基于火焰OH自發(fā)光技術(shù)的貧燃旋流預(yù)混燃燒吹熄機理

趙曉敏，葛宏達(dá)，王俊懿，徐?維，周一卉

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基于火焰OH自發(fā)光技術(shù)的貧燃旋流預(yù)混燃燒吹熄機理

趙曉敏，葛宏達(dá)，王俊懿，徐?維，周一卉

(大連理工大學(xué)化工機械與安全學(xué)院，大連 116024)

利用火焰OH自發(fā)光技術(shù)研究了湍流狀態(tài)下貧燃旋流預(yù)混燃燒的吹熄過程，獲取了不同當(dāng)量比下的平均火焰圖像、瞬時火焰圖像、二維火焰表面密度和OH平均強度．將當(dāng)量比從0.90降低至0.46，即由火焰的穩(wěn)定燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變至臨界吹熄狀態(tài)，火焰由中間凹陷的緊縮形變?yōu)橹鶢睿?dāng)量比位于0.90～0.55時，火焰表面密度下降約10%，可以認(rèn)為此時火焰處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)．當(dāng)量比位于0.55～0.50時，進(jìn)度變量最大值從1.0變?yōu)?.5，說明火焰鋒面處于強烈脈動中，且OH強度驟降約為67%．通過觀察OH強度突變區(qū)域內(nèi)的瞬時火焰圖像，發(fā)現(xiàn)火焰鋒面經(jīng)歷了脫離鈍體、向燃燒室下游移動，再燃的往復(fù)過程．最后比較了不同旋流數(shù)(0.45、0.61和0.90)對于OH強度突變區(qū)間的影響，結(jié)果表明旋流數(shù)對于該區(qū)間的影響并不明顯．

OH自發(fā)光；貧燃旋流預(yù)混燃燒；火焰不穩(wěn)定性；火焰表面密度；進(jìn)度變量

貧燃預(yù)混燃燒作為一種清潔燃燒方式，可有效降低氮氧化物的排放量，因而廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C等燃燒室系統(tǒng)中．但是與常規(guī)的擴(kuò)散火焰相比，由于貧燃預(yù)混燃燒是在偏離正?；瘜W(xué)當(dāng)量比下進(jìn)行的反應(yīng)，因此常會產(chǎn)生火焰吹熄的問題．為保證火焰燃燒的穩(wěn)定性，通常利用鈍體和旋流器來制造回流區(qū)，回流的高溫產(chǎn)物作為持續(xù)的點火源不斷點燃未燃?xì)怏w來實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒．針對火焰的吹熄問題，國內(nèi)外學(xué)者給出了較多解釋，其中比較主流的說法有兩種[1]：一種是火焰燃燒速度和流場速度之間的失衡，即火焰燃燒速率達(dá)不到燃?xì)夤┙o速率，導(dǎo)致火焰溫度過低，無法提供足夠的熱量以維持燃?xì)獾某掷m(xù)燃燒；另一種是火焰面會由于過高的拉伸率發(fā)生斷裂，導(dǎo)致局部熄火，從而引發(fā)全面熄火，無法實現(xiàn)持續(xù)燃燒．

目前對于吹熄機理的研究主要集中在利用鈍體穩(wěn)焰的射流燃燒室．Chaudhuri等[2]利用PIV、PLIF及OH自發(fā)光技術(shù)研究了湍流狀態(tài)下鈍體穩(wěn)定的預(yù)混火焰吹熄過程．發(fā)現(xiàn)臨近吹熄時，火焰鋒面和剪切層附近的漩渦相互交疊，促使局部拉伸率高于臨界熄滅拉伸率，導(dǎo)致剪切層火焰的局部熄滅，最終未燃?xì)怏w穿過剪切層進(jìn)入回流區(qū)，造成火焰的全局熄滅．Kariuki等[3]研究了非受限空間內(nèi)鈍體穩(wěn)定的預(yù)混火焰在吹熄過程中熱釋放的變化．結(jié)果表明，穩(wěn)定燃燒時熱釋放主要位于邊界層附近，而臨近吹熄熱釋放位于回流區(qū)并伴隨著OH和CH2O，說明低溫反應(yīng)物從下游進(jìn)入到回流區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致火焰吹熄．Santosh等[4]研究了鈍體穩(wěn)定的預(yù)混火焰吹熄機理，認(rèn)為火焰的吹熄分為兩個階段：第1階段火焰剪切層會由于局部應(yīng)變率過高出現(xiàn)大量孔洞；第2階段燃燒流場的尾渦冷卻和收縮，最終造成火焰吹熄．Kariuki等[5]研究了非受限空間內(nèi)鈍體穩(wěn)定的貧燃預(yù)混燃燒的吹熄機理，結(jié)果表明，臨近吹熄時，二維火焰表面密度逐漸減小，曲率變大．當(dāng)火焰無法在剪切層處持續(xù)燃燒、火焰駐點被破壞，就會造成火焰的完全吹熄．Kushal等[6]采用數(shù)值模擬的方法研究了鈍體穩(wěn)定的層流預(yù)混燃燒的吹熄機理．文中考慮了火焰與壁面之間的熱交換，結(jié)果表明，火焰與鈍體的熱交換不會對吹熄造成影響，只有滿足以下兩個條件時燃燒才能穩(wěn)定進(jìn)行：①火焰面位移速度等于來流速度；②火焰面法向位移速度的梯度高于相同方向來流速度的梯度．Dawson等[7]量化分析了受限和非受限空間內(nèi)鈍體穩(wěn)定的預(yù)混燃燒吹熄過程．結(jié)果表明，臨界吹熄時，新鮮反應(yīng)物從后滯止點進(jìn)入回流區(qū)中，并伴隨著破碎的火焰出現(xiàn)，吹熄過程的吹熄時間約為15/bs．

相比射流燃燒室，對旋流燃燒室中火焰的吹熄問題研究還比較少．Cavaliere等[8]比較了旋流預(yù)混和旋流非預(yù)混燃燒的吹熄行為．結(jié)果表明，臨近吹熄時，旋流預(yù)混火焰的角回流區(qū)回火消失，火焰面向燃燒室中軸線附近移動；非預(yù)混火焰在剪切層附近可以觀察到較多孔洞，且火焰脫離鈍體的現(xiàn)象會隨機發(fā)生．St?hr等[9]研究了貧燃旋流預(yù)混燃燒的吹熄過程．結(jié)果表明，渦核進(jìn)動一方面增強了熱釋放，有助于點燃新鮮反應(yīng)物；另一方面又加劇了火焰面的拉伸，容易造成火焰的熄滅．臨近吹熄時，火焰根部變得不穩(wěn)定，頻繁地發(fā)生熄滅和再燃．當(dāng)渦旋附近的燃燒不能維持時就會發(fā)生吹熄．隨后St?hr等[10]研究了不同Damk?hler數(shù)(后文表示為)對貧燃旋流燃燒室的影響．研究發(fā)現(xiàn)，＝1時，渦核進(jìn)動可以加強熱釋放，此時拉伸率較低，不會影響反應(yīng)過程．＝0.5時，渦核進(jìn)動引起的拉伸率會開始影響火焰的穩(wěn)定；＝0.3時，渦核進(jìn)動引起的拉伸率對火焰面的影響超過熱釋放對于火焰的影響，導(dǎo)致火焰的熄滅．

目前國內(nèi)外學(xué)者已研究了不同化學(xué)參數(shù)(如燃料類型、當(dāng)量比、反應(yīng)物溫度)和物理參數(shù)(如壓力、反應(yīng)物進(jìn)氣速度、鈍體形狀)對燃燒狀態(tài)的影響[11-17]，然而，對于旋流燃燒室還需考慮旋流數(shù)的影響[18]．且由于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和氣體動力學(xué)之間的相互作用關(guān)系比較復(fù)雜[19]，湍流狀態(tài)下旋流燃燒室中火焰結(jié)構(gòu)的變化缺少定量分析，因此，對于深入理解旋流火焰不穩(wěn)定仍需進(jìn)一步研究．

本文的研究目的是獲取旋流火焰在不同當(dāng)量比下的瞬時和平均OH發(fā)光圖像、火焰表面密度、OH信號強度以給出火焰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的定量分析，進(jìn)一步觀察火焰在臨界轉(zhuǎn)變過程中發(fā)生的變化，解釋造成不穩(wěn)定性的原因，提出貧燃旋流預(yù)混火焰的穩(wěn)定燃燒區(qū)間.

1?實驗裝置及圖像處理

1.1?實驗裝置

1.1.1?燃燒室及預(yù)混段

圖1為實驗裝置．預(yù)混段由氣體管路、整流盤、旋流器和鈍體組成．甲烷進(jìn)氣管內(nèi)徑1＝6mm，側(cè)壁開有3排孔供燃料噴出．空氣從環(huán)隙通道進(jìn)入后與甲烷進(jìn)行摻混，摻混后的氣體再依次經(jīng)過噴管、整流盤和旋流器，進(jìn)入燃燒室．旋流器的主要作用是使空氣和甲烷混合更加充分并保持火焰穩(wěn)定，本實驗采用軸流式旋流器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示．

圖1?實驗裝置

圖2?旋流器(Sn＝0.45)

旋流數(shù)是表征旋流強度的參數(shù)，計算公式[20-22]為

(1)

式中：為旋流器輪轂和外直徑之比；為葉片與軸線的夾角．本實驗采用4種旋流數(shù)，對應(yīng)的葉片角和旋流數(shù)如表1所示．旋流數(shù)關(guān)系著燃燒室的旋流強度：當(dāng)旋流數(shù)小于0.4時，為弱旋流，即燃燒內(nèi)不會有回流區(qū)存在；旋流數(shù)介于0.4～0.6之間時，為中等旋流；旋流數(shù)大于0.6時，為強旋流．旋流強度的大小影響著回流區(qū)的大小和位置，從而影響火焰穩(wěn)定燃燒的位置．主燃燒室為內(nèi)徑80mm、高127mm的圓柱形筒體，其入口直徑為25mm，鈍體位于燃燒室入口中心，其作用是防止回火．鈍體直徑為14mm．主燃燒室上方裝有收縮段．

表1?旋流器葉片角及對應(yīng)的旋流數(shù)

Tab.1?Swirler blade angle and swirler number

1.1.2?OH自發(fā)光火焰成像系統(tǒng)

火焰OH自發(fā)光系統(tǒng)由拍攝相機、像增強器及其控制系統(tǒng)和濾波片組成．拍攝相機的型號為Lavision公司的Imager MX2M，其分辨率為1920×1280．像增強器及其同步控制系統(tǒng)的型號為Lavision公司的Image Intensifier v9，能夠處理的光譜范圍為190～900nm．為保證火焰的光線不受自然光的影響，故在像增強器的鏡頭前裝有濾波片，濾波片的濾光波長為308nm．為清晰捕捉到火焰在臨近吹熄時的亮度，像增強器的Gain設(shè)置為85%，Gate設(shè)置為100000ns．圖像分辨率約為0.06mm/pixel，拍攝速率為50Hz．

1.2?圖像處理過程

(2)

式中：()和()分別表示火焰面積和火焰面長度，二者均為進(jìn)度變量的函數(shù)；f為用于分析的火焰圖像的數(shù)量．進(jìn)度變量表明了火焰鋒面位置在燃燒室中某一位置出現(xiàn)的概率，表達(dá)式[25]如下：

(3)

式中：(，)為燃燒室內(nèi)局部區(qū)域的溫度；u和b分別表示未燃區(qū)域和已燃區(qū)域的溫度．由于溫度的變化和OH含量的變化趨勢相同，且想要測量燃燒室每一點的溫度極為困難，所以可以通過探測OH含量來估算進(jìn)度變量．本文參照張錳等[26]采用的方法計算得到了火焰表面密度和進(jìn)度變量．

2?實驗結(jié)果與討論

2.1?不同當(dāng)量比下平均火焰結(jié)構(gòu)的變化

實驗中采用的當(dāng)量比范圍是0.90～0.46．以旋流數(shù)為0.61時為例，平均火焰形態(tài)的轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D3(a)～3(e)所示．其中，3(a)和圖3(b)分別對應(yīng)當(dāng)量比為0.90和0.60的時刻．在該當(dāng)量比區(qū)間內(nèi)，火焰明亮且緊縮，中間呈凹陷狀，說明此處存在回流區(qū)．高強度的OH信號位于剪切層附近，表明此處反應(yīng)更加劇烈．值得注意的是，當(dāng)量比為0.60時，角回流區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了回火的趨勢(如圖3(b)中圓圈所示)，說明隨著當(dāng)量比的繼續(xù)降低，角回流區(qū)內(nèi)將會出現(xiàn)火焰的周期性脈動．但在當(dāng)量比高于0.60的區(qū)間內(nèi)，火焰形態(tài)并未發(fā)生太多改變，基本可以認(rèn)為火焰能夠穩(wěn)定燃燒．當(dāng)量比由0.60變化到0.55的過程中，火焰高度增加，燃燒過程向下游發(fā)展，且角回流區(qū)發(fā)生回火，火焰形狀呈“M”型，如圖3(c)所示．當(dāng)量比為0.50時，可以明顯看到火焰的主要反應(yīng)區(qū)向燃燒室下游移動，火焰根部OH信號強度微弱，火焰呈“V”型，如圖3(d)所示．這意味著燃料供給速度已大于燃料燃燒的消耗速度，原本駐扎在鈍體上燃燒的火焰在該當(dāng)量比下出現(xiàn)脈動，導(dǎo)致火焰鋒面位置的變化．當(dāng)量比為0.50～0.46時，火焰的寬度已明顯減小，火焰呈“柱”狀，原本在剪切層附近穩(wěn)定燃燒的火焰鋒面已消失不見，且OH信號強度已十分微弱，最大值約為60，火焰接近吹熄，如圖3(e)所示．可見，隨著當(dāng)量比降低，火焰形態(tài)和OH信號強度均發(fā)生了明顯變化，由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入過渡態(tài)，直至達(dá)到非穩(wěn)態(tài)．在該變化過程內(nèi)，火焰的主要反應(yīng)區(qū)逐漸向下游移動，且反應(yīng)強度下降明顯．

2.2?不同當(dāng)量比下的火焰表面密度

利用500張瞬時火焰OH發(fā)光圖像，利用式(2)和式(3)可得到不同當(dāng)量比下火焰表面密度及進(jìn)度變量的分布(見圖4)．火焰表面密度的分布與OH信號的分布幾乎一致，說明火焰表面密度越大的地方，火焰鋒面越褶皺，反應(yīng)速率越高，OH信號強度越強．

圖4 火焰表面密度和進(jìn)度變量的分布(Sn＝0.61，φ＝0.60)

由圖5可以看出，同一當(dāng)量比下對應(yīng)的火焰表面密度是呈線性減小的，這是因為進(jìn)度變量為1的地方，表示火焰鋒面常駐在此處，即火焰可以在此處穩(wěn)定燃燒．相反，進(jìn)度變量為0.1的地方，表示火焰鋒面出現(xiàn)在該處的概率很低，無法停駐在此處長時間燃燒．隨著當(dāng)量比降低，相同進(jìn)度變量下的火焰表面密度呈下降趨勢．如進(jìn)度變量0.90對應(yīng)的火焰表面密度在當(dāng)量比由0.90變化至0.60時，下降了0.549mm-1，約為10%．可見，當(dāng)量比在0.90～0.60區(qū)間內(nèi)時，基本可認(rèn)為火焰在穩(wěn)定燃燒．然而，當(dāng)量比由0.55變化至0.50時，進(jìn)度變量的最大值為0.5左右，火焰表面密度為2.5mm-1，說明此時火焰鋒面處于強烈的脈動中，無法在某一位置穩(wěn)定燃燒．當(dāng)量比降低至0.46時，進(jìn)度變量最大值只有0.3左右，燃燒室內(nèi)已充滿燃盡產(chǎn)物和未燃物，火焰達(dá)到了臨界吹熄狀態(tài)．

圖5?不同進(jìn)度變量對應(yīng)的火焰表面密度

從以上分析可知，當(dāng)量比在0.55～0.50區(qū)間內(nèi)時，火焰鋒面由穩(wěn)定燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變到強烈脈動狀態(tài)，其中火焰結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變還需通過瞬時火焰圖像進(jìn)行分析．

2.3?火焰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的瞬態(tài)分析

為觀察當(dāng)量比由0.55降低至0.50過程中，火焰結(jié)構(gòu)的瞬時變化，采用以下方法：保持空氣流量250nL/min不變，每隔相同的時間步長降低燃料流量，使得當(dāng)量比每隔10s降低0.01．圖6和圖7分別為OH信號強度的變化曲線和瞬時火焰OH發(fā)光圖像．由于原始數(shù)據(jù)噪聲較大，故利用高斯函數(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)平滑處理．

從圖6中可以看到在0～30s時，在勻速降低當(dāng)量比的過程中，平均OH信號強度是逐漸減小的．然而，在30～35s時，平均OH信號強度發(fā)生了突變，下降約68%，此時當(dāng)量比位于0.52～0.51區(qū)間內(nèi)．為了探究平均OH信號強度的突變原因，按時間順序選取該當(dāng)量比區(qū)間內(nèi)的瞬時火焰OH發(fā)光圖像進(jìn)行分析，第1張圖片所在時刻記為0．

圖6?平均OH信號強度(Sn＝0.61)

從圖7(b)中可看出，原本駐扎在鈍體燃燒的火焰于燃燒室中部首先發(fā)生斷裂，說明此時下游燃料含量較低．上游正在燃燒的火焰逐漸傳播到下游，甚至脫離鈍體，說明此時燃燒室無法平衡燃料消耗速率和進(jìn)氣速率，導(dǎo)致進(jìn)入燃燒室的未燃?xì)怏w來不及被高溫回流產(chǎn)物點燃就向下游移動．又因此時未達(dá)到完全吹熄狀態(tài)，雖然火焰脫離鈍體，但后續(xù)又發(fā)生了再燃，說明火焰鋒面在燃燒室內(nèi)處于“竄動”的狀態(tài)，無法穩(wěn)定在某一位置，從而導(dǎo)致進(jìn)度變量最大值的下降.

圖7?轉(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)的瞬時火焰結(jié)構(gòu)

2.4?不同旋流數(shù)對火焰穩(wěn)定燃燒區(qū)間的影響

由于旋流數(shù)的大小表征著旋流作用的強弱，進(jìn)而影響著回流區(qū)結(jié)構(gòu)，甚至火焰燃燒穩(wěn)定性．故本文比較了不同旋流數(shù)對OH信號強度突變區(qū)間的影響．旋流數(shù)為0.34，即弱旋流作用時，實驗中發(fā)現(xiàn)OH信號強度不具有突變區(qū)間，故不用來進(jìn)行比較．圖8(a)、8(b)分別為旋流數(shù)0.45、0.90時平均OH信號強度發(fā)生突變的區(qū)間．

圖8?平均OH信號強度

可見，旋流數(shù)為0.45和0.90時，OH信號強度轉(zhuǎn)變區(qū)間均在40～45s間，對應(yīng)的當(dāng)量比為0.51～0.50．由此表明，旋流數(shù)的改變對于OH信號發(fā)生突變的當(dāng)量比區(qū)間影響并不大．

3?結(jié)?論

本文利用火焰OH自發(fā)光技術(shù)研究了貧燃旋流預(yù)混燃燒的吹熄過程，利用火焰表面密度等參數(shù)定量分析了當(dāng)量比降低過程中火焰結(jié)構(gòu)的變化，給出了該系統(tǒng)火焰穩(wěn)定燃燒的當(dāng)量比區(qū)間，具體結(jié)論如下：

(1) 隨當(dāng)量比降低，平均后的火焰結(jié)構(gòu)依次呈現(xiàn)緊縮狀、M形、V形、柱狀．當(dāng)量比為0.60時，平均火焰結(jié)構(gòu)出現(xiàn)角回流區(qū)回火的趨勢．

(2) 當(dāng)量比由0.90降到0.60過程中，火焰表面密度約降低了10%，意味著火焰燃燒速率并未發(fā)生太大改變，可認(rèn)為火焰處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)．然而當(dāng)量比從0.55變化至0.50的過程中，進(jìn)度變量的最大值約為0.50，說明火焰鋒面處于強烈脈動中，無法在某一位置持續(xù)燃燒．結(jié)合瞬時火焰圖像分析可知，在該當(dāng)量比區(qū)間內(nèi)，火焰會經(jīng)歷脫離鈍體和反復(fù)再燃的?過程.

(3) 不同旋流數(shù)(0.45，0.61，0.90)對于火焰穩(wěn)定燃燒的當(dāng)量比區(qū)間影響并不明顯．3種旋流數(shù)下，OH信號強度突變的當(dāng)量比區(qū)間均位于0.52～0.50之間．當(dāng)旋流數(shù)為0.34時，實驗中并未出現(xiàn)OH信號強度的突變區(qū)間．

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Blow-Out Mechanism of Lean-Premixed Swirl Flame Combustion Based on Flame OH Chemiluminescence Technology

Zhao Xiaomin，Ge Hongda，Wang Junyi，Xu Wei，Zhou Yihui

(School of Chemical Machinery and Safety，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

Using the OH chemiluminescence technology，we conducted an experiment to study the blow-out process of lean-premixed swirl combustion in a turbulent state．The average flame image，instantaneous flame image，two-dimensional flame surface density and average OH intensity were obtained at different equivalent ratios．When the equivalent ratio was reduced from 0.90 to 0.46，the flame transformed from a stable combustion state to being close to blow-off，during which the flame changed from a compression in the middle to a columnar shape．When the equivalent ratio was between 0.90 and 0.55，the flame surface density decreased by about 10%，indicating that the flame was in a stable combustion state．When the equivalent ratio was between 0.55 and 0.50，the maximum of the progress variable changed from 1.0 to 0.5，indicating that the flame front was under strong pulsation. Moreover，the OH intensity dropped to about 67% suddenly．By observing the instantaneous flame image in the transition interval of OH intensity，we found that the flame front experienced a reciprocating process of breaking away from the bluff body，moving to the downstream of the combustion chamber，and reburning．Finally，the effects of different swirl numbers(i．e.，0.45，0.61 and 0.90)on the transition interval of OH intensity were compared，showing that the influence of swirl number on this interval was not obvious．

OH chemiluminescence；lean-premixed swirl combustion；flame instability；flame surface density；progress variable

TK16

A

1006-8740(2019)03-0244-07

2018-09-19.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(DUT17GJ205).

趙曉敏（1989—），女，博士研究生，xiaomin_in8903@126.com.

周一卉，女，博士，副教授，zflower@dlut.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201809012