高压力环境下电场诱导离子风对火焰的促进作用机制

The fundamental study on the effects of electric field on combustion enhancement was investigated at high pressure using the constant volume combustion chamber and high pressure stable combustion Bunsen burner combining with high speed Schlieren photograph and flame front structure laser diagnostic technique. And the coupling calculation of combustion chemical reaction and electric field will be conducted. The mechanism of combustion enhancement with electric field induced ionic wind will be studied at high pressure with high ion and molecular density. The effect of high frequency collison between ion and molecule on the interaction of ionic wind and chemical raction will be studied at high ion and molecular density condition. The flame structure will be measured in quantative with high temporal and spatial resolution using the PIV and OH-PLIF laser diagnostic technique. The coupling effect of corona discharge and ionic wind on combustion enhancement will be investigated. The major factor which influence the ecletric induced ionic wind and the effect of ionic wind on chemical reaction will be studied at near lean limit such as ultra-lean and/or high dilution ratios, of which the molecule and ion density is relatively low. The mechanism of combustion enhancement with electric field induced ionic wind will be clarifed in this study. New idea of combustion enhancement at lean condition will be promoted. The experimental data and theoritical guidance will be provided for the electrical assistant combustion enhancement model develop and combustion system design and optimization.

本项目利用高压定容燃烧瞬态火焰和定压连续燃烧本生灯驻定火焰两种基础火焰实验平台，结合高速摄像纹影、流场和火焰结构激光测试技术，以及燃烧场和电磁场数值模拟耦合计算。在高压力和高密度条件下开展电场诱导离子风对火焰化学反应促进机理研究。通过高压条件增加燃烧场密度，提高电场诱导离子与分子碰撞频率，探索高密度下离子与分子高频次碰撞对离子风和燃烧化学反应动力学的影响规律；利用PIV和OH-PLIF激光测试技术，实现高时间和高空间分辨率燃烧过程的定量信息测量，探索电晕放电与离子风强耦合效应及其对助燃的贡献；在超稀燃和大比例稀释等接近熄火极限条件下，研究在燃料浓度和火焰中离子浓度极低条件下，影响离子风的主要因素和离子风对火焰化学反应的影响机理。本项目将阐明电场诱导离子风对火焰化学反应的促进机制，为提高稀燃稳定性和燃烧速率提供新思路和方法，为电场助燃模型构建和燃烧系统设计提供基础实验数据和理论支撑。

为了研究电场在辅助碳氢燃料燃烧，特别是稀薄燃烧以及高压力背景条件下燃烧的中的作用，探索电场与燃烧场两场耦合的相互关系及作用，在高压定容燃烧瞬态火焰和定压连续燃烧本生灯驻定火焰两种基础火焰实验平台上，利用PIV粒子图像测速、OH-PLIF激光测量以及高速摄像纹影技术，在高压力背景和高密度条件下进行电场对火焰传播速度、稳定性、压力等燃烧参数和性能的研究，获得当背景压力为5atm时，电场对火焰传播速度的促进率达到113.0%，主燃烧期提前29.3%，峰值压力到达时间提前30.8%，相对1atm而言火焰传播速度提高了19%，燃烧压力峰值提高了10%，压力峰值达到时间缩短34%；获得直流电场对火焰的促进作用远大于交流电场，在稀燃条件下，正直流电场对火焰的促进作用大于负直流电场，低频交流电场的最佳频率在40 Hz附近；利用燃烧和电磁场仿真以及N-S方程，模拟计算火焰中性粒子和带电粒子在电场作用下的输运过程，获得负直流和低频(小于100 Hz)交流电场会使火焰面上的离子形成沿火焰面运动的离子风，离子风会改变火焰面内外的流场，使火焰传播速度、燃烧温度和自由基分布发生变化，高频(大于1000 Hz)交流电场中由于电场方向变换过快导致没有离子风形成，因此火焰的形状、流场、主要自由基的浓度和燃烧温度不会改变；解释了当增加负直流电场的电压时，火焰面在水平中心线上形成凹坑的原因主要是形成了以火焰面为分界线的离子运动所产生的漩涡，而该漩涡运动使得火焰两侧端部形成明显凹陷；验证了离子风的速度梯度使得火焰面在水平中心线的上下两侧位置处出现离子累积，确定离子是沿着火焰面运动的假设；发现在正电场中火焰传播速度的促进率只与电场强度、带电粒子浓度和电场作用于火焰的时间有关，而电子激发效应不占主导地位。上述研究及其结论对目前尚不清晰的理论问题做进一步的澄清，为提高燃烧效率，特别为提高稀薄混合气燃烧的稳定性和火焰传播速度提供新的思路和方法，同时也为高压力环境下离子风对火焰的影响提供基础实验数据和理论支撑。