Helmholtz型無(wú)閥自激脈動(dòng)燃燒器點(diǎn)火過(guò)程數(shù)值模擬研究

智同生，王 順，郭 利

(1.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

脈動(dòng)燃燒是指在一定聲學(xué)條件控制下周期性的燃燒過(guò)程，脈動(dòng)燃燒技術(shù)的應(yīng)用是通過(guò)脈動(dòng)燃燒器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。相比于常規(guī)的穩(wěn)態(tài)燃燒技術(shù)，脈動(dòng)燃燒具有眾多優(yōu)點(diǎn)：低過(guò)量空氣系數(shù)下保持高燃燒效率，較高的燃燒強(qiáng)度和傳熱系數(shù)，污染物排放低(尤其是NOx的排放)[1-3]。主流的脈動(dòng)燃燒器種類分為三種：Schimidt型脈動(dòng)燃燒器，Helmholtz型脈動(dòng)燃燒器和Rijike型脈動(dòng)燃燒器，其中Helmholtz型脈動(dòng)燃燒器是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的脈動(dòng)燃燒器。目前已開(kāi)展的關(guān)于Helmholtz脈動(dòng)燃燒器的研究大多都是針對(duì)脈動(dòng)燃燒的工程應(yīng)用問(wèn)題展開(kāi)的[4]，其中潘四普[5]研究了脈動(dòng)燃燒器燃燒室外溫度場(chǎng)的溫度變化規(guī)律，為優(yōu)化加熱器內(nèi)部熱源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。陳輝[6]對(duì)脈動(dòng)燃燒器混合室進(jìn)氣特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出混合室?jiàn)A角對(duì)脈動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性、尾氣排放有著重要的影響。Xu yanying[7]對(duì)帶彎尾管的脈動(dòng)燃燒器的換熱特定進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)氣流中產(chǎn)生的渦旋形狀和渦旋核心位置脈動(dòng)燃燒器的對(duì)流傳熱特性有較大影響。對(duì)于Helmholtz脈動(dòng)燃燒器整個(gè)燃燒過(guò)程的建立，尤其是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定點(diǎn)火的機(jī)理方面尚缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。而研究脈動(dòng)燃燒的著火特性對(duì)控制脈動(dòng)燃燒器的穩(wěn)定運(yùn)行，擴(kuò)展脈動(dòng)燃燒器的運(yùn)行范圍都有著重要指導(dǎo)意義，因此有必要對(duì)Helmholtz脈動(dòng)燃燒器的的點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行更加深入的研究。

本文基于課題組之前對(duì)Helmholtz型無(wú)閥自激燃燒器點(diǎn)火過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，利用數(shù)值模擬方法完善了對(duì)Helmholtz型無(wú)閥自激燃燒器點(diǎn)火過(guò)程的機(jī)理分析和探討，分析了從點(diǎn)火開(kāi)始到實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脈動(dòng)燃燒整個(gè)過(guò)程中燃燒器的溫度，壓力和氣體流動(dòng)特性。研究結(jié)果對(duì)于說(shuō)明脈動(dòng)燃燒器的點(diǎn)火機(jī)理，從而更好的實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)燃燒器的穩(wěn)定點(diǎn)火和合理運(yùn)行具有很好的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)

本課題組前期對(duì)Helmholtz型無(wú)閥自激燃燒器點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[8]，為說(shuō)明本文模擬結(jié)果的可靠性，同時(shí)作為后續(xù)模擬結(jié)果的驗(yàn)證依據(jù)，首先簡(jiǎn)單介紹本課題組前期的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，丙烷燃?xì)夂涂諝夥謩e在氣瓶壓力和空氣泵的作用下進(jìn)入脈動(dòng)燃燒器，在預(yù)混室部位充分混合，然后由電火花點(diǎn)燃，在特制的石英玻璃脈動(dòng)燃燒器中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脈動(dòng)燃燒。實(shí)驗(yàn)利用高速相機(jī)記錄了整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程的火焰狀態(tài)，并利用熱電偶和壓力傳感器等設(shè)備監(jiān)測(cè)了部分點(diǎn)位的壓力和溫度變化情況。

圖1 脈動(dòng)燃燒器點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)圖1-電腦;2-虛擬示波器;3-壓力傳感器;4-點(diǎn)火電極;5-脈動(dòng)燃燒器;6-熱電偶;7-高速相機(jī);8-丙烷氣瓶;9-控制閥;10-質(zhì)量流量計(jì);11-脈沖點(diǎn)火控制器;12-質(zhì)量流量計(jì);13-控制閥;14-調(diào)節(jié)閥;15-空氣旁路;16-空氣過(guò)濾器;17-調(diào)節(jié)閥;18-鼓風(fēng)機(jī)

圖2 脈動(dòng)燃燒器點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用高速相機(jī)記錄了整個(gè)脈動(dòng)燃燒器成功點(diǎn)火過(guò)程的火焰狀態(tài)，如圖3所示，從圖中可以看出，點(diǎn)火過(guò)程前期存在若干次點(diǎn)火爆燃，從燃燒器入口處點(diǎn)火，爆燃火焰向上傳播，然后熄滅，經(jīng)過(guò)若干次這樣的過(guò)程，燃燒器上端(出口部位)突然形成火焰，并向下傳播，最終不再熄滅，形成了穩(wěn)定的脈動(dòng)燃燒火焰。

由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)有限，可監(jiān)測(cè)參數(shù)變化有限，因而，本文進(jìn)一步利用數(shù)值模擬的方法對(duì)脈動(dòng)燃燒器的整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了研究。

圖3 成功點(diǎn)火過(guò)程火焰狀態(tài)

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分及模擬設(shè)置

物理模型的構(gòu)建和網(wǎng)格劃分是FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的第一步，本文分別利用CAD和Gambit軟件對(duì)脈動(dòng)燃燒器進(jìn)行了物理模型構(gòu)建和網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分中，由于脈動(dòng)燃燒器結(jié)構(gòu)方正，采用了正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量良好。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終選取網(wǎng)格數(shù)量為215 593。

同時(shí)，在模擬過(guò)程中選取了燃燒室入口，燃燒室中心，燃燒室出口，尾管中心四個(gè)典型位置作為壓力和速度的監(jiān)測(cè)分析位置，如圖4所示，分別命名為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和監(jiān)測(cè)點(diǎn)4。

圖4 脈動(dòng)燃燒器網(wǎng)格劃分

脈動(dòng)燃燒器中的燃燒過(guò)程是具有多組分化學(xué)反應(yīng)的湍流燃燒，模擬過(guò)程中采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型模擬湍流運(yùn)輸，使用組分輸運(yùn)方程(species transport)模擬燃燒過(guò)程，丙烷燃燒化學(xué)機(jī)理采用丙烷一步反應(yīng)模型，利用SIMPLE算法對(duì)各方程進(jìn)行求解。為模擬實(shí)驗(yàn)中的的電火花點(diǎn)火過(guò)程，在燃燒室入口的位置使用了Spark點(diǎn)火方式，從0 s開(kāi)始，點(diǎn)火持續(xù)0.001 s，點(diǎn)火能量為1 J。

2.2 初始和邊界條件

基于脈動(dòng)燃燒器運(yùn)行的理論依據(jù)和前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)模擬中的初始和邊界條件進(jìn)行了如下設(shè)置：

燃?xì)?空氣入口條件：入口采用速度進(jìn)口邊界條件，給入的是丙烷和空氣混合氣，混合比例C3H8/O2為1∶5，進(jìn)口流速為7 m/s。預(yù)混氣體的初始溫度為300 K壁面邊界條件：根據(jù)之前實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的燃燒器各處壁面溫度，模擬過(guò)程將燃燒器壁面分為三部分，分別是燃燒器混合室壁面，燃燒室壁面和尾管壁面，均設(shè)置為恒溫壁面，溫度分別為400 K，1 000 K和600 K。

尾管出口條件：壓力出口邊界條件。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

脈動(dòng)燃燒器點(diǎn)火成功的標(biāo)志是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的脈動(dòng)燃燒，而燃燒器中壓力出現(xiàn)穩(wěn)定周期性變化是說(shuō)明脈動(dòng)燃燒成功建立的重要標(biāo)志。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注了點(diǎn)火過(guò)程中燃燒器中壓力的變化情況，輔以燃燒器內(nèi)溫度場(chǎng)的云圖分布情況來(lái)說(shuō)明成功點(diǎn)火過(guò)程。同時(shí)為闡明脈動(dòng)燃燒的點(diǎn)火機(jī)理，還進(jìn)一步分析了煙氣的回流情況和爆燃現(xiàn)象對(duì)點(diǎn)火的影響。

3.1 點(diǎn)火過(guò)程壓力變化及溫度場(chǎng)的分布情況

整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中脈動(dòng)燃燒器中壓力的變化情況如圖5所示，從圖中可以看出，脈動(dòng)燃燒器點(diǎn)火過(guò)程基本可以分為三個(gè)階段：第一階段：多次爆燃過(guò)程，爆燃過(guò)程壓力振幅極大，爆燃頻率較小，稱為爆燃區(qū)；第二階段：由于存在點(diǎn)火延遲，爆燃之后有一個(gè)燃燒建立的過(guò)程，這個(gè)階段壓力幅度較小(大約持續(xù)0.05 s)，稱為過(guò)渡區(qū)；第三階段：實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脈動(dòng)燃燒，壓力振幅平穩(wěn)，振蕩頻率穩(wěn)定，稱為穩(wěn)燃區(qū)。根據(jù)點(diǎn)火時(shí)燃燒器內(nèi)初始條件的不同，點(diǎn)火過(guò)渡過(guò)程將向著不同的方向發(fā)展。如果初始條件在燃燒器著火范圍內(nèi)，點(diǎn)火過(guò)渡過(guò)程將發(fā)展為成功著火；如果初始條件不在燃燒器著火范圍內(nèi)，燃燒器將不會(huì)著火，而可能重復(fù)爆燃過(guò)程或者轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)著火。這一結(jié)果和Dawson的研究結(jié)果基本吻合。Dawson[9]研究的是脈動(dòng)燃燒器啟動(dòng)過(guò)程中的壓力與熱量釋放，得出了脈動(dòng)燃燒器的啟動(dòng)時(shí)間在100 ms以內(nèi)，啟動(dòng)過(guò)程可以分點(diǎn)火階段、脈動(dòng)發(fā)展階段、循環(huán)振蕩階段。在脈動(dòng)發(fā)展階段，由于強(qiáng)烈的非線性作用的影響，頻率和相位都沒(méi)有再現(xiàn)性。

圖6是對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火成功后，穩(wěn)定脈動(dòng)燃燒一個(gè)周期中燃燒器中溫度場(chǎng)的變化情況。從上到下依次為:(a)爆燃后煙氣回流點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)新鮮燃料，燃燒室溫度升高;(b)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀蛎浥懦?(c)新鮮燃料進(jìn)入，煙氣由于慣性繼續(xù)排出，溫度下降;(d)煙氣回流重新與新鮮燃料混合點(diǎn)燃，溫度升高。整個(gè)過(guò)程對(duì)應(yīng)圖5中穩(wěn)燃區(qū)內(nèi)一個(gè)壓力脈動(dòng)周期。整個(gè)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果也和實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3)基本吻合。

圖5 點(diǎn)火過(guò)程的壓力變化情況

圖6 一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)燃燒器溫度分布

3.2 點(diǎn)火過(guò)程爆燃和煙氣回流情況

3.2.1 點(diǎn)火過(guò)程爆燃現(xiàn)象

無(wú)論是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還是從圖5的壓力變化情況可以得出：脈動(dòng)燃燒器前期點(diǎn)火過(guò)程存在著爆燃現(xiàn)象。爆燃是燃燒室內(nèi)積存的可燃混合物瞬間同時(shí)燃燒，從而使燃燒室壓力突然升高的一種現(xiàn)象。為了深入了解分析爆燃情況，進(jìn)一步查看了圖5中壓力振幅最大區(qū)域的溫度云圖，如圖7(a)所示。最初在燃燒室進(jìn)口處賦予能量進(jìn)行點(diǎn)火，由于前期燃燒室燃料和空氣混合物在燃燒室內(nèi)的分布還不夠均勻，容易引起爆燃。爆燃瞬間，整個(gè)燃燒器內(nèi)溫度迅速上升，整個(gè)燃燒器內(nèi)的可燃?xì)怏w被瞬間點(diǎn)燃，產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?，進(jìn)而燃燒室內(nèi)壓力驟升，如圖5及圖7(b)所示。之后大量煙氣向后從尾管急速噴出，造成燃燒室內(nèi)壓力迅速下降，低于外界大氣壓，一些煙氣發(fā)生回流，且有部分外界冷空氣進(jìn)入燃燒器，出現(xiàn)如圖7(c)所示的現(xiàn)象。

從圖5的圧力變化曲線中可以看出，本模擬中，點(diǎn)火過(guò)程脈動(dòng)燃燒器發(fā)生了兩次爆燃現(xiàn)象，由于每次爆燃時(shí)燃燒的燃?xì)饬坎煌?，燃燒放出的熱量不同，進(jìn)而燃燒室內(nèi)氣體的最大溫升和最高壓力也不同。其中，由于第一次爆燃是混合最不均勻的，其爆燃程度相較與后續(xù)的爆燃會(huì)更加劇烈。同時(shí)，需要指出的是，在前期實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生爆燃的次數(shù)并不確定，主要受混合程度的影響。

圖7 爆燃過(guò)程燃燒器溫度分布

3.2.2 燃燒器點(diǎn)火過(guò)程速度場(chǎng)的變化情況

燃燒器點(diǎn)火過(guò)程中，整個(gè)燃燒器內(nèi)的速度場(chǎng)分布對(duì)燃燒室內(nèi)的燃?xì)夂涂諝饣旌铣潭扔休^大的影響。同時(shí)，尾管的煙氣回流現(xiàn)象也對(duì)燃燒器的成功點(diǎn)火有重要作用。從圖8可以看出，在兩次爆燃過(guò)程中。煙氣的回流量和回流深度都很大。

整個(gè)燃燒器速度的發(fā)展規(guī)律和壓力基本類似，大致也可以分為3個(gè)區(qū)，爆燃區(qū)，過(guò)渡區(qū)和穩(wěn)燃區(qū)。爆燃過(guò)程燃燒室內(nèi)的氣體流速可以高達(dá)數(shù)百米每秒，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脈動(dòng)燃燒后，氣體流速為數(shù)十米每秒。尾管由于管徑較小，氣體流速要比燃燒室內(nèi)高很多?？偟膩?lái)說(shuō)，燃燒器內(nèi)煙氣的速度變化與燃燒器內(nèi)的壓力變化有很大的關(guān)系，壓力絕對(duì)值大小影響煙氣的流速大小，壓力的正負(fù)影響煙氣的流動(dòng)方向。壓力振蕩較大時(shí)，速度的振蕩也較大。燃燒室壓力由于爆燃急劇升高時(shí)，大部分煙氣向尾管方向流動(dòng)；直至由于大量氣體排出，燃燒室壓力不斷降低低于大氣壓時(shí)，尾管煙氣開(kāi)始發(fā)生回流，重新進(jìn)入燃燒室。同時(shí)，對(duì)于整個(gè)脈動(dòng)燃燒器，各個(gè)部位的速度變化規(guī)律基本相同。

圖8 點(diǎn)火過(guò)程燃燒器內(nèi)速度變化

脈動(dòng)燃燒器內(nèi)速度的變化和壓力一樣對(duì)脈動(dòng)燃燒器的成功點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定性具有很大的影響?；亓鳠煔饽芗涌煨逻M(jìn)燃?xì)夂涂諝獾幕旌?，并?qiáng)化兩者間的換熱，縮短燃燒器時(shí)間。Valiev[10]等曾用一維和二維的模擬的方法研究了脈動(dòng)火焰的穩(wěn)定性，得出結(jié)論：脈動(dòng)燃燒器內(nèi)的火焰不穩(wěn)定性隨著入口流速和壓力振幅的增加而增加。本文的模擬結(jié)果也表明，煙氣回流量越大，越容易點(diǎn)火成功和后續(xù)新鮮燃?xì)膺M(jìn)入實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脈動(dòng)燃燒。

4 結(jié)論

本文利用FLUENT15.0軟件，在無(wú)特殊周期性邊界條件的影響下，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon模型成功模擬了Helmholtz型無(wú)閥自激脈動(dòng)燃燒器的燃燒過(guò)程。得到了以下結(jié)論：

(1)數(shù)值模擬結(jié)果與前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。說(shuō)明了標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon模型對(duì)于模擬脈動(dòng)燃燒的可靠性。

(2)燃燒室前期爆燃積攢的能量及高溫?zé)煔獾幕亓魇怯绊慔elmholtz型無(wú)閥自激脈動(dòng)燃燒器的成功點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒的重要因素。