作者简介: 方朝纲(1983—), 男(汉), 江西, 博士研究生。
该文选取丙醇、癸烷、柴油为实验液滴燃料,通过利用高速摄像机对液滴燃烧时火焰和粒径的实时测量,以及激光诱导白炽光(LII)对碳烟体积分数的测量方法,研究了重力场作用下液滴在垂直电场中的燃烧特性。研究结果表明: 三种燃料火焰高度均随极板间电压的增加而增加,火焰宽度随极板间电压的增加而减小; 丙醇燃烧基本不生成碳烟,癸烷及柴油火焰中碳烟体积分数随极板间电压增加而减少; 燃烧速率常数随极板间电压的增加而增加,其中丙醇、癸烷、柴油燃烧速率常数最大增加值分别为9%、20%、30%。分析研究表明: 电场对火焰的拉伸有助于抑制碳烟的生成和促进碳烟的氧化,降低了火焰中的碳烟生成量,削弱了碳烟对外的辐射换热,从而促进了燃料的燃烧。
Propanol, n-decane, and diesel droplets were selected as experimental samples to study combustion behavior of fuel droplets in a vertical electric field under gravity. A high speed camera was used to measure the combustion flame and droplet size, with laser-induced incandescence (LII) applied to determining soot volume fractions. The results show that the flame height of each fuel increases with increasing electrodes voltage, while the flame width decreases with increasing electrodes voltage. Propanol droplet combustion does not produce soot, with n-decane and diesel flame soot volume fraction decreasing with increasing electrodes voltage. Burning rate constants increase with increasing electrodes voltage with the maximum burning rate constant increasing by 9%, 20%, and 30% for propanol, decane, and diesel, respectively. Analyses show that electric field stretching on the flame induces soot formation suppression and promotes soot oxidation, reducing soot generation and weakening soot external radiation heat transfer, so as to promote fuel combustion.
化石燃料燃烧排放出大量的PM2.5,对大气环境和人体健康造成了严重的危害,其中液体燃料燃烧形成的碳烟对PM2.5的排放有重要贡献,针对柴油等液体燃料开发其清洁燃烧技术对于控制PM2.5排放具有重要意义。
碳烟是燃料中挥发分在燃烧过程中通过裂解、聚合等反应形成的,其经历的成核、长大和氧化过程与燃料性质和火焰结构密切相关。火焰中存在各种自由离子,包括正离子、负离子、电子等,这些离子在外加电场的作用下会发生运动,形成所谓的“离子风”[1,2]。对于气体燃料,目前有许多研究者研究电场与火焰的相互作用,研究对象主要包括火焰形貌的变化[3]、预混火焰的传播速度特性[4]、碳烟的形成及长大机制[5,6]、 NO的生成特性[7]等。这些研究结果都表明电场对燃烧特性有着不可忽视的作用。
对于液体燃料,Imamura[8]等对微重力场作用下单液滴在电场中的燃烧进行了较为细致的实验研究。研究结果表明: 液滴燃烧的火焰在电场作用下会变形; 燃烧速率常数在电场的作用下会发生变化,但未给出燃烧速率常数随着电压定量变化的关系,此外Imamura[9]等对碳烟颗粒在电场作用下的流场进行了研究工作,研究表明碳烟颗粒迁移速率随着电场强度的增大而增加,但未对碳烟生成量随着电场的变化进行研究。
重力场作用下外加电场对液体燃料液滴的燃烧特性、包括碳烟生成特性的影响尚缺乏系统研究。本文选取丙醇、癸烷及柴油作为实验燃料,在重力场作用下研究液滴在垂直电场中的燃烧特性,包括火焰形貌、碳烟体积分数和燃烧速率常数随极板间电压的变化规律,分析电场对三种液体燃料燃烧特性影响的机理。
实验装置的主体部分包括高压电源、两块铜片、光源、方型石英罩、ICCD摄像机、 Nd: YAG激光器等。两块铜片分别粘附于石英罩的内壁上,呈平行放置方式,铜片的大小为60 mm×60 mm, 两铜片电极的垂直距离为60 mm。高压电源主要用于产生电场,电场方向为垂直向上,电压范围控制在0~9 kV之间,微安电流表测量两极板间的电流值。实验系统如图1所示。
液滴燃烧实验在重力场的作用下完成,实验燃料为丙醇(C3H7OH)、 癸烷(C10H22)及柴油,液滴直径控制在(1.7±0.1)mm, 悬挂液滴的石英棒直径为0.7 mm左右。当液滴悬挂于石英棒上之后,利用已点燃的甲烷小扩散火焰去点燃液滴,之后瞬间撤离点火火焰。这是为了使得液滴能在常温常压的状态下燃烧,ICCD摄像机用于记录火焰的形貌以及液滴直径的变化过程。在拍摄液滴直径变化时,利用光源充当背景光,ICCD摄像机的频率设置为18 Hz, 碳烟的体积分数利用激光诱导白炽光(LII)的方法进行测量,测量过程中采用波长为532 nm、 频率为10 Hz的激光,实验采用的激光能量为0.3 J/cm2。滤波片中心波长为410 nm, 带宽50 nm, 平面激光的测量位置调整至液滴中心火焰所在的平面。
本文对重力场作用下三种燃料单液滴在垂直向上电场作用下的燃烧特性进行了实验研究,主要针对电场对火焰形貌、碳烟体积分数、燃烧速率常数的影响规律进行了研究,并分析了电场对三种液体燃料燃烧特性影响的机理。
为了对电场作用下液滴燃烧时火焰形貌的变化进行说明,给出了如图2所示的火焰形貌结果。对于单液滴燃烧而言,在重力场的作用下,火焰高度随着燃烧时间的推进,先逐渐增加而后逐渐减小,燃烧过程中总会出现最大火焰高度的时刻,同样火焰宽度随着燃烧时间也表现出同样的燃烧规律。在本文研究中火焰高度表示为 H, 火焰宽度表示为 W, 如图2中所示,另外最大火焰高度表示为 Hmax, 最大火焰宽度表示为 Wmax, 因此在图2中给出的是0 kV、 3 kV及7 kV极板电压时三种燃料液滴燃烧时间内最大火焰高度时火焰形貌的对比,以便比较不同极板间电压对火焰形貌的影响。顺便指出: 丙醇液滴燃烧时火焰呈现出淡蓝色,而柴油及癸烷液滴呈现出明亮的黄色。从结果可以看出: 丙醇液滴燃烧时火焰形貌随着两极板间电压的影响不是特别显著,但火焰高度随着极板间电压的增加而略微增加,并指向极板的负极端,说明电场引起火焰内的离子风作用有限。相反癸烷及柴油受极板间电压的影响较为明显,火焰高度随着两极板间电压的增加而升高,说明火焰形状的变化主要是受碳烟在电场下迁移的作用。碳烟颗粒大部分被拉向负极板,说明碳烟颗粒大部分是荷正电,但从柴油的燃烧情况更易看出液滴中心下方也同样存在碳烟,说明也有部分碳烟颗粒荷负电[2]。
 | 图2 三种不同液滴燃烧时火焰形貌的对比 |
依据图2中对火焰高度及火焰宽度的表示方法,本文对最大火焰高度及最大火焰宽度进行了定量测量,图3和图4分别给出了最大火焰高度及最大火焰宽度随着两极板间电压的变化关系曲线,图中纵坐标中的参数 d0为液滴的初始直径。为避免造成不同初始液滴直径所带来的测量误差,对于火焰高度及宽度的测量,采取是统计平均的方法,同一电压下对不同种类的燃料液滴重复4次燃烧实验,并参考已知的细棒直径对火焰高度及宽度进行标定,从测量结果分析来看,测量误差范围为3%。从图3可以看出: 丙醇的最大火焰高度随着两极板间电压的增加而增加,但增加幅度不是很大,相反癸烷及柴油的火焰高度随着两极板间电压的增加均会增加,增加幅度较丙醇明显,而柴油较癸烷明显,从图2看出癸烷的火焰宽度受极板间电压的影响较大,但不易确定火焰的边界,因此本文只给出了丙醇和柴油的火焰宽度与两极板间电压的变化关系曲线,如图4所示。从结果来看,丙醇火焰宽度随着极板间电压的增加,其值并无太大变化,而柴油火焰宽度随着极板间电压的增加而逐渐下降。
 | 图3 火焰高度与极板间电压的关系曲线 |
 | 图4 火焰宽度与极板间电压的关系曲线 |
由前面对离子风的描述中知道离子风的强弱取决于电场强度和单位体积内电荷数。在本文研究中认为电场为均匀电场,并且火焰对电场无影响。有研究[9,10,11]表明负离子是由于电子粘附于中性气体分子上而产生的,如碳烟有部分表现为荷负电特性,而正离子是由于燃烧时发生化学反应所产生的,也有研究[12]表明无烟火焰中正离子主要以H3O+和CHO+为主,但在火焰中两者浓度较碳烟浓度低很多。
在本文的研究中,三种用于燃烧研究的燃料的主要区别在于燃烧时有无碳烟生成,并且产生碳烟的能力大小依次为柴油、癸烷、丙醇; 因此,在无碳烟产生的丙醇火焰中,电场对火焰的影响相对较小,说明电场作用下的离子风较弱。而对于有碳烟产生的癸烷及柴油而言,由于碳烟颗粒的荷电特性,造成电场对火焰形貌的影响较大,说明电场作用下的离子风较强,并且柴油比癸烷更显著,主要是因为柴油比癸烷燃烧时较易生成碳烟颗粒。
本文利用LII激光测量方法对柴油及癸烷液滴燃烧时的碳烟体积分数进行了实际测量。在有碳烟生成的液滴燃烧过程中,碳烟体积分数随着燃烧时间先增加后减少,这点与火焰高度随着燃烧时间的变化比较类似。为了说明两极板间电压对液滴燃烧时碳烟体积分数的影响,选取燃烧过程中最大碳烟体积分数与两极板间电压的变化关系曲线来进行解释说明,如图5中黑色方圈中所包含的三个点的碳烟体积分数,并将不同极板间电压下所对应的最大碳烟体积分数作图6所示的对应关系曲线。从结果可以看出: 在电场作用下,癸烷和柴油的碳烟体积分数均随着两极板间电压的增加而逐渐下降,并且呈现出线性下降,无电场作用时可以看出柴油碳烟体积分数是癸烷的2.2倍左右。本文研究的两极板电压在0~9 kV范围内,当极板间电压为9 kV时,与不加外加电场时比较,柴油碳烟体积分数减少了将近70%,而癸烷为100%,但对应于相同极板间电压时,所测得的柴油碳烟体积分数都比癸烷高。顺便指出,对于癸烷液滴,当进一步提高两极板间电压时(>9 kV), 利用LII激光测量方法已经测量不出碳烟的生成量。
 | 图5 碳烟体积分数随着燃烧时间的变化规律( |
 | 图6 最大碳烟体积分数与极板间电压的变化关系 |
在扩散火焰中,燃烧过程较易生成碳烟颗粒,并且碳烟具有一定的荷电特性[5],在电场的作用下,碳烟颗粒会形成定向移动,并且与周围气体分子碰撞,产生强烈的“离子风”。有研究表明液滴燃烧时的碳烟移动速率随着极板间电压的增加而增加[9],这就表明电场对碳烟起到了促进作用,若碳烟在火焰中的滞留时间远大于燃烧反应时间,则会加速碳烟的氧化或逃逸,或者说电场抑制了碳烟的生成。这两种因素造成碳烟体积分数的减少,正是碳烟颗粒的减少,造成火焰向周围环境的辐射换热量减少。
燃烧速率常数是衡量液滴燃烧快慢的参数,在外加电场的作用下,燃烧速率常数是考查电场对液滴燃烧影响较为重要的参数,其值的求取通常是依据液滴直径随着时间的变化关系来获得。通过理论推导可以得出: 液滴直径 d2与燃烧时间t呈线性变化,这就是所谓的经典 d2定律,而这条线性直线的斜率即为液滴燃烧时的燃烧速率常数。如图7所示。
 | 图7 液滴在电场作用下燃烧时 |
图8给出了重力场作用下三种燃料液滴在电场作用下燃烧速率常数与两极板间电压的变化关系。纵坐标为两种燃烧速率常数的比值,其中 K0为液滴在重力场作用下的燃烧速率常数,实际测量得到丙醇为1.21 mm2/s, 癸烷为1.26 mm2/s, 柴油为1.42 mm2/s。从结果可以看出: 丙醇液滴的燃烧速率常数随着极板间电压的增加而增加,但增加幅度较癸烷和柴油要小。这点也同样在对火焰形貌的研究中有所体现,癸烷及柴油液滴燃烧速率常数随着极板间电压的增加而增加,对应于相同极板间电压时,三种燃料液滴的燃烧速率常数由大到小依次为柴油、癸烷、丙醇,并且两极板间电压为0~9 kV范围内时,柴油、癸烷及丙醇的燃烧速率常数最大增加值分别为30%、 20%、 9%。
 | 图8 燃烧速率常数与极板间电压的变化关系 |
理论研究[13]表明,碳烟对液滴燃烧速率常数的影响有重要作用,并且碳烟颗粒向外辐射换热的影响尤为重要。本文对柴油及癸烷液滴在电场作用下的碳烟体积分数进行了测量,碳烟体积分数随着两极板间电压的增加而减少,而通过实际测量得到三种液滴燃烧速率常数均随着极板间电压的增加而增加。本文认为正是由于碳烟体积分数的减少,从而造成火焰向外辐射换热量的减少,促进了液滴在电场中的燃烧,因而造成燃烧速率常数的增加。
针对不同的液体燃料,本文对重力场作用下三种燃料单液滴在垂直向上电场作用下的燃烧特性进行了实验研究,主要针对电场对火焰形貌、碳烟体积分数、燃烧速率常数的影响规律进行了研究,并分析了电场对三种液体燃料燃烧特性影响的机理,得出以下主要结论:
1) 电场对火焰形貌作用比较明显,火焰高度随着极板间电压的增加而升高,火焰宽度随着极板间电压的增加而下降,电场对火焰的影响由大到小依次为柴油、癸烷、丙醇;
2) 癸烷及柴油的碳烟体积分数随着极板间电压的增加而减少,呈现线性下降,无电场作用时柴油碳烟体积分数是癸烷的2.2倍左右,有电场作用时柴油碳烟体积分数的最大减少值近70%,而癸烷为100%;
3) 对于三种液体燃料,燃烧速率常数随着两极板间电压的升高而增加,其中丙醇、癸烷、柴油燃烧速率常数最大增加值分别为9%、 20%、 30%,电场对燃烧速率常数的影响由大到小依次为柴油、癸烷、丙醇;
4) 研究表明,火焰中碳烟对液滴燃烧速率常数有重要影响,电场的作用抑制了碳烟的生成,加速了碳烟的氧化,造成碳烟体积分数的减少。正是碳烟浓度的减少,减少了火焰向周围环境的辐射换热量,从而提高了燃烧速率常数。
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