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江苏大学|左磊，王军锋，高健，王道睿：电场调控生物柴油液滴燃烧行为

学术   2024-09-27 16:50   北京  

电场调控生物柴油液滴燃烧行为

左磊 1 王军锋 1,2 高健 1王道睿 1

（1. 江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013；2. 重庆大学能源与动力工程学院，重庆 400044 ）

DOI：10.11949/0438-1157.20240006


摘 要 电场作用下的液滴燃烧是研究静电喷雾燃烧的基础。设计搭建了电场作用下燃料液滴燃烧实验装置，通过可视化手段研究了竖直电场中生物柴油液滴的燃烧行为，分析了不同电场度下的火焰形貌、液滴形态演变特征及液滴燃烧规律。结果表明，电场力与自然浮力的竞争决定了火焰形貌，随着电场强度增大，向上火焰、准球形火焰和向下火焰相继出现，表现为上火焰高度减小、下火焰高度增大、火焰宽度先增大后减小、火焰锋面面积先减小后增大，其最大变化幅度依次为69.9%、243.1%、17.0%、10.9%。由于火焰锋面是燃料蒸气和氧气的反应区域，液滴的燃烧持续期随着电场强度增大而呈现先增大后减小的趋势，最大变化幅度为18.1%。
关键词 生物柴油；多相流；界面；电场；液滴燃烧；火焰形貌；燃烧持续期

Electric field-regulating combustion behavior of biodiesel droplet

ZUO Lei 1 WANG Junfeng 1,2 GAO Jian 1WANG Daorui 1

（1. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China；2. School of Energy and Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China ）

Abstract: Droplet combustion in an electric field is the research basis of electrostatic spray combustion. An experimental setup of fuel droplet combustion in the electric field is constructed. The combustion behavior of the biodiesel droplet is investigated by using the visualization method. The effects of electric field strength on flame and droplet morphologies as well as the droplet combustion law are discussed. The results show that the competition between the electric field force and natural buoyancy determines the flame morphology. As the electric field intensity increases, upward flames, quasi-spherical flames and downward flames appear one after another. It manifests that the upper flame height decreases, the lower flame height increases, the flame width first increases and then decreases, the flame front area first decreases and then increases, and their maximum change amplitudes are 69.9%, 243.1%, 17.0% and 10.9% respectively. As the flame front is the reaction area between fuel vapor and oxygen, increasing the electric field strength leads to a successive increase and decrease in the combustion duration of the droplet with a maximum variation of 18.1%.
Keywords: biodiesel；multiphase flow；interface；electric field；droplet combustion；flame morphology；combustion duration

引 言

碳氢燃料火焰通过化学电离和离子化学等方式产生大量带电粒子，如CHO+、H3O+、、e-、、OH-等[1-2]。电场可作用于这些带电粒子来调控燃烧过程[3-4]，这表明电场是优化碳氢燃料燃烧特性的一种有效方式。气体燃料在电场中的燃烧已经得到广泛研究，涉及火焰形貌[5]、火焰稳定性[6]、火焰温度[7]、火焰传播[2,8]、一氧化碳/氮氧化物/碳烟排放[9-11]、热声行为[12]等，作用机理主要有离子风、欧姆加热和非热电子的动力学增强等[10,13]。
对于液体燃料，应用电场的研究主要集中在雾化性能上[14-17]。于金属喷嘴施加高电压，喷嘴尖端的液体受到剪切应力作用演变成锥体，当电荷密度接近瑞利极限时锥尖产生细小液滴，形成静电雾化现象[18-19]。基于燃烧器，液体燃料静电喷雾燃烧得到了广泛研究[20]。Deng等[21]构建了多通道静电喷雾燃烧系统，开展航空煤油JP-8静电喷雾燃烧实验，发现体积放热率可达270 MW/m3，与传统燃气轮机处于同一水平，而且在一定工况下一氧化碳与二氧化碳排放量的比值可降至1%以下。Gan等[22]在喷嘴-网状电极的基础上增设环电极，考察乙醇静电喷雾在喷嘴-环-网状电极燃烧器中的燃烧性能，发现环电极的加入显著减小了液滴尺寸，提高了液滴尺寸分布的均匀性，从而降低一氧化碳排放并提高燃烧效率。此外，他们还在网状电极上增设铂网，考察金属铂对乙醇静电喷雾燃烧的催化作用，发现铂网的存在可以加速乙醇分解，实现较低燃料供应下的稳定燃烧，增加燃烧效率并降低一氧化碳排放[23]。Jiang等[15]基于喷嘴-环-网电极结构开展了生物柴油-乙醇混合燃料的静电喷雾燃烧研究，发现在生物柴油中掺入乙醇可以产生尺寸小且均匀的液滴，降低一氧化碳和碳烟排放，拓宽了吹熄速度和当量比的稳定极限。
为深入了解静电喷雾的燃烧细节，研究电场作用下的单液滴燃烧过程是十分必要的[24-25]。Imamura等[26-27]分析了竖直电场对燃料液滴火焰形貌的影响，并在一维稳态分析的基础上提出火焰变形与电场参数间的函数关系。Luo等[28]研究了电场作用下乙醇液滴燃烧情况，发现随着电场强度增大，火焰高度减小，火焰宽度略有增大，火焰温度先升高后降低，液滴温度逐渐降低。方朝纲等[29]研究了竖直电场作用下正癸烷液滴在重力场中的燃烧特性，分析不同电场方向下的火焰形貌、液滴燃烧速率和碳烟体积分数的变化，指出碳烟颗粒向周围环境的辐射换热量是液滴燃烧速率的影响因素。此外，他们还研究了竖直向上电场作用下丙醇、癸烷和柴油液滴的燃烧特性，发现电场可以降低碳烟体积分数和增加液滴燃烧速率，而且电场对液滴燃烧速率的影响由大到小依次为柴油、癸烷、丙醇[30]。
以往的研究主要集中在电场对火焰和液滴行为的作用规律上，鲜有学者研究电场作用下火焰和液滴间的相互作用机制。基于此，本工作选取生物柴油作为实验燃料，研究单液滴在竖直电场中的燃烧行为，具体考察了电场作用下的火焰变形和液滴演化过程，分析火焰尺寸、火焰锋面面积、液滴归一化平方直径和不同燃烧阶段与电场强度间的关系，探讨电场作用下的火焰形貌对液滴燃烧的作用机理。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

电场作用下燃料液滴燃烧实验装置如图1所示。

图1   电场作用下燃料液滴燃烧实验装置Fig.1   Experimental setup of fuel droplet combustion in electric field
使用正高压直流发生器和两个水平网状电极产生均匀电场，其中两个网状电极间的距离为40 mm，上电极和下电极分别连接正高压直流发生器和地面。将两根直径为0.12 mm的石英丝交叉黏附在陶瓷框架上构成液滴悬挂装置，其中陶瓷框架和石英丝的导热性和导电性均较差，对液滴传热和电场影响小。使用微量移液器生成直径为（1.2±0.1）mm的液滴，并将其悬挂于石英丝交点处。使用12 V高温模块经由镍铬丝产生电弧，点燃液滴，电弧持续时间为300 ms。整个液滴燃烧装置放置在封闭环境中，以避免气流干扰。实验环境为25℃和常压。所研究的电压范围为0~8 kV，对应的电场强度(E)范围为0~200 kV/m。每个实验工况重复5次。
使用数码单反相机(Nikon D5)配合广角镜头(AF Micro Nikkor 200 mm)在自然光环境下拍摄火焰形貌，相机分辨率和帧率分别为1920 pixel×1080 pixel和60 帧/s。使用高速相机(Phantom V1611)配合显微镜头(Navitar 12X)捕捉燃烧过程中的液滴形态，相机分辨率和帧率分别为768 pixel×768 pixel和10000 帧/s，液滴拍摄的环境亮度由LED光源配合散光板提供。
由于棕榈生物柴油原料丰富、价格低廉、不易变质，选用棕榈生物柴油作为实验燃料[31]。其在25℃下的理化性质见表1。

表1   生物柴油在25℃下的理化性质Table 1   Physicochemical properties of biodiesel at 25℃


1.2 数据处理

本研究所涉及的定量分析主要基于相机所捕捉的图像。采用上火焰高度(Hu)、下火焰高度(Hb)、火焰宽度(W)、火焰锋面面积等描述火焰变形。上火焰高度和下火焰高度分别定义为石英纤维丝交点上方和下方的最大竖直火焰长度。火焰宽度的确定方法如下：选取距离竖直石英纤维丝最远的火焰轮廓上的两个点，将通过这两个点的两条竖直线确定为火焰宽度的边界，这两条竖直线之间的水平距离定义为火焰宽度。使用Image J图像软件测量上火焰高度、下火焰高度和火焰宽度。图2展示了获得火焰锋面面积的火焰图像处理过程：首先，从原始图像中提取计算区域；其次，利用MATLAB算法将彩色图转化成灰度图，并对灰度图进行二值化、孔洞填充和去除石英纤维丝，获得所需的火焰图像；最后，提取火焰投影区域的像素点数目，基于像素点的实际面积计算火焰锋面面积。

图2   火焰图像处理过程Fig.2   Schematic of flame image processing
采用归一化平方直径(D2/)描述燃烧过程中的液滴演化，其中D和D0分别为实时液滴直径和初始液滴直径。图3展示了获得归一化平方直径的液滴图像处理过程：首先，从原始图像中提取计算区域；其次，去除图像中的背景，以便后续图像二值化的进行；然后，利用MATLAB算法实现图像二值化、孔洞填充和去除石英纤维丝，获得所需的液滴图像；最后，提取液滴区域的像素点数量，计算液滴的投影面积，根据圆的面积公式计算出液滴直径，进而得到归一化平方直径数值。基于归一化平方直径曲线提取了液滴的滞燃期和燃烧持续期(详细定义和提取方法见2.2节)，用于评价液滴燃烧特性。

图3   液滴图像处理过程Fig.3   Schematic of droplet image processing
上述评价指标的不确定度主要来源于图像测量。基于图像分辨率和相机采样帧率，计算得到火焰尺寸、火焰锋面面积、初始液滴直径、滞燃期、燃烧持续期的不确定度分别为3.7%、0.03%、0.5%、0.1%、0.006%。根据文献[32]提及的液滴归一化平方直径的不确定度计算方法，得到本研究中液滴归一化平方直径的不确定度为3.8%。

2 实验结果与讨论

2.1 火焰特性

图4展示了生物柴油液滴在不同电场强度下的火焰形貌演变，其中0 s/mm2为液滴着火时刻，蓝色标记时间为电弧最终时刻，红色标记时间为液滴燃烧结束时刻。生物柴油液滴燃烧会产生碳烟颗粒，其黑体辐射呈现出黄色细长火焰。此外，生物柴油液滴在着火时刻产生蓝色类球形火焰，这是由于此时的混合气含有充足的氧气，充分的燃烧降低了碳烟排放，导致火焰发光由气相分子的自发辐射产生。在电场强度为0 kV/m和100 kV/m工况下的电弧最终时刻，电弧注入的能量提升了碳烟颗粒的温度，增强了黑体辐射，从而提高了火焰亮度。

图4   不同电场强度下生物柴油液滴的火焰形貌演变Fig.4   Flame morphology evolutions of biodiesel droplet at various electric field strengths
火焰伴随的高温使火焰与环境气体之间存在密度差，形成自然对流，表现为火焰受到向上的浮力(Fb)。在本研究中，离子风是电场作用于燃料液滴火焰的主要机制。在火焰区，大部分离子和碳烟颗粒带正电荷，负电荷主要存在于电子中[26]。由于电子的质量和体积很小，电场作用集中在正电荷粒子上，表现为火焰受到向下的电场力(Fe)。电场作用下液滴燃烧产生的火焰具体受力如图5所示。从图4中发现，当电场强度小于100 kV/m时，电场力小于浮力，火焰保持向上方向；当电场强度为100 kV/m时，电场力与浮力大致相等，火焰呈现类球形形貌，类似于微重力环境内的火焰形貌[33]；当电场强度大于100 kV/m时，电场力占主导作用，产生方向向下的火焰，与电场强度小于100 kV/m工况的火焰形貌相反。

图5   电场作用下的火焰受力图Fig.5   Force analysis of flame in electric field
不同电场强度下生物柴油液滴的火焰尺寸发展过程如图6所示。火焰尺寸发展可以分为电弧放大阶段和准稳态阶段。在电弧放大阶段，电弧直接与火焰接触，增加了火焰中OH自由基的浓度和分布，促使上火焰高度急剧增大[34]，但是下火焰高度和火焰宽度基本不受电弧影响。在准稳态阶段，除了150 kV/m工况下的火焰宽度外，火焰尺寸基本是平缓变化的。具体地，随着电场强度增大，上火焰高度减小，下火焰高度增大，火焰宽度在电场强度为0~150 kV/m范围内增大。其中，电场力逐渐克服浮力，可以解释上火焰高度减小和下火焰高度增大的现象。而电场作用下向下运动的带电粒子与自然对流作用下向上运动的粒子发生碰撞，会增加粒子水平运动的可能性，从而增大火焰宽度。当电场强度为200 kV/m时，较大的电场力在竖直方向上拉伸火焰向下，火焰宽度降至最低。

图6   不同电场强度下生物柴油液滴的火焰尺寸变化Fig.6   Flame size variations of biodiesel droplet at various electric field strengths
为了评价整个燃烧过程中火焰的总体尺寸和锋面面积规律，计算生物柴油液滴的上火焰高度、下火焰高度、火焰宽度和火焰锋面面积的平均值，如图7所示。随着电场强度增大，上火焰高度减小，下火焰高度增大，火焰宽度在0~100 kV/m范围内增大，在100~200 kV/m范围内减小，而火焰锋面面积的变化趋势与火焰宽度相反。上火焰高度的最大减幅为69.9%，下火焰高度的最大增幅为243.1%，火焰宽度和火焰锋面面积的最大变化幅度分别为17.0%和10.9%。在火焰尺寸中，电场对火焰高度的影响较大，对火焰宽度的影响相对较小。

图7   不同电场强度下生物柴油液滴的平均火焰尺寸及锋面面积Fig.7   Average values of flame size and front area for biodiesel droplet at various electric field strengths

2.2 液滴特性

液滴燃烧的关键在于液滴蒸发及随后形成的可燃混合物。图8展示了燃烧生物柴油液滴的形态演变，其中0 s/mm2为电弧加热初始时刻，最终时刻为液滴燃烧结束时刻。随着燃烧的进行，生物柴油液滴逐渐消失。在0.30 s/mm2时刻，液滴因温度升高而降低表面张力，导致液滴被向下拖动。

图8   不同电场强度下生物柴油液滴的形态演变Fig.8   Morphology evolutions of biodiesel droplet at various electric field strengths
为了获得更多液滴细节，采用归一化平方直径描述液滴演化过程。图9显示了生物柴油液滴归一化平方直径的变化情况。液滴寿命随电场强度增大而增大。在电弧加热下，生物柴油液滴首先进入热膨胀阶段，此时的液滴膨胀速率高于液滴蒸发速率。当归一化平方直径数值达到最大值时，液滴着火并开始燃烧，燃烧过程中的液滴演化进入准稳态阶段，近似遵循D2定律。

图9   不同电场强度下生物柴油液滴归一化平方直径变化Fig.9   Normalized squared diameters of biodiesel droplet at various electric field strengths
将热膨胀阶段和准稳态阶段所占据的时间分别定义为滞燃期和燃烧持续期。图10展示了不同电场强度下生物柴油液滴的滞燃期和燃烧持续期。生物柴油液滴的滞燃期随电场强度增大而增加，最大增幅可达135.6%，这主要是因为电弧通道被电场向下拖动(见图4中0 s/mm2时刻)，增加了液滴与电弧间的距离，从而加大了液滴着火难度。燃烧持续期是衡量燃料液滴平均燃烧速率的指标。在电场强度小于100 kV/m范围内，生物柴油液滴的燃烧持续期随电场强度增大而增大，在100 kV/m时达到极大值，继续增大电场强度则会减小燃烧持续期，最大变化幅度可达18.1%。这一趋势与Imamura等[26]的研究结果一致，然而他们的研究中燃烧持续期极大值时的电场强度为80 kV/m，小于本研究中燃烧持续期极大值时的电场强度，这可能是由于本研究中液滴悬挂装置对电场产生了干扰。燃烧持续期与电场强度间的变化趋势主要归因于火焰锋面的大小。本质上，火焰锋面是燃料蒸气和氧气的反应区域，火焰锋面的大小直接决定参与燃烧的燃料蒸气数量[24]。从图7可以看出，随着电场强度增大，火焰锋面在0~100 kV/m范围内减小，单位时间内参与燃烧的燃料蒸气数量减少，火焰内部与液滴间的燃料蒸气浓度梯度减小，抑制液滴蒸发，导致燃烧持续期增大；火焰锋面在100~200 kV/m范围内增大，单位时间内参与燃烧的燃料蒸气数量增多，火焰内部与液滴间的燃料蒸气浓度梯度增大，改善液滴蒸发，导致燃烧持续期减小。此外，电场作用下的燃烧持续期均高于未施加电场工况，这表明本研究设计的电场结构会降低生物柴油液滴的燃烧效率，仍需进一步开展相关研究来探索电场提高液滴燃烧效率的途径。

图10   不同电场强度下生物柴油液滴的滞燃期和燃烧持续期Fig.10   Ignition delays and combustion durations of biodiesel droplet at various electric field strengths

3 结 论

（1）火焰形貌受电场力和自然浮力的竞争影响。随着电场强度增大，向上火焰、准球形火焰和向下火焰依次出现。
（2）随着电场强度增大，上火焰高度减小，下火焰高度增大，火焰宽度在0~100 kV/m范围内增大，在100~200 kV/m范围内减小，火焰锋面面积变化趋势与火焰宽度相反。上火焰高度、下火焰高度、火焰宽度、火焰锋面面积的最大变化幅度分别为69.9%、243.1%、17.0%、10.9%。
（3）火焰形貌决定了火焰锋面大小，而火焰锋面决定了燃料蒸气和氧气的反应区域。随着电场强度增大，燃烧持续期在0~100 kV/m范围内增大，在100~200 kV/m范围内减小，最大变化幅度为18.1%。

引用本文： 左磊, 王军锋, 高健, 王道睿. 电场调控生物柴油液滴燃烧行为[J]. 化工学报, 2024, 75(8): 2983-2990 (ZUO Lei, WANG Junfeng, GAO Jian, WANG Daorui. Electric field-regulating combustion behavior of biodiesel droplet[J]. CIESC Journal, 2024, 75(8): 2983-2990)

第一作者：左磊（1994—），男，博士研究生，zuolei@stmail.ujs.edu.cn

通讯作者：王军锋（1975—），男，博士，教授，wangjunfeng@ujs.edu.cn




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