非平衡等离子体对脉动丙烷预混火焰的影响

中国工程热物理学会 燃烧学 非学术会平议论衡文 等离子体对脉动丙烷预混火焰编号的： 影 响崔巍，顾炜伦，李水清*（清华大学 能源与动力工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室， 北京 100084）（Tel: 62773384, Email: lishuiqing）摘 要 将介质阻挡放电应用于燃烧增强，实验研究了非平衡等离子体对于入流脉动条件下丙烷预混 火焰的影响。通过本生灯法测定火焰速度，通过气相色谱分析确定丙烷燃料经非平衡等离子体作用后 的组分并计算物性，重点研究了不同限流速度、脉动幅度以及平均流速下等离子体对吹熄极限的影响。 实验结果表明，非平衡等离子体使丙烷预先裂解，提高火焰速度，并在一定区间内优化吹熄特性，增 强燃烧稳定性。关键词 非平衡等离子体；预混火焰；脉动；燃烧稳定性0 前言非平衡等离子体并非完全电离，其能量密度较低，粒子温度不均匀分布，电子温度高（110eV）而重粒子仍维持“冷”态，因而宏观气体温度可能维持在与室温相当的水 平。基于这一特性，非平衡等离子体技术可利用较低的能量产生大量高能粒子，目前已 广泛应用于化学合成、材料表面改性、空气与水处理、集成电路刻蚀、燃烧增强等诸多 领域1。非平衡等离子体对燃烧的增强作用主要体现在点火性能的提高与燃烧过程的控制， 其中的高能电子与气体分子的碰撞可引起分子离解、激发乃至电离，产生活性离子与基 团。因此在燃烧过程中增设放电设备，或是在燃烧前对气体进行放电处理，产生的等离 子体就可能对燃烧系统的反应程度造成影响，从而辅助控制其燃烧过程2,3。目前非平衡 等离子体的产生方式主要有介质阻挡放电（DBD）、微波放电（MWD）、高压脉冲放电（PD ）等，在燃烧增强领域均见研究报道4。非平衡等离子体对燃烧的增强效应，在稳态火焰中的相关研究已多有报道，但对于 不稳定条件下的燃烧控制则相对较少。本文针对流量低频脉动的情形，采用介质阻挡放 电激发等离子体，在预混前对丙烷燃料进行在线处理，研究等离子体对于燃烧的增强效 应。1 实验装置实验装置由叶片型预混旋流燃烧器，旁路系统、流控系统以及介质阻挡放电系统构成。基金项目：91641204 极端条件下发动机燃烧不稳定性的电场及等离子体控制基础研究本文米用的预混旋流燃烧器外径18mm,旋片倾角45,设置在喷嘴上方26mm处， 丙烷与空气在输入燃烧器之前预先混合。将一根直径 8mm 的钢棒安装在旋流燃烧器中 心，其头部高于燃烧器边缘7mm。燃烧器出口套以一外径19mm,高30mm的石英管， 以削弱空气流动的影响。旁路系统通过改变空气流速生成大幅度的流量脉动扰动，其结构如图1 所示。将一 旁路连接至空气主气路，通过时序控制器快速开闭其上的电动阀，从而对空气流速造成 大幅扰动。主气路与旁路各装一限流阀，用以调节背压，控制旁路流量比例。旁路气体 流量可随时通过湿式流量计测量。airDG645 Flowmeter图 1 旁路系统示意图流控系统与放电系统如图2所示，通过NI USB6536数字I/O模块将计算机生成的 电信号传输至流量控制器，并可通过反馈信号实时读取其开度。放电系统由高压电源、 金属电极、石英套管与示波器组成。国内许多研究者将放电设备紧邻燃烧器出口放置， 但研究表明介质阻挡放电的气动激励效应会加快气体混合，产生附加的燃烧增强效果5。 为排除气动激励效应的影响，本文将放电系统置于燃料气路，与燃烧器保持0.5m的距 离。图 2 流控及放电系统示意图由于流量脉动对火焰吹熄极限特性影响显著，因此我们米用介质阻挡放电对燃料进 行处理，观察丙烷通过放电区域后对火焰吹熄特性的影响。放电系统米用同轴介质阻挡 放电反应器。反应器中心为直径15mm不锈钢圆柱，同心安装于内径21mm,厚度2mm 的石英圆筒内。石英圆筒外包裹一层 90mm 长金属网作为高压电极。金属网电极与 CTP-2000K电源相连，中心不锈钢圆柱接地。金属网电极与中心圆柱间产生介质阻挡放 电等离子体。燃料从反应器一侧通入，流经放电区域后由另外一侧流出。图 3 介质阻挡放电系统示意图2 结果与讨论2.1 DBD 等离子体对火焰速度的影响 测量火焰速度的常用方法有对冲火焰法、球形传播火焰法、本生灯法等。其中对冲 火焰法的绝热条件良好，中心区域热损失小，干扰因素少，测量精度较高。但考虑到本 文的实际需求，在摘除旋片及中心体后，采用精度较低、操作简便的本生灯法，对火焰 速度的变化进行定性分析，实验结果如表 1 所示。表 1 等离子体对火焰速度的影响不放电5.0kHz6.5kHz当量比S cm/sL标准差S cm/sL标准差S cm/sL标准差0.8018627.136421.5879530.132852.7314732.535492.691080.8276328.780841.9210830.233292.6116932.027912.3886表1中采用了两组放电参数，幅值均为12.8kV，频率分别为5.0kHz与6.5kHz。在 这两组放电参数下，DBD设备释放的光、声强度均出现明显变化。表中的误差为五组测 量值的标准误差。由于本生灯法扰动因素较多，实验结果显示出较大的不确定性。在平均意义下仍可 定性地得出结论，DBD等离子体作用加快了丙烷预混火焰速度。2.2 DBD 等离子体对燃料组分及物性的影响文献显示，利用 DBD 等离子体预处理丙烷后，其燃烧产物的质谱分析结果出现明 显变化，反应程度提升3。本文为进一步探究DBD等离子体增强燃烧的机理，对等离子 体作用后的燃料气体开展组分分析，并计算其物性参数的变化。使用500mL气体收集袋，采集三工况下（无放电，5.0kHz放电，6.5kHz放电）DBD 系统出口的燃料气体，通过气相色谱技术分析气体组分，实验结果如图4所示。0. 343%99.657%f=5.0kHzc3h8(a)f=6. 5kHz0.454%(b)图4 5.0kHz放电(a)与6.5kHz放电(b)下燃料气相色谱分析结果由于丙烷燃料自身纯度限制，除上述组分外，各工况下的燃料气体中均存在极少量、 碳链长度略大于丙烷的烃类组分，其物性与丙烷接近，对于燃烧增强影响较小，此处近 似为丙烷处理。无放电工况下的燃料气体近似为纯丙烷。由图4可见，5.0kHz放电条件 下，燃料中出现了少量氢气；6.5kHz放电条件下，更多丙烷气体裂解为氢气以及碳链长 度较小的烷烃、烯烃。由于反应器距燃烧器距离大于0.5m，因此可以认为放电产生较短 寿命的自由基对火焰特性没有影响。考虑本实验中影响火焰速度的可能因素，注意到除组分变化外，来流温度变化同样 可能影响影响传播火焰速度。为了研究介质阻挡放电是否增加了燃料后的温度，通过热 电偶对DBD系统出口燃料温度进行了测量，发现放电前后仅有1C左右的变化，对丙烷 -空气混合物的温度影响可以忽略不计。因此，本文排除电流热效应的影响，认为火焰速 度的增强主要是组分裂解效应所致。对于充分偏离当量比的情况，反应中的质量扩散由乏组分控制。为研究DBD等离 子体对乏组分的影响，本文由 Le 数入手研究燃料的物性改变，其定义为7其中：为混合物热扩散系数，亠-为燃料相对混合物的质量扩散系数。为计算，将混合物的导热系数表示为8其中为组分的导热系数、热扩散系数以及摩尔分数，二为组分与的二元扩 散系数。将各组分的定压比热容J与密度:按摩尔分数加权平均求得:：，：:、:：，代入 定义式得出混合物的热扩散系数。预混气体混合物中涉及多组分扩散。由于惰性组分氮气过量，可采用简化计算方法求解各组分的有效二元扩散系数9其中二元扩散系数由下式计算101.00 X 10-3严75(為 + 需)1/2p(SiV)1/3 + (Z7v)1/32将燃料相对于混合物的扩散系数定义为F,mix = XiEFXii,mixture / XigF%i其中F为燃料组分集合。图 5 预混气体物性经由上述计算，所得结果如图5所示。DBD等离子体作用后，混合物的热扩散系数 减小，质量扩散系数增大，Le数减小2%左右，这些变化主要来源于氢气的生成，与火 焰速度的增强趋势具有一致性，其确切联系仍有待进一步的研究分析。(x 10_4m2/s) (X10_W/s)0. 18312.3 DBD 等离子体对脉动燃烧稳定性的影响为具体表征DBD等离子体对燃烧稳定性的影响，实验探究了不同条件下丙烷空气 预混火焰的贫燃吹熄极限（LBO）当量比，吹熄极限数值越低说明火焰越稳定。测量吹熄极限时，固定空气流率，以恒定速度限制丙烷流率，直至火焰吹熄。实验 发现，限流速度对吹熄极限存在明显影响。图6具体说明了三组限流速度参数对应的丙烷流量变化趋势，图7 为不同限流速度、不同放电参数下所得的吹熄极限数据。*DRF: Decrease rate of fuel flow ( % full range / s )图 6 丙烷流率控制函数(a6ej =%) aleM0 J auedo-ldBypass average flow: 1%Average flow rate: 15.31 SLMDecrease rate of fuel flow (1% full range/s)图 7 限流速率及介质阻挡放电对 LBO 当量比的影响限流速度最小时，DBD等离子体使吹熄极限稍有恶化，其余工况下，火焰稳定性得 到增强。本组实验平均流率较低（15.31SLM）,脉动比例较小（1%）,在限流速度同样 较小时，DBD对流体的扰动作用可能成为恶化吹熄极限的主导因素，其负面效应胜过了 组分裂解的化学增强效果；增大限流速度后，限流扰动掩盖了放电带来的流态恶化，使 化学增强效果得以显现。限流速度参数DRF取0.06时，增强效果最为明显，其后以此 为固定参数进一步开展实验。DRF： 0. 06% full range/s图 8 旁路流量及介质阻挡放电对 LBO 当量比的影响通过调节节流阀与主气路流率，在平均流率不变的前提下改变旁路流量比例，所得 实验结果如图8所示。在全部工况下，DBD等离子体均使吹熄极限降低，但旁路流量比 例较小时，实验数据分散度大，标准误差达到0.02，可信度低；旁路流量比例增大时， 实验结果的稳定性明显上升。究其原因，旁路流量比例等同于脉动的幅度，脉动幅度小 时，旁路系统自身的不稳定将会导致较大的相对误差。另一方面，脉动幅度越大，对流 体的扰动越强，限流、放电带来的干扰越不明显。此后，将旁路流量比例取为10%，进 一步研究不同流率下 DBD 等离子体的影响。DRF: 0. 06% full range/sBypass average flow: 10%Average flow rate (SLM)图 9 平均流率及介质阻挡放电对 LBO 当量比的影响如图9可见，随着平均流率的提高，DBD等离子体对燃烧稳定性的增强效果逐渐减 弱，在流率为24.46 SLM时，吹熄极限已稍有恶化。这说明,DBD等离子体的增强效应 并不随平均流率的提升而显著提高，气流脉动的幅值却线性增大，逐渐掩盖了组分裂解 的化学增强效果，使放电扰动再一次显现出来。值得注意的现象是，随平均流率的增大，吹熄极限当量比呈现出先降后增的趋势， 与常规情形不符。观察图 10 所示的火焰形态，可发现流率较小的两个工况下，火焰在吹 熄前明显脱离了回流区底部及中心体，在管壁取得稳定。其中，平均流率20.36 SLM时， 这一稳定的化学当量比区间更长，导致吹熄极限反而下降。平均流率24.46 SLM时，火 焰始终稳定在回流区底部，无征兆地突然熄灭，吹熄极限有了明显提升。这一现象可能 涉及更为复杂的远场稳定问题，不在本文的范围之内，因而数据组间的可比性较差，主 要关注同一流率下不同放电参数带来的影响。对比5.0kHz与6.5kHz的放电效果，6.5kHz工况下丙烷裂解程度更高，火焰速度更 快，但吹熄极限并未得到明显优化，在许多情形中，其实际效果反而较差。其中可能的 原因是6.5kHz放电对流场的干扰更大,频率增加带来的化学增强无法稳定地胜过流场干 扰的负面影响，两者的具体关系有待通过热线等手段的测量和进行更加细致的分析计算 进行进一步研究。图10 近吹熄火焰图像（左：15.31 SLM；中：20.36 SLM；右：24.46 SLM）3 结 论 实验发现，通过 DBD 等离子体预处理丙烷燃料，可使其组分预先裂解，改变物性 参数，加快火焰速度，对燃烧产生增强效应。在脉动条件下，介质阻挡放电的流动效应引入了新的扰动，某些情况下可能使燃烧 特性稍有恶化，等离子体增强效应仅在特定区间中得以显现。当气体流率更高时，需要 引入新的控制手段、放电形式或辅助技术开展燃烧控制。本研究有诸多未完善之处，等离子体化学作用与组分裂解及燃烧增强的确切关系， 等离子体流动效应与化学增强的相对影响，至今尚未明确。未来可采用更广泛的电源形 式与流动测试手段，进行更深入的研究分析。参考文献1 戴栋，宁文军，邵涛.大气压低温等离子体的研究现状与发展趋势J.电工技术学报,2017, 32(20): 1-9.2 Starikovskiy A, Aleksandrov N. Plasma-assisted ignition and combustionJ. Progress in Energy & Combustion Science, 2013, 39(1):61-110.3 Rosocha L A, Coates D M, Platts D, et al. Plasma-enhanced combustion of propane using a silent discharge. Physics of Plasmas, 2004, 11(5):2950-2956.4 吴云，李应红.等离子体流动控制与点火助燃研究进展J.高电压技术,2014, 40(7): 2024-2038.姜春阳，夏胜国，邹鑫，等.介质阻挡放电边缘电场对甲烷燃烧强化的影响J.高电压技术，2009, 35(1):26-30.6 Law C. Combustion physicsM. Cambridge University Press, 2006.7 Sung C J, Law C K. Structural sensitivity, response, and extinction of diffusion and premixed flames in oscillating counterflowJ. Combustion & Flame, 2000, 123(3):375-388.8 Lindsay A L, Bromley L R A. Thermal conductivity of gas mixturesJ. Industrial & Engineering Chemistry, 1950, 42(8): 1508-1511.9 Turns S R. An introduction to combustion : concepts and applicationsM. WCB/McGraw-Hill, 2000.10 Fuller E N, Schettler P D, Giddings J C. New method for prediction of binary gas-phase diffusion18-27.coefficients. Industrial & Engineering Chemistry, 1966, 58(5):