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。
为了提高天然气燃烧速度,促进火焰传播,提高火焰稳定性,研究了稀燃条件下电场对层流预混火焰的影响。进行了常温、常压下的定容燃烧弹试验,分析了负电场和高频交流电场对天然气/空气预混稀燃火焰形状、燃烧压力、压力升高率、火焰燃烧期的影响。结果表明:过量空气系数1.6下,加载交直流电场均使火焰发生形变;当加载直流-5 kV电场与有效值为5 kV频率5、10、15和25 k Hz交流电场时,燃烧压力峰值分别增大6.96%、8.84%、10.50%、13.78%、14.40%,峰值到达时间提前14.67%、13.58%、18.93%、25.41%、27.97%;加载交直流电场,主要使火焰初始燃烧期缩短。交直流电场对火焰均有促进作用,且高频交流电场对火焰的促进作用优于直流电场。
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。
