旋转滑动弧等离子体对稀燃旋流火焰影响的实验研究1)

王金华 琚荣源 蔡 骁 张玮杰 黄佐华

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安 710049)

引言

为了解决现代世界日益增长的能源需求和满足严格的排放法规,迫切需要革新常规燃烧技术,以大幅提高能源转换效率、燃料灵活性和减少排放.先进的发动机需要在极端的燃烧环境中工作,如稀燃、高温、高压、高速和高稀释等条件,可靠点火和稳定燃烧面临着巨大的挑战.钝体、旋流或两者的组合是燃机和航机等燃烧系统中典型的稳定燃烧方式,但是在稀燃预混燃烧技术中,燃烧不稳定和吹熄仍然是重大的挑战.

电场和等离子体因为其热作用、化学动力学作用和流动作用,在辅助点火和燃烧方面引起了全世界广泛的关注,等离子体已被证明是解决极端条件下点火和燃烧稳定性问题的潜在方案[1-2].研究表明,等离子体可以缩短点火延迟时间,稳定甚至控制燃烧,提高燃烧速度,以及减少污染物排放.之前的研究集中在探索和表明利用各种等离子体放电增强燃烧稳定性和可燃极限的有效性,并揭示等离子体稳焰的机理以及对污染物排放的影响规律.Kong 等[3]使用针-针等离子体放电来稳定湍流预混火焰,并利用CH2O-PLIF,CH-PLIF 和瑞利散射测温成像等激光诊断技术,研究了丝状等离子体放电稳定湍流火焰的机理,并提出了一个重复点火-火焰传播模型来解释火焰稳定过程.Choe 等[4]研究表明,纳秒重复脉冲等离子体可以显著拓展甲烷旋流火焰的吹熄极限,他们发现等离子体提供了一种火焰锚定机制,但他们并未研究等离子体对自由基分布的影响,指出需要进一步测量OH 分布.在后续的研究[5-6]中,氨气作为无碳燃料引起了广泛的关注,他们表明施加等离子体能够增强氨气火焰的稳定性,并且能够降低NOx排放.Zare 等[7]和Zhou 等[8]分别研究了纳秒重复脉冲放电和交流电源驱动的介质阻挡放电对扩散火焰稳定性的影响,表明等离子体可以明显提高扩散火焰的稳定性,火焰的抬升高度降低,吹熄速度增加.Gao 等[9]进行了OH,CH2O 和CH-PLIF 测量,以研究滑动弧辅助火焰的详细结构,并根据火焰的详细拓扑结构,划分了6 个不同的区域.Kim 等[10-11]研究了介质阻挡放电对燃烧稳定性、稀燃吹熄极限(LBO)以及污染物排放的影响,但他们并没有利用激光诊断技术研究火焰结构.Lacoste 等[12]研究了等离子体对NOx的影响,表明纳秒脉冲放电对NO2的影响比较小,NO 随着放电功率增加而增加.

尽管学者们做了大量的工作去理解等离子体与燃烧之间的相互作用机理,等离子体助燃研究依旧面临巨大的挑战,主要是因为等离子体的类型比较多,具有不同的放电特性,并且等离子体助燃涉及到多个过程和多个学科交叉.另外由于燃烧、放电的时间和空间尺度存在不确定性,等离子体的各个效应相互耦合,难以进行解耦.

旋转滑动弧具有增加等离子体的体积覆盖范围和适用于高压的优点,与湍流和火焰作用的时间更长,助燃效果显著,是一种非常有潜力的放电形式,引起了广泛的关注.Lin 等[13]研究了旋转滑动弧作用下的熄火边界、喷雾特性和裂解产物,从雾化蒸发改善和燃油裂解重整两个方面揭示助燃的机理.Tang 等[14]利用滑动弧放电来拓宽受限和非受限旋流火焰的可燃极限,同时Sun 等[15]通过OHPLIF 和PIV 同步测量获得了旋流火焰结构和瞬时流场,揭示了滑动弧稳定预混旋流火焰的机理.最近,Kong 等[16-17]利用高速摄像研究了在稀燃吹熄极限附近,旋转滑动弧辅助甲烷旋流火焰的燃烧特性,另外通过实验和模拟研究了旋转滑动弧的点火过程.在我们之前的研究中,实验表明了旋转滑动弧等离子体能够稳定甲烷[18]和氨气[19]旋流火焰,拓宽火焰的稀燃吹熄极限.然而,关于三维旋转滑动弧等离子体的产生机理和放电特性,以及调控燃烧的主要路径,尤其是等离子体的温升效应和化学效应有待深入研究.另外为了理解旋转滑动弧等离子体与燃烧场耦合的多场和多过程的相互作用及其潜在的应用,需要获得等离子体对燃烧过程的影响规律、机制和效果,包括火焰结构、可燃极限和稳定性以及污染物排放特性等方面.

本文的主要目的是研究三维旋转滑动弧放电等离子体对稀燃预混钝体旋流火焰的影响规律,为深入理解旋转滑动弧及在燃烧中的应用提供一些参考.首先我们研究了旋转滑动弧等离子体的特性,包括电学和光谱特性,运动特性以及其温升影响;接着,利用OH-PLIF 技术得到了旋流火焰结构和转变过程;最后,通过测量燃烧室出口的NOx,获得了等离子体对燃烧污染物排放的影响规律.

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

本文实验在预混钝体旋流燃烧器上开展,图1为实验系统示意图,包含了气体供应系统、OHPLIF/PIV 系统、放电参数测量系统、等离子体发射光谱测量系统、红外热像仪测量系统和FTIR 污染物测量系统.钝体旋流燃烧器的详细结构以及OHPLIF/PIV 系统的详细介绍可以参考之前的工作[20].燃料首先与空气预混,然后减速,并进一步在内径为35 mm 的混合管中混合.钝体和旋流器同轴安装在混合段的下游,旋流器由8 个叶片组成,角度为45°.直径为25 mm 的不锈钢锥形钝体作为高压电极,在燃烧器混合管中安装高压电馈通,向中心钝体高压电极提供高压电位.燃烧器出口的金属板作为接地电极.在这种电极布置中,等离子体放电是在钝体和燃烧器出口之间的5 mm 间隙区域产生.燃烧室为方形截面,4 块石英玻璃可以安装在燃烧室周围,以防止周围空气卷吸.

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

高压电极连接电源(CTP-2000 K 等离子体发生器,频率为40 kHz),可产生正弦电压,然后通过高压探头(TektronixP6015 A)测量施加电压,并通过电流监视器(Pearson Electronics 6600)测量放电电流.采用数字示波器(Tektronix DPO4104 B),同时记录电压(U)和电流(I)波形.利用高速相机拍摄电弧运动图像分析旋转滑动弧放电的动态运动过程.为了研究旋转滑动弧放电的光谱特性,采集了空气中等离子体放电的发射光谱.为了定量测量滑动弧放电带来的温升效应,我们利用热电偶和红外相机分别测量了燃烧室壁面温度和中心钝体表面温度.针对火焰燃烧场中诊断,利用OH-PLIF 技术得到了旋流火焰结构和转变过程;最后在FTIR 污染物测量系统中,将取样探头放置在距离燃烧室出口100 mm 的位置,取样探头的温度由保温带控制.详细的方法和步骤可以参考文献[21].

1.2 实验方法

本实验是在常压下开展的,采用甲烷作为燃料,当量比φ的范围为0.8-LBO,空气的流量为50～230 SLM(标准升每分钟),实验过程是从当量比为0.8 时点火,固定空气流量不变,逐渐减少燃料流量,直至发生吹熄.实验中施加的电压为0～ 20 kV,根据施加的电压大小,放电可以分为两类: 电晕放电和旋转滑动弧放电.当施加电压不足以击穿形成电弧放电时,由于中心钝体电极尖端的电荷密度很高,电场强度与电荷密度成正比,因此在尖端可以形成弱电离电晕放电[22].进一步提高电压,电极间隙被击穿形成电弧放电,在旋转气流的作用下,形成旋转滑动弧放电,数码照片如图2 所示,这是本文研究的重点.滑动电弧是一种薄的,线状的等离子体柱.在电极之间的环形间隙中反复击穿,向旋流驱动的方向移动,拉长和伸展,直到熄灭.旋转滑动弧放电的电压电流波形如图3 所示.

图2 旋转滑动弧放电的数码照片Fig.2 Direct images of a rotating gliding arc discharge

图3 旋转滑动弧放电的典型电压电流波形Fig.3 Typical voltage-current waveforms of a rotating gliding arc discharge

通过调节调压器的位置可以改变施加电压和放电功率,通过电压(U)和电流(I)的积分来计算沉积在火焰中的能量[23-24].可知电晕放电的功率比较低,大约为4.6 W,而对于旋转滑动弧放电,实验中采用了两个电压,低电压和高电压分别对应于调压器位置为125 V 和175 V,低电压滑动弧放电和高电压滑动弧的放电功率分别约为120 W 和150 W.

2 实验结果和讨论

2.1 旋转滑动弧的动态过程

旋转滑动弧放电过程中,电弧一方面拉长和伸展,另一方面随着旋流发生旋转,如图2 的数码照片所示.为了更加直观地认识电弧运动和动态周期过程,利用高速相机(2000 帧/s)拍摄电弧运动图像.在高激励电压和空气流量为110 SLM 的工况下,拍摄的电弧运动形态结果如图4 所示,内圈为中心钝体高压电极,外圈为燃烧器的金属板,作为接地电极.图4(a)～ 图4(e)是滑动弧放电的一个完整周期,约为20 ms,可以看到电弧在电极间隙之间发生击穿、滑动,拉长和伸展,最后熄灭,在电极间隙处形成新的击穿,如图4(e)中明亮部分所示.另外可以看到电弧在高压电极端滑动,然而电弧在接地电极端几乎保持不变.当新的击穿发生时,电弧的位置发生了明显的变化.图4(f)为在620 ms 放电时间内滑动弧的运动轨迹图,主要统计了击穿时刻电弧的位置,滑动弧分布比较稀疏,表明击穿次数比较少,旋转速度也比较低.

2.2 旋转滑动弧放电的光谱特性

利用型号为AvaSpec-ULS2048 四通道光谱仪采集了空气中旋转滑动弧放电的发射光谱,采样积分时间设置为1000 ms,此外采用电位移平台调整光纤的位置,测量了4 次,取平均值作为最终结果.在高激励电压和空气流量为110 SLM 的工况下,获得的等离子体发射光谱结果如图5 所示.

图5 旋转滑动弧放电的发射光谱Fig.5 Optical emission spectroscopy of RGA plasma

从图5 中可以观察到旋转滑动弧放电的发射光谱主要包含NO(A2Σ+→X2Π)谱带、OH(A2Σ→X2Π,0-0)谱带,氮分子第二正带系N2(C3Πu→B3Πg),处于310～ 400 nm 的范围内,以及氮分子离子第一负带系N2+(B2Σu+→X2Σg+),对应波长为391.4 nm.另外,在光谱波长为777.4 nm 出现了O 原子谱线,在光谱波长为746.8 nm 和822 nm 观察到了N 原子谱线[25],在568 nm 处观察到了氮离子的发射光谱[26],表明滑动弧等离子体可以将氮气和氧气解离,产生的活性自由基有利于燃烧化学反应[27-28].

2.3 旋转滑动弧放电的温升效应

在滑动弧等离子体强化燃烧过程中,热效应起到关键作用,等离子体的热效应会使得温度增加,因此需要表征旋转滑动弧放电的温升效应.由于滑动弧放电电磁干扰比较强,比较难捕捉等离子体周围气体的温度.本文利用红外相机和热电偶分别测量了冷态放电时中心钝体表面温度和燃烧室壁面附近空气温度,从宏观电极加热和气体温升来侧面反映非平衡等离子体的温升效应.

图6 为红外相机测量的结果,其中图6(a)为红外相机拍摄的图片,由于旋转滑动弧放电比较局部,可以看到电极局部出现了红色,表明放电能够增加电极的温度,局部温升可达160°.接下来我们统计了3 个温度,分别为钝体中心的平均温度,中心线上的平均温度以及整个钝体的平均温度,结果表明电极壁面的平均温度略有升高,约为10°,相比于局部温升可以忽略不计.

图6 红外相机测量结果Fig.6 Infrared camera measurement results

图7 为热电偶测量燃烧室壁面附近空气温度结果,对比了不同电压和不同流量下,旋转滑动弧放电对空气温升特性的影响.可以看出随着施加电压的增加,放电的平均功率增加,使得空气温度增大;随着空气流量的增加,一方面放电的功率密度降低,另一方面空气的冷却作用增强,均使得空气温升减小.

图7 热电偶测量燃烧室壁面附近空气温度结果Fig.7 Temperature results of air near combustion chamber wall by thermocouple measurement

2.4 旋转滑动弧放电对钝体旋流火焰结构的影响

首先利用数码相机获得了火焰的宏观形态,当量比从远离吹熄(0.8)变化到接近吹熄(0.55).图8中第1 行展示无等离子体时旋流火焰的结构及结构转变.火焰形态可以根据火焰稳定位置分为3 种:(1) 内剪切层(ISL) 火焰、(2) 外剪切层(OSL) 火焰、(3)旋涡破碎区火焰[4].图中可以看到在高当量比下是稳定的V 形火焰,且稳定在内剪切层.当量比降到0.6 时,在外回流区观察到火焰,火焰上下闪烁,属于振荡火焰.随着当量比的进一步降低到临近吹熄0.55 时,火焰根部燃烧强度微弱,再降低当量比,火焰根部出现局部熄火,火焰脱离燃烧器出口,成为抬升火焰.

图8 不同当量比下有等离子体和无等离子体的火焰数码照片Fig.8 Digital photographs of flames with and without plasma at different equivalence ratios

图8 中第2 行展示了施加旋转滑动弧放电后火焰形态,可以看到明亮的部分为旋转滑动弧放电,在远离吹熄时火焰的形态与无等离子体时变化不明显.随着当量比降低,之前的振荡火焰和临吹熄火焰变得稳定,附着在等离子体柱上.因为旋转滑动弧的能量比较高,等离子体柱上方的甲烷-空气混合物可以被点燃,所以可以显著地拓宽旋流火焰的LBO.当空气流量为110 SLM 时,无等离子体的条件下旋流火焰的吹熄极限约为0.52,当调压器电压分别为125 V 和175 V 时,吹熄极限拓展到约0.36 和0.3,表明施加旋转滑动弧等离子体后,旋流火焰的吹熄极限能够拓展30%以上.随着施加电压的增加,扩宽效果也更好,施加电压对延长吹熄极限有显著的影响.

在本研究中,采用OH-PLIF 技术来测量不同当量比下无等离子体和有等离子体时火焰拓扑结构和火焰前锋面.不同当量比下单张和平均的OH-PLIF结果如图9 所示,空气流量为110 SLM,激励电压为高电压.随着当量比降低,无等离子体时的火焰结构中,OH 信号分布的区域面积逐渐减小,火焰的下游出现强烈的扭曲和褶皱.施加旋转滑动弧放电后,观察到即使在极低当量比下,火焰也可以维持,这远远超出了无等离子体时火焰的吹熄极限.在非常稀薄的条件下,例如当量比为0.45,等离子体柱上方和附近的混合物也可以有效地点燃,火焰被锚定在等离子体柱上.此外,观察到等离子体柱周围的较高OH 信号强度,特别是等离子体上方,证实了滑动弧一方面可以通过等离子体化学产生OH 自由基,并且OH 可以通过气流输运,能够促进燃烧[29],另一方面表明旋转滑动弧可以通过热效应和点火效应促进OH 等自由基的产生,进而增强了化学反应,尤其是在稀燃条件下[14].由于旋转滑动弧放电的位置在火焰的根部,等离子体对外回流区和内剪切层的影响相对较大,如图9 中红色线框所示.

2.5 旋转滑动弧放电对污染物排放的影响

为了更深入地理解等离子体对污染物排放的影响,利用FTIR 气体分析仪测量了钝体旋流火焰在有/无等离子体时燃烧室出口NOx的排放,可以获得燃烧烟气中的NO,NO2和N2O 这3 种组分的含量,对于碳氢火焰,实验发现N2O 含量非常低,可以忽略.

为了对比,首先利用FTIR 气体分析仪测量了旋转滑动弧在空气中放电时污染物的排放,可以看到随着放电电压的增加,NO 和NO2含量是增加的,例如NO 在低电压滑动弧放电时含量为1.55 × 10-4,而在高电压滑动弧放电时含量增加到3.28 × 10-4,如图10 所示.等离子体放电会产生大量的NO,一方面是因为在等离子体放电作用下氮气和氧气分子通过与电子碰撞反应产生激发态分子和自由基促进NO的生成,例如通过振动激发态N2(v)与氧原子的反应生成NO 以及振动激发态O2(v)与氮原子的反应生成NO[30]

图10 旋转滑动弧等离子体对NOx 排放的影响Fig.10 Effects of RGA plasma on NOx emissions

另一方面是因为旋转滑动弧的能量很高,热效应比较大,等离子体柱的温度约1100 K[31],也会通过Zeldoviah 机理促进热力型NO 的形成[32]

随着放电电压的增加,增加了功率,促进了高能电子的产生,进一步通过电子反应碰撞导致活性物种增加,另外温度随着放电电压的增加而增加,均促进了NO 的生成.

对于碳氢火焰,施加旋转滑动弧放电等离子体会造成NO 和NO2的排放明显增加.随着当量比的降低,等离子的施加使得NO 增加的幅度变大,例如当低电压旋转滑动弧施加到当量比为0.8 的火焰时,NO 增加了约65%,当量比为0.55 时,NO 增加了约102%.随着放电电压的增加,NO 的排放明显增加,对比于低电压旋转滑动弧放电,高电压旋转滑动弧放电的NO 排放增加了约70%.此外,从图10 中可以观察到,NO 的排放随着当量比降低而降低,这个结果与文献中一致[11].当量比降低,使得火焰处于更加稀燃的条件,温度降低减少了NO 的生成.在火焰中放电形成的NO 比空气中放电少,可能归因于等离子体 产生NOx需要氧气和火焰会消耗氧气之间存在一个竞争关系,空气中放电NO 的形成主要来源于等离子体化学和Zeldoviah 机理,而火焰可能会消耗一部分的氧气和氧原子,使得产生的NO 对比于空气中放电产生的NO 有所降低[33].

图10(b)中可以观察到当量比为0.4 时NO2的排放比较高,然后快速下降,这可以从两个方面进行解释: 一方面,当量比为0.4 时,火焰在等离子体的助燃下能够维持,但是燃烧强度和程度较低,且处于极稀燃状态,火焰的温度较低且氧气过量,NO2的生成主要是通过NO 的氧化反应[32],另外NO 与臭氧的反应也导致NO2生成[34],在高温条件下臭氧不稳定,因此在低温条件下NO2排放较多

另一方面,由于燃料的存在,燃料会经历低温氧化,产生大量的过氧烷基(RO2),例如甲基过氧自由基(CH3O2),增强了NO 向NO2转化[35-36]

随着当量比增加到0.5 以上,可以从图9 的OH-PLIF 结果可以看到,旋流火焰的燃烧强度增强,燃烧温度同时也增加,NO2与燃料自由基的反应(H,CH3等)增强[37],促进了NO2的消耗,使得在高当量比下NO2的排放大大降低.关于等离子体与燃烧化学对NOx排放影响的详细机理有待进一步研究

对于工业燃烧系统中,面临着严格的排放法规,旋转滑动弧放电带来的NOx是不可接受的,但是需要注意的是,等离子体作为一种辅助点火和助燃的方式,是在极端燃烧情况下才会启用,例如航空发动机在高海拔区域受到低温的影响容易熄火,等离子体助燃可以帮助发动机再点火.

3 结论

针对旋转滑动弧等离子体放电特性以及对燃烧的影响,本文实验研究了三维旋转滑动弧放电等离子体对稀燃预混钝体旋流火焰的影响规律,并对等离子体的放电特性进行了详细的表征,围绕电学和光谱特性,运动特性以及其温升影响开展了相应的实验.本文得到主要结论如下.

(1) 旋转滑动弧等离子体放电特性,例如转动速度、放电周期等与空气流量和施加电压有关.通过发射光谱分析发现,滑动弧放电等离子体中存在NO、OH 自由基、氮分子、氮分子离子、O(777.4 nm)原子和N(746.8 nm 和822 nm)原子等活性粒子,有助于增强燃烧中的化学链式反应.旋转滑动弧的整体热效应比较弱,主要表现为局部加热作用,同样地受到空气流量和施加电压的影响.

(2) 旋转滑动弧等离子体能够提高火焰稳定性和拓展吹熄极限.在临近吹熄时能够改变火焰结构,使得不稳定火焰和抬升火焰重新稳定燃烧.稀燃吹熄极限能够扩展30%以上,旋转滑动弧等离子体可以作为连续点火源和火焰稳定器.

(3) 旋转滑动弧等离子体能够增加甲烷旋流火焰的NOx排放,旋转滑动弧因为等离子体化学和热效应导致NOx排放显著增加,对于当量比为0.8 时,低电压滑动弧放电导致NO 增加约65%.NO 的排放随着当量比降低而降低.燃料的加入使得NO 的含量低于空气中放电时NO 的含量.等离子体与燃烧结合起来对NOx排放的影响机理有待进一步的研究.