静电控制非预混甲烷气体对冲火焰层流现象外文翻译资料

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静电控制非预混甲烷气体对冲火焰层流现象

Abdul Rahman D. Farraj¹; Rajavasanth Rajasegar²;

Ashraf N. Al-Khateeb³; and Dimitrios C. Kyritsis⁴

摘要：

静电场可以对稀化学离子等离子体产生影响，通过非预混合的、经过氮气稀释的甲烷-氧气火焰在燃烧器进行了研究实验，对冲火焰定位在一个大规模的平行板之间的电容器中。结果表明，火焰的形态和位置可以通过静电单独控制。火焰的位置，可以通过所施加的电压来控制，电压的变化几乎独立于整个混合物的成分以及火焰的应变率。事实上，通过静电驱动，可以将火焰在缺少氧化剂的燃料喷嘴处完全消除。此外，研究此类火焰的计算框架在计算机程序中开发，并用于验证与先前计算所得的同类火焰形式。在今后的工作中，这个框架将被使用于静电场的计算，计算机程序可使火焰的基本物理现象得以探索。

DOI: 10.1061/(ASCE)EY.1943-7897.0000327. copy;2015 AmericanSociety of Civil Engineers.

作者关键词：

静电控制火焰；化学离子；非预混；对冲火焰燃烧器；熄灭；ANSYS流体。

引言：

非预混火焰的物理现象在现今是很容易解释。事实上，这样的火焰结构已经由Linan在1974年就进行过全面的数学分析^[1]，而对其的研究工作，是开始于Burke and Schumann在1928年的开创性课题^[2]。这个研究方向已经建立，对于大的活化能（即，对于所有实际产生的火焰），火焰的位置以及其若干性能（例如，最高温度和燃料的质量流量）主要取决于它的混合程度。反应物扩散至两者彼此混合，非预混火焰模型本身地建立就相当于一个存在着化学计量比例为2的两个反应物混合的大片位置。这引出了一个机械和化学性质耦合的火焰及其形态，在燃烧器的实际工作中，火焰的控制十分复杂。例如，一个常识性的问题：对喷射火焰增大燃料流量会影响火焰的喷射高度，或者说如何在有限制的条件下接近固体的表面并使非预混火焰可以正常的混合燃烧。

在早期所实现的火焰中包含离子的研究中（Lewis 1931^[3];Calcote 1957^[4]）介绍了电控制火焰的可能性。如果火焰可以在稀薄的等离子体中起作用，火焰将会产生适当的调整电场，这是可以想象的，在一定程度上电场可能会影响火焰的形态方式，这将有利于热传递，也是一种机械和化学性质相互独立的流动反应方法。在已经建立的模型中已为大家接受的模型（古丁等人。1979年A^[5]，B^[6]），尽管火焰的温度没有上升到足以产生热等离子体，但火焰中的一些燃烧中间体是带电的离子。正是由于它们的化学性质，这些带电的离子被称为化学离子。他们的确切性质已经在文献中进行过长篇的论述，但是在belhi等人（2010）最近的研究中，对这些化学离子的机制进行了详细地描述，其中所涉及到HCO 和H₃O 形成的理论获得了普遍的认同和接受^[7]。其首要的条件就是在静电控制下以及静电喷雾和固体颗粒的悬浮燃烧的环境下进行实验。这个想法首先是由Thong 和 Weinberg（1971）所提出的^[8]，随后由几个研究人员进行跟踪研究(Ueda 等人. 2002^[9]; Okai等人. 2004^[10]; Yamashita等人. 2008^[11]; Anderson等人. 2008^[12]; Agathou等人. 2014^[13];Kyritsis等人. 2015^[14]) ，其中Gomez等人，提供了最为持久和有效的电喷雾燃烧工作曲线。(Tang and Gomez 1994^[15]; Kyritsis 等人. 2004^[16]; Lenguito等人.2014^[17])。然后，有大量的工作在等离子体辅助燃烧中进行(Papac 和Dunn-Rankin 2007^[18]; Ju 和Sun 2015^[19])，虽然他们实现了对等离子体的引进和有效的控制，但这项实验需要一个非常具体的要求和结果，特别是因为它们涉及到烟雾颗粒的产生，并不总是有利的。

值得注意的是，这种不需要带电的液体燃料或等离子体产生而直接作用于化学离子的技术已经很少受到关注。然而，最近的分析所提供的数据表明，这种技术是有可能实现的。通过一系列简练的实验Chung等人表明静电可以通过一种合适的方式来影响到喷射火焰稳定性（Kim等人. 2012^[20]）。Belhi 等人对层流火焰的稳定性进行了数值模拟研究（2010）^[7]，他们提供了一种化学离子发生化学机制，这种机制适合于采用通过直接数值模拟（DNS）的层流火焰。该模型与Goodings等人(1979a^[5], b^[6])提出的详细化学模型相比较，有所简化；Goodings等人提出建立了化学离子可以作为电荷产生的主要机制。

本文探讨了通过静电操纵控制非预混对冲火焰位置的可能性。特别重要的是，火焰的位置是否可以通过静电驱动而不改变宏观的火焰化学和机械特性（总混合物的强度和施加应变速率）这种方式来确定。为此，在适当配置的实验燃烧研究中建立经过氮气稀释的甲烷—氧气对冲火焰模型，并且在ANSYS^[21]计算软件里形成计算框架，将可用于今后工作中燃烧和静电控制的组合计算。

图1.对冲式燃烧器示意图

实验装置

在对冲式燃烧器上建立由静电操纵的火焰，这种对冲式燃烧器由两个相对的圆柱形喷嘴组成，配置示意图如图1所示，该装置建立在一般的大气环境之下。形成一个轴对称的形态，经过氮气稀释的对冲甲烷—氧气火焰被建立在两个喷嘴之间。用氮气稀释氧气流，然后从上喷嘴供给到燃烧器，燃料和氮的混合物通过下喷管分别计量。一个单独的氮气流作为保护罩来保证火焰不受到周围环境的干扰。氮气、氧气以及甲烷气体含量的准确测量使用的是Matheson转子流量计（加州），型号为E700、E500、E300，根据生产厂商的规格说明，各个型号的流量计在提供容积流量测量的过程会有5%的估计误差。顶部喷嘴冷却形式使用的是水冷，因此当火焰所产生的热量不断上升时其可以得到相应地保护。钢丝网和细格栅在喷嘴出口处使用，以起到使燃料和氧气的速度均匀分布的作用。这两个喷嘴的直径为15毫米，两者之间的间隙距离是可控地，通过连接在下喷嘴的一个垂直平移装置来实现。在本次实验报告所涉及的实验中，两个喷嘴之间的距离被设置为20毫米。

两块铝板被分别连接到两个喷嘴上作为电极，来引入电场作用。从而有效地确定火焰在电容器两极板之间的位置。在两极板的中心钻孔并且孔的位置与喷嘴圆心重合，以此允许气体流过。导电网格被放置在铝板孔洞的中，以确保电场的尽可能均匀。直流高压应用于两板之间，两板串联着两个来自LD教学用品公司（德国，科隆）的可连续调节的高压电源，该电源能提供0至6伏的电压。这套装置可以产生一个电场强度变化范围在0至300 kV/m的电场。

实验是在一个恒定的燃料流速中进行的，并且选择对应于入口状态的特定的氧气—燃料比例条件下的氧气流速。总当量比从0.6到1.4进行变化，燃料喷嘴的速度可从0.25m/s变化至0.65m/s。以下是燃烧器的操作方式：设置燃料和氧气的流量后，将氮气逐渐增加到燃料和氧气流中，以保持一个扁平的火焰结构出现在燃烧器的中心。火焰的形态变化可以通过Andorrsquo;s iStar DH320T （英国，贝尔法斯特）具有强化电荷耦合设备的摄像机和尼康D3200（日本，东京）数码摄像机来实现可视化。

计算方法

通过平行对比实验观察静电操控火焰的实验现象，实验的重点被放在一个高保真的计算工具地建立，该工具用于分析基础物理理论。需要强调的是，这些引导性计算的目的不是为了引入静电模型，由于该模型超出了基本现象学的研究范围；而是为了建立一个易于使用的计算工具，并且可以用于表征针对以往详细研究中特定火焰的精确性。这个工具将会用于未来的研究探索，以静电对火焰结构的影响。

数学模型

控制方程描述了稳定的、无黏性的、层流的气体成分变化时的质量、动量、能量守恒规律，氮气气相分子的反应混合物，经过J型可逆反应，忽略反应物自身的动能，热扩散，和辐射传热，在一个保守的模型中，通过给出：

独立变量是空间坐标，因变量是混合物的密度rho;，混合物的速度矢量为，压力为p，基于温度变化的混合物的特定内部能量为e=e（T）；热通量矢量为q，以及k表示第k种物质类型。Y_k表示该物质的质量分数，J_k表示质量通量的矢量，M_k表示分子质量，omega;_k表示每单位体积的摩尔产率。使用该混合平均模型，对能量和质量的扩散传输由以下关系来描述：

这里，lambda;表示混合物的导热系数；T表示温度；k表示第k个类型，hk和DK等于物质混合的质量比焓减去平均扩散系数。该方程组通过采用一个标准的的本构方程组来表示一个热反应不完全的理想气体所组成的理想的混合物反应（Kee 等人.2003）^[22]。

计算方法

图2是所考虑的计算结构的示意图，二维轴对称区域边界条件如表1中所示。通过ANSYS Fluent与Chemkin-CFD组合(Reaction Design 2013) ^[23]，使用二阶整合方案来用于获取稳定的非预混对冲火焰。详细的GRI-Mech 3.0^[24]工作机制，由物质种类N=53和J=325的可逆反应获得的。计算区域使用140775个大小为 均匀网格进行离散划分，而这个计算步骤的执行是基于一个24核心，主频为2.7GHz的惠普(加利福尼亚州，Palo Alto)计算机来完成的。

表1.边界条件

图2.计算区域

结果与讨论

实验结果

火焰形态研究通过一组三个参数变量变化来进行的：

1. 火焰的总体应变率（K）：它是由逆流物质的质量流量来控制的，它本质上决定了达姆科勒数（DA）并且对火焰燃烧和熄灭的控制就像在手上一样灵活。
2. 总体混合强度的总当量比（）：该参数取决于燃料和氧化剂的质量流量，并且能够决定非预混火焰平面和对冲火焰停止平面的相对位置。
3. 电场（E）：电场被视为可以不依赖于应变速率和总体混合强度的机械或化学性质，而可以控制火焰形态的一个独立方法。在这种方式下，假设当火焰的定位在一定程度上可以通过静电来改变时，即使实验物质是一个应变率和混合强度都是恒定的整体，都可以被检测到。

这三个参数的控制分别如下：从每个喷嘴喷出的混合物各气体组分质量流量，混合物的分子质量计算公式是：

（7）

各个气体的质量流量是独立计量的，因而各气体的质量分数Y_k已知的，在室温和大气压力下的环境条件下，每个流体的质量密度rho;_n 可以通过理想气体定率来计算。

（8）

其中，下标n表示任意一个燃料或氧气流束（n=燃料或氧）；通用气体常数为。当密度是已知时，平均速度V_z；在每一个喷嘴出口的流束n，在区域A中的流量来计算。

（9）

最后该应变速率k在化学计量面（即火焰停滞位置），是使用以下公式(Seshadri and Williams 1978)^[25]进行估

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