0 前 言
随着低温等离子体应用技术的发展,其在控制流动和燃烧方面性能优异,通过高压放电产生适当类型的低温等离子体能够达到扩宽着火极限、提高燃烧效率、稳定火焰等目的[8-138-13]。低温等离子体辅助燃烧领域的一个重要研究方向是对射流火焰的控制。由于低气压放电相对容易,SUN等[14]建立了一个低气压部分预混甲烷火焰实验系统,开展了低温非平衡等离子体对甲烷火焰熄灭特性的研究,该火焰由上下一对喷嘴呈对冲形式产生,为便于和仿真研究相结合,电极分别平行布置于燃料喷嘴内部,研究结果显示等离子体能扩大熄火极限,且脉冲频率越高效果越显著。文献[15]同样针对对冲扩散火焰进行了研究,发现介质阻挡放电等离子体作用下着火温度可降低约100 ~ 200 K。NAGARAJA等[16]则在McKenna燃烧炉上布置网状平板电极,对0.033 atm气压下纳秒脉冲放电等离子体对贫燃氢-氧预混火焰的作用进行了研究,实验装置的设计使得火焰和放电等离子体耦合在一起,开启激励器测量结果显示诸如CH、OH、C2等重要活性组分浓度都增大了。HUTCHINS等[17]则以燃料喷嘴为中心电极,在丙烷抬升火焰外围布置环形电极,对火焰施加直流激励放电,考察了不同放电位置对火焰形态的影响。GALLEY等[18]将中心钝头体作为地电极,在火焰上方布置高压电极,结果显示纳秒脉冲放电起到了强化丙烷-空气预混火焰的效果。针对氢气扩散火焰,RETTER等[19]设计了一种“T”形布局的交流激励介质阻挡放电（dielectric barrier discharge, DBD）激励器用于火焰控制,成功将该锥形火焰转变为一平板形火焰。文献[20,21,22,23,24]则针对射流火焰设计了各种同轴式放电装置,激励源包括高频交流、纳秒脉冲、微秒脉冲及射频,实验均发现低温等离子体能提高火焰的稳定性和传播速度,光谱分析则显示放电产生了众多活性基团。还有一类针对旋流火焰的研究[25,26]同样发现低温等离子体可增强火焰的稳定性,并降低NOx等污染物的排放。
综合国内外等离子体控制火焰研究,绝大多数研究针对低气压,火焰为部分预混或者预混火焰,主要采用纳秒脉冲电源,并且涉及的扩散火焰研究中氧化剂是空气。而对于非吸气式动力装置,例如空间发动机,其氧化剂一般是纯氧。并且,当前相关研究中缺乏对火焰形态和释热的详细诊断,对等离子体影响火焰的内在机理研究不够深入。甲烷作为一种清洁燃料,价格低、易于储存,是未来空天动力装置的首选。鉴于此,本文综合利用多种测量手段实验研究了甲烷放电低温等离子体对甲烷-氧反扩散火焰的作用效果,获得并分析了等离子体电学参数、等离子体气动效应以及火焰特征参数变化规律,以掌握等离子体对该类火焰的影响规律和作用机理。其中正扩散火焰定义为甲烷在中间而氧射流包围着甲烷,反扩散火焰则是燃料和氧化剂的相对喷射位置与正扩散火焰相反。
1 实验系统
以等离子体喷注器为核心的等离子体控制甲烷-氧反扩散火焰实验系统见图1,其包括了四个分系统:燃料氧化剂供应系统、放电等离子体喷注器、燃烧测量与控制系统、放电控制及测量系统。燃料和氧化剂供应系统中气源的纯度均为99.99%,两者通过LZB转子流量计控制流量,标定后的氧气和甲烷流量计控制精度可达2.5‰。采用自主开发的测控计算机来控制管路中电磁阀的运作时序,并对火焰参数测量数据进行采集。
Fig. 1 Schematic of the DBD plasma inverse CH4-O2 diffusion flame manipulation experiment system图1 介质阻挡放电等离子体控制甲烷-氧反扩散火焰实验系统 |
一般用于辅助燃烧的等离子体放电生成方式有微波放电、电弧放电、滑动弧放电、介质阻挡放电、纳秒脉冲放电等[9,10],其中介质阻挡放电具有众多优点,如放电过程易于控制、适合长时间工作、能在较大空间产生相对均匀的等离子体以及宽工作气压等[10,27]。因此,本文基于DBD构型设计了一种同轴直流式低温等离子体喷注器。该等离子体喷注器由外层集气腔、中间层绝缘介质套管和中心金属喷嘴组成,其中绝缘套管为可耐1 973 K高温的氧化铝陶瓷,中心喷嘴和集气腔则为不锈钢材料,整个等离子体喷注器装配后实物见图2。中心喷嘴内径为5 mm、外径为7 mm,作为地电极;绝缘套管出口段外径为15 mm、内径为9 mm;高压电极贴附在绝缘套管近出口段外表面,沿套管轴向长度为50 mm,采用铜箔材料;装配方式上,中心喷嘴出口端面与铜箔电极出口端面平齐,且较绝缘套管内缩5 mm以增强燃料和氧化剂混合[28],同时有利于抑制爬电。燃料甲烷在充填集气腔后经喷注器环缝喷出,其中绝缘套管壁面上对称开有4个直径为2.83 mm的圆孔;氧气直接从中心喷嘴喷出。甲烷在环缝出口段高压电极覆盖区域会发生介质阻挡体放电而形成低温等离子体射流,随后在预混区甲烷等离子射流和氧气进行混合,形成点火所需混气环境,着火后形成的火焰类型属于反扩散火焰。
Fig. 2 Plasma injector图2 等离子体喷注器装配体 |
等离子体电源采用HVAC1-30AS高频高压交流电源,设备还包括调压器和工控机。电源输出电压为正弦波形,电压幅值为0 ~ 30 kV,载波频率为1 ~ 50 kHz,可连续或爆发模式长期运行,实验中设置载波频率为10 kHz[29]。
等离子体喷注器放电电压和电流分别由Tektronix P6015A高压探头和Person Model 6595电流线圈进行测量,并通过Tektronix 2024B示波器（带宽和采样频率分别为1 GS/s和200 MHz）记录。
为捕获喷注器出口射流形态,构建了反射式“Z”纹影测量系统,所用相机为Canon 600D单反数码相机。对放电图像和火焰参数的测量也采用该相机,镜头为Canon EF50 mm f/1.8 STM定焦镜头,为减弱振动对成像质量的影响,所有拍摄均利用快门线远程操作相机快门的释放,每个工况以连拍模式拍摄5幅图像。为获取火焰释热强度分布并定量诊断火焰特征参数,根据文献[29]方法选取碳氢燃料重要中间反应产物CH基的激发态作为分析对象,由于CH激发态存在于多个谱段,本文考虑无重叠、强度高等因素选择波长范围在415 ~ 440 nm的CH*基进行火焰自发辐射图像研究。有关本实验的更多操作细节和误差分析请参见文献[29]和文献[30]。
2 结果与讨论
2.1 放电电学特性及其形态
对于燃料与纯氧的燃烧反应,通常采用混合比来描述两者的配比,其定义为氧化剂流量除以燃料流量[3]。图3给出了甲烷-氧反扩散火焰存在条件下三种混合比对应的甲烷放电伏安特性曲线,工况参数为甲烷流量${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 1.0 L/min,放电电压Ud = 6.0 kV。可以看出电流信号出现剧烈震荡,这与纯氧环境下甲剧烈燃烧,燃烧区域与放电区贴近甚至重合有关。混合比M = 1.0、4.0、8.0工况对应的击穿电压依次为6.0 kV、5.2 kV、4.8 kV,即随着混合比增大击穿电压逐渐降低,这是由于贫燃火焰温度较高,使得喷嘴出口附近空间导电性更强。在M = 1.0时电流脉冲数目稀少、幅值很低,未见典型丝状放电特征,这是由于此电压下放电处于临界击穿状态,瞬时放电通道未建立起;增大混合比至4.0后放电已完全击穿,电流波形呈现出典型的丝状放电特征,整体上在电压上升沿负脉冲电流值较大,而在下降沿负脉冲电流较小;继续提高混合比至8.0,电流曲线特征不变,但是电流幅值及脉冲数量都减小了,这是混合比过高使得燃烧强度又有所减弱,而放电电流同时与放电和燃烧产生的带电粒子相关,导致所测电流减小、脉冲数量减少。
Fig. 3 Discharge current and voltage waveforms for different mixing ratios at ${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 1.0 L/min, Ud = 6.0 kV图3 火焰状态下甲烷放电电流、电压波形,${\dot{m}_{C}{{H}_{4}}}$= 1.0 L/min,Ud = 6.0 kV |
不同放电电压和甲烷流量（${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 0.2 L/min、0.4 L/min、0.6 L/min、0.8 L/min、1.0 L/mim）条件下喷注器环缝区域放电图像如图4所示,拍摄参数设置为感光度ISO = 6 400、光圈f = 1.8、快门为1 ms。在6 kV电压下放电十分微弱且不稳定,环形放电区呈淡蓝灰色,且发光强度不均匀,能分辨出丝状放电通道;当电压升至10 kV时,放电区呈灰色,丝状放电通道数目增多,放电发光趋于均匀;14 kV电压下丝状通道难以分辨,放电颜色变化为亮灰白色。可见电压对甲烷等离子体通道及颜色明暗的影响规律与其对空气等离子体相似[29],区别在于空气等离子体呈紫红色,即气体种类决定等离子体发出的可见光。由于气流速度增加不利于放电通道的稳定,因此对于同一放电电压,在6 kV时随着流速上升,放电区域变暗,表明放电减弱。但在较高电压下放电区光强受流速影响不明显,可能是激励强度足够大,在此流速范围内能够对流经环缝的气体工质较充分电离所致。
Fig. 4 Discharge photographs图4 甲烷放电图像 |
2.2 等离子体气动效应
采用纹影技术对甲烷流量0.4 ~ 0.8 L/min、放电电压0 kV、8 ~ 14 kV参数范围内的各工况喷嘴出口射流流场进行捕捉,测量方法与文献[29]相同,相机参数设置为快门250 μs、感光度ISO = 100、光圈f = 5.6。实验流程上只开启甲烷射流,依次设置${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 0.4 L/min、0.6 L/min、0.8 L/min,待射流稳定后施加放电,利用触发器以电压触发方式滞后3 s触发相机快门,并记录相应流场,结果如图5所示。图中部分工况射流出现偏折是由于甲烷密度低于空气,且射流流量较小,而实验非完全封闭静止环境,导致射流容易受到环境气体扰动。
Fig. 5 Schlieren images of the flow field above the plasma injector图5 甲烷放电时喷嘴出口流场纹影图像 |
对于未施加放电各工况,随着流量增大,射流高度明显增加。例如${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 0.4 L/min对应射流高度是4.1D（图中D代表喷嘴出口外径）,而${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 0.8 L/min时射流高度为9.1D,基本等于整个纹影视场高度。甲烷射流在施加放电后形态立刻发生变化,从相机实时监视器看出射流呈螺旋状上升。为便于比较射流角度变化规律,图6给出了不同气体流量条件下射流角随电压的变化。对于同一甲烷流量,增大电压,射流角逐渐扩大,扩大幅度则总体有所减小。具体来看,以Ud = 8 kV条件下的射流角为基准,${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 0.8 L/min时,射流角αj分别扩大了11.1°、17.9°、19.6°,表明Ud > 8 kV后电压作用效果明显减弱。射流在高度和角度上出现该变化是由于放电击穿后产生了等离子体,喷注器环缝中的甲烷等离子体具有气动效应,进而形成诱导射流,而该诱导射流具有轴向、径向和切向三个方向的速度分量（详细原因参见文献[29]）,对原始射流的影响是使得一定条件下射流穿透高度增加,沿展向有所扩宽。电压升高则放电丝状通道数目增多,通道电流增大,而根据等离子体虚拟气动“风扇”受力可知其产生的切向速度和径向速度与安培力有关,安培力越大则射流角扩张越显著,故提高电压,射流角增大。
Fig. 6 Jet angles under different magnitudes of discharge voltage图6 不同电压幅值对应的射流角大小 |
比较相同激励电压下气流速度对射流角的影响,发现总体上大流量对应大射流角,这可归因于等离子体通道虚拟“风扇”作用,通过“风扇”的气流在“扇叶”切割作用下速度具有轴向、横向和切向三个方向,来流加速则三个分量都增大,因此促进了射流横向扩张。少数工况出现不一致变化现象应与放电非定常性有关。另外,在Ud = 14 kV下射流的穿透高度明显有所降低,这可能是过高激励强度下射流横向扩展加剧,发生失稳所致。鉴于等离子体喷注器应用目标是发动机中的火焰稳定与助燃,既要促进燃料和氧化剂混合,又要防止射流火焰过于贴近喷射面板引起部件烧蚀,因此在射流宽度和高度上需要权衡。据图5可知,本文条件下Ud =10 kV、12 kV时等离子体对射流的控制效果较好。
另外,与过去研究的空气射流受放电影响相比[29],发现仅在8 kV时甲烷射流角为13.5°,略小于空气射流的14.0°,其余放电电压下甲烷射流角都明显大于空气,又因前文已指出甲烷流量越大,相同电压下其射流角越大,故推断甲烷等离子体气动效应强于空气。
2.3 火焰形态与释热
对于本实验,甲烷射流外部被环境空气所包围,其本身又环绕着氧气射流,因此完整的火焰结构为内外双层。由于外部空气处于静止状态,甲烷容易与之发生掺混,形成局部准预混的富燃火焰,中间氧气流速相对较快,与甲烷掺混较弱,多处于贫燃态。因本研究的火焰为反扩散型,氧化剂为纯氧,使得火焰本身很稳定,而火焰本身呈离子态,与喷嘴放电区域接触后容易发生爬电,而击穿电压约为6 kV,实验发现施加放电击穿后难以继续提高电压,故仅记录了未放电和6 kV电压下的数据。
2.3.1 可见光图像对比
图7为不同工况下甲烷-氧反扩散火焰图像,拍摄参数为快门50 ms,感光度ISO = 100,光圈f = 5.0,对火焰的CH*自发辐射图像获取采用了相同拍摄参数。首先观察小流量${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 0.5 L/min各工况火焰:恰当比时火焰顶部可见光约在标尺26.5 cm处,火焰呈尖顶状,焰身主体为蓝色,在喷嘴出口较低位置还有一圈环绕蓝色火焰的橙色火焰,这部分火焰即为甲烷与外界空气反应所致,火焰颜色反映出当地处于富燃;施加6 kV电压后火焰顶部高度略有下降,并且蓝色火焰中部有所变宽,橙色富燃火焰变少,表明甲烷更多地混入氧气流而反应了。随着混合比增大,中间氧气流速上升,火焰尖顶变为开口状,直至M = 12.0时蓝色火焰外形接近圆筒;M = 4.0时施加放电后外层橙色火焰几乎完全消失,类比混合比上升时该外焰的变化表明放电起到了增大混合比的效果,鉴于放电工质是甲烷,等离子体的作用应是促进了甲烷向上方和中间运动;M ≥ 8.0条件下初始火焰很低,其对喷嘴出口及环缝空间的导电性产生了较大影响,因此可以看到放电后火焰变红,红色火焰应与碳烟以及喷嘴金属离子逸出有关,出现红色火焰后极易发生火花放电。
Fig. 7 Photos of CH4-O2 inverse diffusion flame under different voltages图7 不同电压激励下甲烷-氧反扩散火焰图像 |
再观察大流量${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 1.0 L/min各工况火焰:M = 1.0时氧气流量较小,甲烷射流主要与外界空气发生反应,形成黄色富燃火焰,中间蓝色火焰则被黄色火焰包围,其高度不超过1 cm,6 kV电压作用下黄色火焰顶部高度有所下降,火焰身部变宽;增大混合比至恰当反应条件,原来内层蓝色小火焰发展为很高且尖顶的主体火焰,外层黄色火焰则仅存在于喷嘴出口很短一段距离,颜色则变为橙色,施加6 kV电压后内外两层火焰焰尖均变低,同时外层火焰颜色变暗,表明甲烷与中间氧气射流掺混更好,这主要由于等离子体气动效应导致甲烷穿透深度较小,而沿着展向扩散增强。对于所研究的几种混合比,外层火焰一直存在,这与甲烷流量较大有关。受限于流量计量程,实验中无法继续提高混合比。
2.3.2 CH*自发辐射图像对比
图8给出了与图7对应各工况火焰CH*基自发辐射图像,由图可知火焰释热区尺寸变化规律基本与可见光图像一致。对于${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 0.5 L/min,当M = 2.0时放电使得释热区高度有所降低,释热强度分布变得不均,强度峰值也明显降低,这是由于等离子体气动效应作用下增强了中间甲烷向周围的扩散,改变了喷嘴出口附近燃料和氧化剂的掺混,使得喷嘴内发生回火,火焰整体下移,然而图像捕捉的火焰为喷嘴外部部分,使得图8a表现为释热区高度下降,喷嘴外火焰释热强度降低;当M = 4.0、8.0和12.0时,火焰释热分布在高度上略有增大,强度也有所增加。对于${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 1.0 L/min,M = 1.0时释热区发生断层,说明外层火焰反应主要在较高空间,而内层火焰反应区仅存在于喷嘴出口小范围,在6 kV电压作用下主要释热区中部强度明显减弱,而释热峰值增大了,反映出等离子体对射流的作用范围能达到较高空间;当混合比M ≥ 2.0时,放电对释热分布形态影响不大,但是均能增大释热强度,只是混合比越大作用越弱。
Fig. 8 CH* chemiluminescence images of CH4-O2 inverse diffusion flame: (a-d) ${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 0.5 L/min; (e-h) ${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 1.0 L/min图8 甲烷-氧反扩散火焰CH*自发辐射图像:（a ~ d）${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 0.5 L/min;（e ~ h）${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 1.0 L/min |
2.3.3 火焰特征参数研究
为掌握等离子体对甲烷-氧反扩散火焰特征参数的影响,图9给出了不同工况下的火焰尺寸、火焰中心释热强度及其上下误差,其中火焰中心高度Hc、特征长度LF及释热的定义与获取方法见文献[29]。实验中火焰形态总体稳定,图9表明误差在可以接受范围内。总体上小流量、小混合比条件下等离子体作用效果更明显。在所研究的工况中,甲烷流量为0.5 L/min、恰当混合时火焰中心高度变化最大,降低幅度达73.4%;对${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 0.5 L/min的贫燃火焰施加放电后火焰高度略有上升,而混合比越大上升幅度越小,火焰特征长度变化规律与中心高度相同,只是受放电改变程度较小。甲烷流量为1.0 L/min的各工况火焰高度与长度变化较小,其中火焰中心高度受放电而变化最大值仅为0.69 mm,特征长度最大变化量仅为1.47 mm。火焰中心释热强度方面,施加6 kV电压后各工况燃烧基本都有所增强,总体同一甲烷流量条件下混合比越大等离子体对释热强度改变越弱。综上可知,等离子体能小幅改变甲烷-氧反扩散火焰特征参数,强化燃烧的效果相对明显。
Fig. 9 Characteristic parameters of CH4-O2 inverse diffusion flame under different voltages图9 不同工况下甲烷-氧反扩散火焰特征参数随电压变化 |
2.4 喷注器功率
基于燃烧状态测量的喷嘴放电电流与电压值可得到各工况下的等离子体喷注器平均功率,以${{\dot{m}}_{\text{C}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$= 1.0 L/min为例,M = 1.0、2.0、4.0、8.0对应功率值（Ud = 6 kV）分别为3.2 W、5.2 W、6.5 W、6.1 W,即随着混合比上升喷嘴功率先增大后减小,这是由于火焰燃烧先增强后减弱,因而喷嘴附近空间导电性也先增大后减小,根据火焰功率得到这四个工况的费效比最高仅为0.98%,这与文献[31]中等离子体控制甲烷-氧气正扩散火焰相比更低。但在所研究的工况范围内,放电等离子体对甲烷-氧气反扩散火焰形态及释热的影响不如对甲烷-氧气正扩散火焰的影响显著。
3 结 论
基于自主设计的等离子体喷注器,对低温等离子体影响甲烷-氧反扩散火焰进行了实验研究,主要考察了喷注器电学特性、放电等离子体图像、等离子体气动效应以及火焰形态和释热等,并计算了放电功率,结论如下:
等离子体喷注器甲烷放电具有典型丝状放电特征,燃烧状态下增大混合比,甲烷击穿电压下降,放电电流则先增后减;甲烷等离子体呈灰白色,电压上升则放电发光增强,而较低电压下气流速度上升则放电减弱;施加放电后受甲烷等离子体气动效应作用,甲烷射流角有所扩大,且电压越高射流角扩张越显著,增幅则逐渐减小;等离子体诱导射流的轴向速度分量促进了射流垂直方向的穿透能力,过高激励强度下射流会严重失稳、横向扩散剧烈,导致射流垂直方向穿透能力反而减弱;放电增强了甲烷向中间氧气射流以及上方空间的运动,促进了两者混合,使得多数工况下火焰高度和长度略有下降,火焰释热强度整体上升;受燃烧影响,增大混合比喷注器功率先升后降。在本文实验条件下,当以强化燃烧、稳定火焰为目标时等离子体激励器工作在小流量、低混合比条件下作用效果更佳。
