跳转到主要内容gydF4y2Ba

原始研究的文章gydF4y2Ba

前面。小卡。Eng。,16 January 2023
秒。传热机制和应用程序gydF4y2Ba
卷2 - 2022 |gydF4y2Ba https://doi.org/10.3389/fther.2022.1079789gydF4y2Ba

电场辅助的减少gydF4y2BaxgydF4y2Ba排放:一个数值研究gydF4y2Ba

www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba谢赫·f·艾哈迈德gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba,gydF4y2Bawww.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba阿里Charchi AghdamgydF4y2Ba 1gydF4y2Ba,gydF4y2Bawww.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba杰克逊多gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Bawww.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba罗伯特·盖革gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和gydF4y2Bawww.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba法鲁克坦维尔。gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba*gydF4y2Ba
  • 1gydF4y2Ba机械工程系、南卡罗来纳大学哥伦比亚,美国SCgydF4y2Ba
  • 2gydF4y2BaClearSign燃烧公司,西雅图,佤邦,美国gydF4y2Ba

本文报道仿真结果的影响直流驱动的径向电场发射特征;尤其是没有gydF4y2BaxgydF4y2Ba和公司的预混甲烷/空气层流射流火焰。OpenFOAM multi-physics计算模型的框架来模拟electric-field-coupled预混合燃烧过程。耦合的计算框架由物种,动量和能量守恒和泊松方程解算器解决电场分布。电子和离子守恒方程解决考虑离子风的身体力量动量守恒方程和相关的电场畸变可能由于空间电荷分布。stochiometric和燃料的模拟进行了丰富的条件和射流流速的范围配置代表测试得分的实验设置。模型预测表明,外加电压的50 kV,火焰结构变化显著的化学计量和富油的条件。火焰是由电场由于拉伸明显的离子风。富油的条件下,离子风允许额外的混合燃料丰富的流与周围空气和彻底改变火焰的结构。电场减少没有被发现gydF4y2BaxgydF4y2Ba排放明显化学计量和丰富的条件。在整个范围的流量条件下,混合物stochiometric震波会显示下降最大gydF4y2BaxgydF4y2Ba1.6倍的存在电场。对于富油的情况,然而随着流量的增加,没有gydF4y2BaxgydF4y2Ba换算系数从12.0下降到1.6。对CO排放,电场的存在减少了在富油的条件和浓度gydF4y2Ba反之亦然gydF4y2Ba化学计量的火焰。动力学的作用进行了分析和讨论。gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

几十年来,研究人员一直在感兴趣的火焰的电特性以及如何控制电场的应用。它已经表明,电场影响火焰和燃烧过程三个独特,和主要ways-thermal效果(gydF4y2BaUddi et al ., 2009gydF4y2Ba),离子风效应(gydF4y2BaMarcum Ganguly, 2005gydF4y2Ba)和电化学效应(gydF4y2BaOmbrello et al ., 2010 agydF4y2Ba,gydF4y2BabgydF4y2Ba)。热效应导致中性的气体加热通过电阻加热时大电流电场。离子风效应导致流体动力学流场的变化通过电气体力空间电荷产生的电场。电化学效应产生高能电子、离子、自由基和激动分子气体流中直接导致了反应动力学。gydF4y2Ba

涉及实验和建模方法进行了研究,以阐明影响直流(DC)和交流(AC)电场的燃烧特性。实验研究表明,直流电场对火焰形状(有很强的影响gydF4y2Ba织女星et al ., 2007gydF4y2Ba),火焰传播速度(gydF4y2BaMarcum Ganguly, 2005gydF4y2Ba),发射和烟尘的特点(gydF4y2Ba齐藤et al ., 1999gydF4y2Ba;gydF4y2BaSakhrieh et al ., 2005gydF4y2Ba)。模拟采用multi-physics模型显示离子风的作用下直流外部字段(gydF4y2Ba山下先生et al ., 2009gydF4y2Ba;gydF4y2BaBelhi et al ., 2010gydF4y2Ba;gydF4y2BaBelhi et al ., 2019gydF4y2Ba)。近年来,已经有越来越多的兴趣,利用交流电场来修改火焰的燃烧特点(gydF4y2BaZhang et al ., 2013gydF4y2Ba;gydF4y2Ba金正日et al ., 2017gydF4y2Ba)。尽管大量的电动field-flame交互工作,相关研究在没有电场的影响gydF4y2BaxgydF4y2Ba发射是有限的。gydF4y2BaVatazhin et al。(1995)gydF4y2Ba在层流丙烷扩散火焰的实验观察到没有减少30%gydF4y2BaxgydF4y2Ba排放的排放指标与实现负极化电场的燃烧器。gydF4y2BaZake et al。(2000)gydF4y2Ba应用直流电场在火焰通道流和观察到的减少gydF4y2BaxgydF4y2Ba发射了∼80%。减少排放特征是由于火焰温度的降低电场的存在。gydF4y2BaSakhrieh et al。(2005)gydF4y2Ba实验研究了电场的影响预混合的甲烷/空气火焰上升压力。他们观察到多达95%减少CO排放,伴随着不增加25%gydF4y2BaxgydF4y2Ba无论压力。他们认为减少CO离子风改变了火焰几何和减少燃料的不完全燃烧。然而,解释相关的增加gydF4y2BaxgydF4y2Ba没有提供。在他们的实验工作,gydF4y2Ba织女星et al . (2007)gydF4y2Ba表明,预拌CHgydF4y2Ba4gydF4y2Ba/ OgydF4y2Ba2gydF4y2Ba/ NgydF4y2Ba2gydF4y2Ba火焰,无gydF4y2BaxgydF4y2Ba发射是在外加电场的条件下,火焰的影响仍未变形的。在最近的一篇论文,gydF4y2BaZhang et al。(2013)gydF4y2Ba检查的行为没有层流non-premixed CH的排放gydF4y2Ba4gydF4y2Ba/空气火焰时受到高频交流电场(10 kHz)。的电压范围0 - 4.0 kV,没有观察到发射的非线性响应。在0 - 1 kV峰值电压之间,烟气中没有出现大幅减少,然后稳步上升为1.0 - -3.0 kV高值,紧随其后的是一个稳定的减少进一步增加4 kV应用峰值的潜力。gydF4y2Ba

本文数值研究的影响外部驱动的径向电场直流火焰和燃烧特性,更确切地说没有gydF4y2BaxgydF4y2Ba在层流预拌CH和CO排放gydF4y2Ba4gydF4y2Ba在大气条件下/空气喷射火焰。仿真是一个多维的配置进行实验室规模模型的代表一个工业系统ClearSign燃烧公司。stochiometric和富油情况调查。火焰结构分析和潜在的角色thermo-kinetic /运输排放上的属性特征阐明。动力学分析表明,没有gydF4y2BaxgydF4y2Ba回收途径在存在外部领域发生截然不同的变化。gydF4y2Ba

2方法gydF4y2Ba

自定义测试炉设计和建造研究电场对燃烧过程的影响。炉设计操作5.86千瓦在温度1366 K。所示gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba炉主要由一个容器,一个过渡,堆栈和燃烧器组件(如图)。主要的船是1.37米高,外部直径0.61米。它包含一个0.152米厚的耐火材料导致的内孔直径0.3048米。过渡段身高是0.360米,以主船的外径0.61米到0.305米的外径与堆栈。主船坐在四对峙电气绝缘体承受50 kV的能力。站在地面电位的支持,而其他的船是电浮动。的浮动电压监控冷却夹克和主要血管,和保护从大电压,每个监测的电压通过一个分压器电路连接到一个火花隙。火花隙可以调整到所需的许用最大电压。分压器的输出是通过数据采集监控系统。主要的船有两个封闭的石英玻璃和四个0.15米和0.051米查看端口都在同一个平面上。 There is a total of 26 K-type thermocouples located throughout the furnace to measure the temperatures of vessel wall and axis, cooling jackets and the top and bottom of the stack. Fuel and air are monitored using FMA 2300 series omega mass flow meters. NOxgydF4y2Ba有限公司和有限公司gydF4y2Ba2gydF4y2Ba栈的排放排放分析仪允许评估。gydF4y2Ba

图1gydF4y2Ba
www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba

图1gydF4y2Ba。定制测试炉为测试电场对燃烧过程的影响(燃烧器组件不是如图所示)。gydF4y2Ba

2.1计算域和边界条件gydF4y2Ba

的实验测试规模设置示意图ClearSign燃烧公司提出了gydF4y2Ba图2一个gydF4y2Ba。计算域说明gydF4y2Ba图2 bgydF4y2Ba只考虑燃烧器和燃烧后的实验设置的一部分。域包含燃烧器高度(即的一部分。,0。15米)和covers a 1.0 m long post-combustion zone having a constant diameter of 0.6 m. To reduce computational overhead, the simulations are performed on a 2-D axisymmeteric configuration with structured non-uniform mesh. The mesh was finer near the central region (i.e., jet location) as well as near the wall boundaries. All the simulations reported here are for a domain composed of 10,850 mesh elements for which grid independent results were confirmed.

图2gydF4y2Ba
www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba

图2gydF4y2Ba。原理图的插图gydF4y2Ba(一)gydF4y2Ba实验设置,gydF4y2Ba(B)gydF4y2Ba计算域表示不同的边界。gydF4y2Ba

燃烧器作为驱动电极(基本情况模拟50 kV)与侧墙(0 kV)接地。都以一个等温(即规定。300 K)边界条件。侧墙和燃烧器表面被认为是反动地非中性的物种,但离子物种达到规定的表面进行淬火/中和反应(gydF4y2BaFarouk et al ., 2006gydF4y2Ba)。狄利克雷边界条件采用速度入口,代表不同流量条件下考虑。流出边界条件提供出口的管状部分。预混合的甲烷/空气混合物等价比率gydF4y2BaϕgydF4y2Ba= 1.0和3.0,流量∼slpm 6.70和9.93,分别模拟。最初的2100 K高温地区的规定,以确保燃料/空气混合物的点火。所有模拟进行的操作压力1 atm。gydF4y2Ba

2.2数学模型gydF4y2Ba

使用多维数值研究执行,反应流计算OpenFOAM框架中开发的代码,细节的(物理和数值方案)已经彻底了gydF4y2BaAsgari et al ., 2017gydF4y2Ba和gydF4y2Ba艾哈迈德et al ., 2021gydF4y2Ba。作为一个新的实现,从日晷CVODE解算器是用来解决反应条件。总之,时间的数学模型包括依赖总质量守恒方程,物种质量分数,混合动力,和混合能源,连同一个泊松方程解决电场分布,分别在以下报告:gydF4y2Ba

∂gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba tgydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba ugydF4y2Ba 我gydF4y2Ba )gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba =gydF4y2Ba 0gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba (gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba )gydF4y2Ba
∂gydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba YgydF4y2Ba kgydF4y2Ba )gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba tgydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba ugydF4y2Ba 我gydF4y2Ba YgydF4y2Ba kgydF4y2Ba )gydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba (gydF4y2Ba 问gydF4y2Ba kgydF4y2Ba ρgydF4y2Ba μgydF4y2Ba kgydF4y2Ba YgydF4y2Ba kgydF4y2Ba EgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba )gydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba WgydF4y2Ba kgydF4y2Ba ,gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba YgydF4y2Ba kgydF4y2Ba )gydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba VgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba cgydF4y2Ba YgydF4y2Ba kgydF4y2Ba )gydF4y2Ba =gydF4y2Ba ωgydF4y2Ba ˙gydF4y2Ba kgydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba DgydF4y2Ba 公里gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba YgydF4y2Ba kgydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba )gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba (gydF4y2Ba 2gydF4y2Ba )gydF4y2Ba
∂gydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba ugydF4y2Ba 我gydF4y2Ba )gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba tgydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba ugydF4y2Ba 我gydF4y2Ba ugydF4y2Ba jgydF4y2Ba )gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba =gydF4y2Ba −gydF4y2Ba δgydF4y2Ba ijgydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba PgydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba +gydF4y2Ba μgydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba (gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ugydF4y2Ba 我gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ugydF4y2Ba jgydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba )gydF4y2Ba −gydF4y2Ba 2gydF4y2Ba 3gydF4y2Ba μgydF4y2Ba δgydF4y2Ba ijgydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba (gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ugydF4y2Ba 米gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba 米gydF4y2Ba )gydF4y2Ba +gydF4y2Ba 问gydF4y2Ba EgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba (gydF4y2Ba 3gydF4y2Ba )gydF4y2Ba
∂gydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba hgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba )gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba tgydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba ugydF4y2Ba jgydF4y2Ba hgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba )gydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρKgydF4y2Ba )gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba tgydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba ugydF4y2Ba jgydF4y2Ba KgydF4y2Ba )gydF4y2Ba =gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba (gydF4y2Ba ραgydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba hgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba )gydF4y2Ba −gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba (gydF4y2Ba ραgydF4y2Ba ∑gydF4y2Ba kgydF4y2Ba =gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba NgydF4y2Ba hgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba kgydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba YgydF4y2Ba kgydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba )gydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba PgydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba tgydF4y2Ba +gydF4y2Ba 问gydF4y2Ba ˙gydF4y2Ba +gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba (gydF4y2Ba σgydF4y2Ba ijgydF4y2Ba ugydF4y2Ba 我gydF4y2Ba )gydF4y2Ba −gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba ∂gydF4y2Ba xgydF4y2Ba jgydF4y2Ba (gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba ∑gydF4y2Ba kgydF4y2Ba =gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba NgydF4y2Ba hgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba kgydF4y2Ba YgydF4y2Ba kgydF4y2Ba VgydF4y2Ba kgydF4y2Ba ,gydF4y2Ba jgydF4y2Ba )gydF4y2Ba −gydF4y2Ba ∑gydF4y2Ba kgydF4y2Ba =gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba NgydF4y2Ba ωgydF4y2Ba ˙gydF4y2Ba kgydF4y2Ba ΔgydF4y2Ba hgydF4y2Ba fgydF4y2Ba ,gydF4y2Ba kgydF4y2Ba 0gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba (gydF4y2Ba 4gydF4y2Ba )gydF4y2Ba
∇gydF4y2Ba 。gydF4y2Ba (gydF4y2Ba εgydF4y2Ba ∇gydF4y2Ba ΦgydF4y2Ba )gydF4y2Ba =gydF4y2Ba 问gydF4y2Ba 0gydF4y2Ba ∑gydF4y2Ba ZgydF4y2Ba kgydF4y2Ba NgydF4y2Ba kgydF4y2Ba ,gydF4y2Ba EgydF4y2Ba =gydF4y2Ba −gydF4y2Ba ∇gydF4y2Ba ΦgydF4y2Ba ,gydF4y2Ba (gydF4y2Ba 5gydF4y2Ba )gydF4y2Ba

在那里,gydF4y2Ba ρgydF4y2Ba 是气相混合物的密度,gydF4y2Ba ugydF4y2Ba 是速度,gydF4y2Ba ωgydF4y2Ba ˙gydF4y2Ba kgydF4y2Ba 是产品的速度(ROP)的物种gydF4y2BakgydF4y2Ba通过化学反应,gydF4y2Ba WgydF4y2Ba kgydF4y2Ba ,gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba 是被忽视的thermophoretic扩散速度在目前的调查,gydF4y2Ba VgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba CgydF4y2Ba 是调整速度,以确保所有的物种的扩散速度加起来等于零,gydF4y2Ba DgydF4y2Ba kgydF4y2Ba 米gydF4y2Ba 是物种的质量扩散系数gydF4y2Ba kgydF4y2Ba 其余的混合物,gydF4y2BaPgydF4y2Ba的压力,gydF4y2Ba hgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba 比焓的物种gydF4y2BakgydF4y2Ba,gydF4y2Ba αgydF4y2Ba 是混合物热扩散率,gydF4y2Ba ΔgydF4y2Ba hgydF4y2Ba fgydF4y2Ba ,gydF4y2Ba kgydF4y2Ba ogydF4y2Ba 是物种的形成焓gydF4y2BakgydF4y2Ba,gydF4y2Ba 问gydF4y2Ba ˙gydF4y2Ba 由于辐射是能量源项,gydF4y2Ba ΦgydF4y2Ba 电势,gydF4y2Ba εgydF4y2Ba 是电介电常数,gydF4y2Ba 问gydF4y2Ba 0gydF4y2Ba 是元电荷,gydF4y2Ba ZgydF4y2Ba kgydF4y2Ba 电荷的物种吗gydF4y2Ba kgydF4y2Ba ,gydF4y2Ba NgydF4y2Ba kgydF4y2Ba 物种的数量密度吗gydF4y2Ba kgydF4y2Ba 。动量守恒包括电气体力的影响即gydF4y2Ba 问gydF4y2Ba 。gydF4y2Ba EgydF4y2Ba →gydF4y2Ba 。对电子和离子守恒方程是解决包括漂移速度的影响(gydF4y2Ba vgydF4y2Ba 漂移gydF4y2Ba =gydF4y2Ba μgydF4y2Ba 流动性gydF4y2Ba EgydF4y2Ba →gydF4y2Ba )的离子物种。尽管电子是包含在计算,影响系统并不重要因为他们非常低的数密度和极高的流动性。gydF4y2Ba

2.3化学动力学gydF4y2Ba

碳氢化合物/不gydF4y2BaxgydF4y2Ba模型gydF4y2Ba艾哈迈德et al。(2016)gydF4y2Ba组成的301种和1945反应化学动力学模型用于中性物种,达到以前作品的作者(gydF4y2BaSantner et al ., 2016gydF4y2Ba)。一个eleven-step离子反应机理(gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba)和相关的热力学和传输特性gydF4y2Ba山下式et al。(2009)gydF4y2Ba和gydF4y2BaAlquaity et al。(2017)gydF4y2Ba是附加到碳氢化合物/不gydF4y2BaxgydF4y2Ba模型。离子机制由六种(电子,HCOgydF4y2Ba+gydF4y2BaHgydF4y2Ba3gydF4y2BaOgydF4y2Ba+gydF4y2BaCgydF4y2Ba2gydF4y2BaHgydF4y2Ba3gydF4y2BaOgydF4y2Ba+gydF4y2Ba,CHgydF4y2Ba3gydF4y2Ba+gydF4y2Ba和CgydF4y2Ba3gydF4y2BaHgydF4y2Ba3gydF4y2Ba+gydF4y2Ba)。CgydF4y2Ba3gydF4y2BaHgydF4y2Ba3gydF4y2Ba+gydF4y2Ba离子是专门考虑模拟燃料丰富的火焰。应该注意的是,与化学电离过程和相关的离子反应是不代表等离子体分解。验证了离子机制gydF4y2Ba山下式et al。(2009)gydF4y2Ba独立的标准配置。从获得的电子迁移率值gydF4y2BaSakhrieh et al。(2005)gydF4y2Ba和爱因斯坦的关系(gydF4y2Ba DgydF4y2Ba egydF4y2Ba =gydF4y2Ba μgydF4y2Ba egydF4y2Ba kgydF4y2Ba BgydF4y2Ba TgydF4y2Ba /gydF4y2Ba 问gydF4y2Ba egydF4y2Ba )是用来确定迁移的扩散系数值。gydF4y2Ba

表1gydF4y2Ba
www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba

表1gydF4y2Ba。采用离子反应gydF4y2Ba山下式et al。(2009)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

3结果和讨论gydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba介绍了中线轴向速度、温度和流量条件分布的3.45∼slpm (Re = 376)的两种不同的等价比率ϕ= 1.0和3.0。这两种情况下被称为两个基本情况的条件。变化由于电场的存在也进行了总结。电场和离子物种的存在显著增加了喷射速度。ϕ= 1.0和3.0,最大轴向速度增加的一个因素分别∼6和17。速度的增加导致的火焰拉伸ϕ= 1.0和一个完整的变化火焰结构的ϕ= 3.0 (gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba)。在不同离子,HgydF4y2Ba3gydF4y2BaOgydF4y2Ba+gydF4y2Ba预计的最大密度,其次是HCO吗gydF4y2Ba+gydF4y2Ba这两种情况下。预测的最大数量的密度HgydF4y2Ba3gydF4y2BaOgydF4y2Ba马克斯gydF4y2Ba+gydF4y2Ba是8.0×10gydF4y2Ba15gydF4y2Ba米gydF4y2Ba−3gydF4y2Ba和2.8×10gydF4y2Ba15gydF4y2Ba米gydF4y2Ba−3gydF4y2Ba和HCOgydF4y2Ba马克斯gydF4y2Ba+gydF4y2Ba它是3.2×10gydF4y2Ba13gydF4y2Ba米gydF4y2Ba−3gydF4y2Ba和3.0×10gydF4y2Ba12gydF4y2Ba米gydF4y2Ba−3gydF4y2Baϕ=分别为1.0和3.0。由此产生的峰值电体力发现3875 N / mgydF4y2Ba3gydF4y2Ba和1055 N / mgydF4y2Ba3gydF4y2Ba分别。有趣的是,尽管CgydF4y2Ba3gydF4y2BaHgydF4y2Ba3gydF4y2Ba+gydF4y2Ba离子被认为是,非常富有的条件下研究HgydF4y2Ba3gydF4y2BaOgydF4y2Ba+gydF4y2Ba预计主要离子。这是由于这样的事实:在富油的条件下,离子风促进额外的混合燃料射流与周围的空气夹带。混合允许减少等价比率为一种独特的火焰结构的变化(gydF4y2Ba图4 bgydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba
www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba。中心线的分布gydF4y2Ba(一)gydF4y2Ba轴向速度,gydF4y2Ba(B)gydF4y2Ba温度,gydF4y2Ba(C)gydF4y2Ba没有电场,浓度和预拌CHgydF4y2Ba4gydF4y2Ba/空气混合物的流速3.45 slpm 50 kV电压应用。gydF4y2Ba

图4gydF4y2Ba
www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba

图4gydF4y2Ba。哦,轮廓有或没有电场的空间分布gydF4y2Ba(一)gydF4y2Baϕ= 1.0,gydF4y2Ba(B)gydF4y2Baϕ= 3.0预拌CHgydF4y2Ba4gydF4y2Ba/空气流速的3.45 slpm和应用电压50 kV。gydF4y2Ba

中心线的温度分布(gydF4y2Ba图3 bgydF4y2Ba)清楚地显示温度下降由于离子风的效果。ϕ= 1.0的峰值温度下降很小,∼40 K。富油的条件,峰值温度降低∼230 K。此外,在电场的存在,最高温度变化接近燃烧器入口下游尖锐的梯度。中线没有进化与温度分布。发现电场显著减少峰值浓度,特别在富油的条件下。gydF4y2Ba

哦浓度空间分布的轮廓比较评估火焰结构的变化由于电场和相关离子风的效果。对燃料装载,火焰结构径向收缩。的轴向拉伸只是观察到化学计量燃料装载。哦,分布在富油的条件下在没有电场显示独特的火焰结构。尽管预拌CHgydF4y2Ba4gydF4y2Ba燃料/空气注入,极富加载导致部分预混合的震波会火焰动力学。由于室空气燃料流的夹带,震波会扩散和混合径向方向和建立一个外围的火焰。核心仍然是富油,直到足够的氧化剂到达核心区域。下游的燃烧器入口沿着外围燃料耗尽,额外的空气从周围得到运入核心从而反应区延伸到飞机的核心。建立了第二反应区外围,见哦概要文件的严格规定的未燃尽的燃料射流中可用。双峰值温度(gydF4y2Ba图3 bgydF4y2Ba)伴随着哦山峰中间线。高浓度的一氧化碳与射流核心地区低哦。CH的分布gydF4y2Ba4gydF4y2Ba确认燃料射流的浓度完全氧化或部分氧化有限公司有限公司gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。在电场的存在,ϕ= 3.0的哦分布证实火焰结构/反应区靠近燃烧器入口。此外,哦概要文件类似于化学计量燃料装载,但较小的轴向。gydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba比较没有电场的影响gydF4y2Ba2gydF4y2Ba分布的基本情况。化学计量燃料装载和低流量下,电场最小的影响gydF4y2Ba2gydF4y2Ba排放特性。空间分布仍相当的最大价值略有增加;小于4 ppm。形成鲜明对比的是观察到的燃料丰富的条件在空间分布和峰值都没有gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。在没有电场,没有gydF4y2Ba2gydF4y2Ba火焰形成的外圆周径向温度梯度和通过禁忌gydF4y2Ba2gydF4y2Ba回收的反应。峰没有gydF4y2Ba2gydF4y2Ba却降低了∼20倍的电场。与此同时,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba形成后的下游火焰燃烧区域的位置。gydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba
www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba。空间分布的gydF4y2Ba2gydF4y2Ba浓度轮廓有或没有电场gydF4y2Ba(一)gydF4y2Baϕ= 1.0,gydF4y2Ba(B)gydF4y2Baϕ= 3.0预拌CHgydF4y2Ba4gydF4y2Ba/空气流速的3.45 slpm和应用电压50 kV。gydF4y2Ba

流量的影响没有发射两种不同燃料载荷进行了总结gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba。增加流量化学计量燃料载荷作用下,火焰温度降低在2256 - 2200 K在外加电场的条件下。相比之下,离子风降低了火焰温度40 - 100 K范围内的流量进行了研究。ϕ= 1.0,3.45 - -6.69之间的流量变化slpm最小的变化。没有减少高峰∼60 ppm维护一个几乎相同的空间分布。随着流量的增加10∼slpm (gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba),没有径向分布限制一个非常狭窄的中部地区和峰值没有减少1.8∼的因素。在最高流量条件下,建立了火焰和维护也是可见的轮廓。在更高的燃料装载,电场使火焰温度显著降低。在流量模拟的范围,ΔT多样∼160 K和225 K分别为最高和最低流量。必然地,峰值没有发现减少的一个因素之间的1.8∼6.85和10.28 slpm slpm和12.0∼3.43。随着电场的变化火焰结构大大在富油的条件下(gydF4y2Ba图4 bgydF4y2Ba),没有形成反应区建立非常接近燃烧器入口。与stochiometric条件不同,没有分配更高的燃料载荷作用下进行径向和轴向收缩整个流量范围。gydF4y2Ba

图6gydF4y2Ba
www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba

图6gydF4y2Ba。没有分布域的比较有和没有电场预拌CHgydF4y2Ba4gydF4y2Ba/空气混合物在不同流量条件下,gydF4y2Ba(一)gydF4y2Baϕ= 1.0,gydF4y2Ba(B)gydF4y2Baϕ= 3.0。gydF4y2Ba

电场的影响对整个发射特性是评估通过比较峰值和总没有gydF4y2BaxgydF4y2Ba(没有+没有gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)为不同的燃料流量预测加载条件(gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba)。所示gydF4y2Ba图7gydF4y2Baϕ= 1.0的CO浓度峰值增加∼50 ppm随着流量的增加。然而,在电场的存在,一个非线性趋势明显。最大CO浓度大幅转变发生在最高流量建立了火焰的地方。不完全燃烧的火焰结构增加了地区和结果增加公司形成的领域。在低流量范围、CO浓度稍有增加由于火焰的径向收缩增加燃烧器rim(即之间的差距。喷嘴直径)允许一些燃料空气混合物绕过反应区域的核心。在类似的行为gydF4y2BaSakhrieh et al。(2005)gydF4y2Ba。相比之下,丰富的案例展示了一个相反的趋势,公司降低了最低的最大流量。然而,在整个流量范围内,发现电场可有效减少CO排放;允许完全燃烧发生的混合燃料丰富与环境空气射流。总不gydF4y2BaxgydF4y2Ba化学计量燃料载荷作用下降低以线性方式和电场一致减少最大总没有gydF4y2BaxgydF4y2Ba1.6∼倍(gydF4y2Ba图7 bgydF4y2Ba)。更高的燃料装载,总没有gydF4y2BaxgydF4y2Ba减少了电场,但排放增加流量。ϕ= 3.0,流率的增加导致更高的火焰温度,导致没有增加gydF4y2BaxgydF4y2Ba生产。gydF4y2Ba

图7gydF4y2Ba
www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba

图7gydF4y2Ba。比较最大gydF4y2Ba(一)gydF4y2Ba有限公司和gydF4y2Ba(B)gydF4y2Ba没有gydF4y2BaxgydF4y2Ba域的不同流量条件有无电场预拌CHgydF4y2Ba4gydF4y2Ba/空气混合物为两个不同的等价比率。外加电压50 kV。gydF4y2Ba

应用电动力学上参与的影响gydF4y2BaxgydF4y2Ba形成和禁忌gydF4y2Ba2gydF4y2Ba互变现象进行比较的生成率的变化没有,没有gydF4y2Ba2gydF4y2Ba通过不同的反应。为此,两个不同的地区在计算域(带1:0.17 - -0.27米,带2:0.55 - -0.65米燃烧器表面),选择代表最高温度梯度的位置。的没有,没有生产gydF4y2Ba2gydF4y2Ba由个人反应是卷集成在这些地区没有电场和规范化。gydF4y2Ba

化学计量的比较条件所示gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba。火焰温度的降低由于电场区域1的应用使得扩展Zeldovich通道(NgydF4y2Ba2gydF4y2Ba+ O = NO + N, N + OgydF4y2Ba2gydF4y2Ba= + O, N +哦=不+ H)无关紧要。相反,直接没有形成从回收反应通道gydF4y2Ba2gydF4y2Ba+ H = NO +哦就变得很重要。除此之外,大部分没有在低温条件下存在电场与燃料碎片反应生成稳定的中间体HCN和HCO。然而,由于没有电场的情况下,大多数没有参与直接的禁忌gydF4y2Ba2gydF4y2Ba或NO-HNO互变现象的反应。gydF4y2Ba

图8gydF4y2Ba
www.雷竞技rebatfrontiersin.orggydF4y2Ba

图8gydF4y2Ba。重要的不gydF4y2BaxgydF4y2Ba形成和循环反应,没有电场的应用在区域1(2厘米以上燃烧器)和区域2(40厘米以上燃烧器)化学计量(Φ= 1.0)情况下的流量3.45 slpm。gydF4y2Ba

2区下游领域,温度梯度不同于那些在区域1,一组没有明显不同gydF4y2BaxgydF4y2Ba形成和循环反应。应用电场变化的主要不形成路径直接氧化(不gydF4y2Ba2gydF4y2Ba+噢= +gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)和原子氢(没有反应gydF4y2Ba2gydF4y2Ba+ H = NO +哦)。此外,它提示NgydF4y2Ba2gydF4y2BaO通道形成,不在没有离子动力学。gydF4y2Ba

4结论gydF4y2Ba

一个多维物理模型模拟了电场辅助以有条理的方式燃烧过程。模型是用来模拟测试规模燃烧器设置预拌CHgydF4y2Ba4gydF4y2Ba与详细fuel-NO /空气混合物gydF4y2BaxgydF4y2Ba与离子反应动力学模式附加到它。进行了一系列模拟流量和燃料装载情况的应用电势50 kV产生径向电场。两个主要污染物的排放特点classes-CO也没有gydF4y2BaxgydF4y2Ba正在调查中。产生的预测表明,离子风影响电场显著增加了火焰喷射速度,收紧/反应区域在径向和轴向方向。把火焰也观察到有限的情况下。火焰收缩有很强的依赖燃料装载和流量条件。富油的条件下,电场急剧变化的火焰结构,允许混合燃料流与周围的氧化环境。总没有显著减少gydF4y2BaxgydF4y2Ba发现出现在参数空间被认为是;火焰温度的降低。在富油的条件下,发现电场减少CO排放gydF4y2Ba反之亦然gydF4y2Ba化学计量的条件。火焰stochiometric燃料载荷作用下的径向收缩允许未燃尽的燃料绕过核心反应机制。动力学分析表明,在电场的存在,没有形成路线从Zeldovich转移到直接没有形成通过gydF4y2BaxgydF4y2Ba回收反应并形成稳定的中间体。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

摩根大通和RG设计和建造定制测试炉。开发数值模型,模拟是由SA, AA和TF。所有作者参与讨论的结果在最后的手稿。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

RG,摩根大通公司受雇于ClearSign燃烧。gydF4y2Ba

其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba

艾哈迈德,S。Charchi Aghdam, A., Dryer, F., and Farouk, T. (2021). Multidimensional simulations of mckenna-driven flow tube configuration: Investigating non-ideality in NOxgydF4y2Ba形成流管实验。gydF4y2Ba燃烧。火焰gydF4y2Ba223年,511 - 524。doi: 10.1016 / j.combustflame.2020.10.011gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

艾哈迈德,S。,Santner, J。干燥机,F。,Padak, B., and Farouk, T. (2016). Computational study of NOxgydF4y2Ba形成在燃气轮机操作条件有关,第2部分:没有gydF4y2BaxgydF4y2Ba在氢含量高燃料燃烧压力升高。gydF4y2Ba能源燃料。gydF4y2Ba7691 - 7703年。doi: 10.1021 / acs.energyfuels.6b00421gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Alquaity,。,汉族,J。Chahine, M., Selim, H., Belhi, M., Sarathy, M., et al. (2017). Measurements of positively charged ions in premixed methane-oxygen atmospheric flames.燃烧。科学。抛光工艺。gydF4y2Ba189年,575 - 594。doi: 10.1080 / 00102202.2016.1226821gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Asgari, N。,艾哈迈德,S。,法鲁克,T。,Padak, B. (2017). NOxgydF4y2Ba形成从合成气post-flame气体/空气燃烧大气压力。gydF4y2BaInt。j .氢能源gydF4y2Ba42岁,24569 - 24579。doi: 10.1016 / j.ijhydene.2017.08.017gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Belhi, M。,Do米我ngo, P., and Vervisch, P. (2010). Direct numerical simulation of the effect of an electric field on flame stability.燃烧。火焰gydF4y2Ba157年,2286 - 2297。doi: 10.1016 / j.combustflame.2010.07.007gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Belhi, M。李,B。Cha, M。,Im, H. (2019). Three-dimensional simulation of ionic wind in a laminar premixed Bunsen flame subjected to a transverse DC electric field.燃烧。火焰gydF4y2Ba202年,90 - 106。doi: 10.1016 / j.combustflame.2019.01.005gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

法鲁克,T。,Farouk, B., Staack, D., Gutsol, A., and Fridman, A. (2006). Simulation of dc atmospheric pressure argon micro glow-discharge.等离子体科学来源。抛光工艺。gydF4y2Ba15日,676 - 688。0963 - 0252/15/4/012 doi: 10.1088 /gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

金,G。,Park, D., Cha, M., Park, J., and Chung, S. (2017). Flow instability in laminar jet flames driven by alternating current electric fields.Proc,燃烧。本月。gydF4y2Ba36岁,4175 - 4182。doi: 10.1016 / j.proci.2016.09.015gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Marcum, S。,Ganguly, B. (2005). Electric-field-induced flame speed modification.燃烧。火焰gydF4y2Ba143年,27-36。doi: 10.1016 / j.combustflame.2005.04.008gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Ombrello, T。,赢了,年代。居,Y。,W我lliams, S. (2010a). Flame propagation enhancement by plasma excitation of oxygen. Part I: Effects of O3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba燃烧。火焰gydF4y2Ba157年,1906 - 1915。doi: 10.1016 / j.combustflame.2010.02.005gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Ombrello, T。,赢了,年代。居,Y。,W我lliams, S. (2010b). Flame propagation enhancement by plasma excitation of oxygen. Part II: Effects of O2gydF4y2Ba(一个gydF4y2Ba1gydF4y2BaΔgydF4y2BaggydF4y2Ba)。gydF4y2Ba燃烧。火焰gydF4y2Ba157年,1916 - 1928。doi: 10.1016 / j.combustflame.2010.02.004gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

斋藤,M。,Arai, T., and Arai, M. (1999). Control of soot emitted from acetylene diffusion flames by applying an electric field.燃烧。火焰gydF4y2Ba119年,356 - 366。doi: 10.1016 / s0010 - 2180 (99) 00065 - 6gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Sakhrieh,。林家,G。,D我nkelacker, F., Hammer, T., Leipertz, A., and Branston, D. (2005). The influence of pressure on the control of premixed turbulent flames using an electric field.燃烧。火焰gydF4y2Ba143年,313 - 322。doi: 10.1016 / j.combustflame.2005.06.009gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Santner, J。艾哈迈德·S。,法鲁克,T。,Dryer, F. (2016). Computational study of NOxgydF4y2Ba形成的条件与燃气轮机操作:第1部分。gydF4y2Ba能源燃料。gydF4y2Ba6745 - 6755年。doi: 10.1021 / acs.energyfuels.6b00420gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Uddi, M。,Jiang, N., Mintusov, E., Adamovich, I., and Lempert, M. (2009). Atomic oxygen measurements in air and air/fuel nanosecond pulse discharges by two photon laser induced fluorescence.Proc,燃烧。本月。gydF4y2Ba32岁,929 - 936。doi: 10.1016 / j.proci.2008.06.049gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Vatazhin,。,Likhter, V., Sepp, V., and Shul’gin, V. (1995). Effect of an electric field on the nitrogen oxide emission and structure of a laminar propane diffusion flame.流体动力学。gydF4y2Ba166 - 174年。doi: 10.1007 / BF02029825gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

织女星,E。,Shin, S., and Lee, K. (2007). NO emission of oxygen-enriched CH4gydF4y2Ba/ OgydF4y2Ba2gydF4y2Ba/ NgydF4y2Ba2gydF4y2Ba预混合火焰下电场。gydF4y2Ba燃料gydF4y2Ba86年,512 - 519。doi: 10.1016 / j.fuel.2006.07.034gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

山下先生,K。Karnani年代。,Dunn-Rankin, D. (2009). Numerical prediction of ion current from a small methane jet flame.燃烧。火焰gydF4y2Ba156年,1227 - 1233。doi: 10.1016 / j.combustflame.2009.02.002gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

Zake, M。,Turlajs, D., and Purmals, M. (2000). Electric field control of NOxgydF4y2Ba形成火焰通道流动。gydF4y2Ba水珠。巢Int。J。gydF4y2Ba2,99 - 108。doi: 10.30955 / gnj.000156gydF4y2Ba

CrossRef全文gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术搜索gydF4y2Ba

张,Y。吴,Y。,Yang, H., Zhang, H., and Zhu, M. (2013). Effect of high-frequency alternating electric fields on the behavior and nitric oxide emission of laminar non-premixed flames.燃料gydF4y2Ba109年,350 - 355。doi: 10.1016 / j.fuel.2012.12.083gydF4y2Ba

CrgydF4y2Ba