因该频率远高于粒子响应所需,故不存在气动效应,此时电场对火焰的影响是由热效应产生的。

高电压下浓/稀天然气燃烧特性的对比研究

利用定容燃烧装置研究了高电压作用下浓/稀天然气火焰的燃烧特性,并探讨了以自由电子为主的阴离子对火焰燃烧的作用机理。试验中加载电压为0 kV、5 kV和10 kV,浓/稀混合气的过量空气系数λ分别为0.8和1.4。在加载电场作用下,球形膨胀火焰在与电场相反方向上的火焰传播明显加快,火焰传播速度和火焰拉伸率随加载电压的增强而增大,稀燃混合气的火焰传播的增强程度最为明显。加载10 kV电压时,λ为0.8和1.4火焰的平均速度比没有电场作用时分别增加了36.4%和49.5%。火焰传播速度的增强,促进了燃烧过程的进行,使得混合气燃烧的滞燃期缩短,压力升高率增加,且压力峰值时间提前。稀燃混合气的燃烧压力峰值有较大提高,而浓燃混合气的压力峰值变化不大。试验中加载电场对球形膨胀火焰燃烧的作用机理可用火焰中的阴离子,尤其是O-2主导的离子风效应来说明。同时,电场在一定程度上也促进了火焰燃烧化学反应的进行。

预混火焰拉伸和曲率效率的物理分析

湍流燃烧的基本火焰结构是拉伸的曲面涡管;拉伸流场中的管形火焰模拟了湍流燃烧的细微结构。本文对平面预混火焰、拉伸预混火焰和管形拉伸预混火焰进行了质量、能量和组分的守恒分析。通过对比这几种火焰,揭示了火焰拉伸效果是通过优先扩散改变火焰温度和熄火极限;而火焰曲率通过增强或削弱这种优先扩散效果来影响火焰温度,影响的大小和火焰厚度与火焰半径的比值呈正比。

拉伸率及曲率对预混火焰参数的影响分析

本文假设简单流场和一步化学反应机理,采用渐进分析法计算了三种特定的拉伸或曲面预混火焰(平面火焰、管式火焰和球面火焰)的火焰速度和火焰温度。火焰速度和火焰温度可以通过两个耦合的非线性代数方程用简单的数值方法求解。基于火焰曲面效果的物理分析,将得到的分析结果拓展到一般曲面火焰,给出了曲面拉伸火焰的火焰速度和火焰温度的曲率效果关联式。通过关联式对平面拉伸火焰的参数进行修正,可以得到任意曲面拉伸火焰的火焰速度和火焰温度。