當(dāng)量比對(duì)旋流燃燒室火焰形態(tài)與流場(chǎng)影響的激光診斷

王俊懿, 葛宏達(dá), 趙曉敏, 徐 維, 周一卉

(大連理工大學(xué) 化工機(jī)械與安全學(xué)院, 遼寧 大連 116023)

0 引 言

貧燃預(yù)混燃燒，由于其較低的火焰溫度而減少了熱力型NOx的生成，是一種具有廣闊發(fā)展前景的清潔燃燒技術(shù)[1]。在貧燃預(yù)混燃燒室中，通常采用旋流結(jié)構(gòu)來穩(wěn)定火焰，可在較寬的操作條件內(nèi)使火焰穩(wěn)定燃燒[2]。裝有旋流器的燃燒室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生剪切層和多個(gè)回流區(qū)結(jié)構(gòu)[3]，并且在不同的操作條件下可以觀察到緊縮型火焰、M型火焰和V型火焰[4]。當(dāng)火焰形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，燃燒室內(nèi)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性也將隨之改變，往往伴隨著熱聲不穩(wěn)定的變化[5]。同時(shí)，不同的火焰形態(tài)會(huì)影響燃燒室出口處溫

度場(chǎng)和污染物排放[6]。因此，研究燃燒室內(nèi)火焰形態(tài)及其轉(zhuǎn)變機(jī)理和誘發(fā)條件，對(duì)貧燃預(yù)混燃燒的工程實(shí)踐具有重要意義。

實(shí)驗(yàn)和模擬表明，貧燃預(yù)混燃燒室內(nèi)火焰形態(tài)轉(zhuǎn)變對(duì)燃燒室的入口條件(燃料組成、入口速度、入口溫度、當(dāng)量比)和邊界條件(燃燒室尺寸、旋流數(shù))非常敏感。Mercier[6]、Syred[7- 8]和Wicksall[9]等研究了燃料組成對(duì)貧燃預(yù)混燃燒室內(nèi)火焰形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)燃料中高濃度的氫組分會(huì)促使火焰呈M型。Oberleithner[10- 11]、Terhaar[12]和St?hr[13]等研究了不同入口速度下燃燒室內(nèi)的PVC(渦旋進(jìn)動(dòng))現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)PVC的出現(xiàn)強(qiáng)烈依賴于火焰形態(tài)，在M型火焰及冷態(tài)條件下觀察到了PVC現(xiàn)象，而V型火焰則抑制了PVC現(xiàn)象。Stopper等[14]測(cè)量了不同進(jìn)氣溫度、入口速度、操作壓力下的燃燒室內(nèi)冷熱態(tài)流場(chǎng)、火焰形態(tài)及OH*濃度。Chong[15]、Khalil[16]和Nogenmyr[17]等研究了受限與非受限空間貧燃預(yù)混燃燒器的火焰形態(tài)，發(fā)現(xiàn)在同一當(dāng)量比下帶有壁面的燃燒室內(nèi)火焰呈V型，而非受限火焰呈緊縮型。Guiberti[4]等研究了貧燃預(yù)混燃燒器壁面對(duì)V型、M型火焰轉(zhuǎn)變的影響，發(fā)現(xiàn)可以用火焰沿著燃燒器壁面邊界層回火的機(jī)制來解釋2種火焰的轉(zhuǎn)變過程。楊亞晶[18]、Taamallah[19]等研究了當(dāng)量比等條件對(duì)貧燃預(yù)混燃燒不穩(wěn)定性與火焰形態(tài)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)外回流區(qū)中火焰的首次出現(xiàn)與燃燒器基頻的起始不穩(wěn)定性相吻合。

雖然國內(nèi)外對(duì)貧燃預(yù)混燃燒火焰形態(tài)轉(zhuǎn)變進(jìn)行了大量研究，但對(duì)火焰形態(tài)(特別是由外回流區(qū)回火形成的M型火焰)與流場(chǎng)內(nèi)外回流區(qū)以及剪切層的耦合作用機(jī)理仍不十分清楚。本文利用激光診斷技術(shù)定量描述貧燃預(yù)混燃燒室內(nèi)的火焰形態(tài)及流場(chǎng)，研究當(dāng)量比、旋流數(shù)對(duì)貧燃預(yù)混燃燒室外回流區(qū)流場(chǎng)與火焰形態(tài)的影響規(guī)律，為深入探討流場(chǎng)與火焰的耦合作用對(duì)火焰形態(tài)變化的誘發(fā)機(jī)理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。由壓縮機(jī)提供的壓縮空氣首先進(jìn)行干燥，和甲烷燃料分別由質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)流量、在燃燒室上游進(jìn)行預(yù)混后，經(jīng)軸向葉片式旋流器進(jìn)入燃燒室。

旋流數(shù)S定義為流體切向動(dòng)量的軸向通量與軸向動(dòng)量通量之比[20]，其理論計(jì)算式為：

(1)

(2)

(3)

其中，M為切向動(dòng)量矩，I為軸向動(dòng)量；r0為特征尺寸，r為旋流器半徑；ρ、p分別為流體密度和靜壓力；ω、u分別為流體的切向分速度和軸向分速度。

圖1 貧燃預(yù)混燃燒實(shí)驗(yàn)裝置圖

Fig.1Schematicdiagramofleanpremixedcombustionexperimentaldevice

實(shí)驗(yàn)采用軸向葉片式旋流器，如圖2所示。假設(shè)旋流器外徑為r2，輪轂外徑為r1；葉片個(gè)數(shù)n，安裝角(葉片與軸向的夾角)為β；旋流器出口切向和軸向速度分量分別為vθ和vx，且vθ和vx滿足：

vθtanβ=vx

(4)

對(duì)旋流數(shù)理論計(jì)算式進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得：

(5)

實(shí)驗(yàn)采用的2個(gè)葉片的安裝角β分別為29°和43°，其旋流數(shù)S分別為0.45和0.75。

圖2 軸向葉片式旋流器

1.2 測(cè)量系統(tǒng)

流場(chǎng)測(cè)量采用德國LaVision公司的Stereo- PIV系統(tǒng)。系統(tǒng)控制由同步控制器完成。照明系統(tǒng)由激光片光源構(gòu)成，采用雙諧振脈沖式Nd∶YAG激光器作為光源，其最大工作頻率為15Hz，實(shí)驗(yàn)時(shí)每個(gè)脈沖輸出能量為200mJ，輸出光波長(zhǎng)532nm。圖像拍攝采用分辨率為2360pixel×1776pixel的CCD相機(jī)，以12bit灰度方式識(shí)別示蹤粒子。為防止燃燒火焰發(fā)光影響流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，鏡頭前加裝(532±10)nm濾光片過濾雜光。示蹤粒子為平均直徑1μm的Al2O3顆粒，具有良好的散射性與跟隨性，能夠較真實(shí)地反映燃燒室內(nèi)部的冷態(tài)流場(chǎng)和熱態(tài)流場(chǎng)。

火焰測(cè)量采用德國LaVision公司的OH*- Chemiluminescence系統(tǒng)，由相機(jī)、像增強(qiáng)器(Intensified Relay Optics，IRO)、濾光片和同步控制器組成。相機(jī)分辨率為1920pixel×1280pixel，拍攝頻率15Hz。像增強(qiáng)器及其同步控制系統(tǒng)能夠處理的光譜范圍為190～900nm。在像增強(qiáng)器的鏡頭前安裝(308±5)nm濾光片過濾雜波。Stereo- PIV和OH*- Chemiluminescence的布置如圖3所示。

圖3 Stereo- PIV和IRO的實(shí)驗(yàn)臺(tái)和布置

在進(jìn)口溫度293K條件下測(cè)量了冷態(tài)與熱態(tài)流場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)所用燃料為甲烷。測(cè)量區(qū)域如圖4所示(預(yù)混管內(nèi)徑d=25mm)。實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

圖4 燃燒室測(cè)量區(qū)域

CaseFlow fieldReSwirl number (S)Equivalent ratio (φ)1Non-reactive96000.452Non-reactive96000.753Reactive103500.450.904Reactive101400.450.665Reactive101100.450.626Reactive103500.750.907Reactive101400.750.668Reactive101100.750.60

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 冷態(tài)流場(chǎng)與熱態(tài)流場(chǎng)

圖5為冷態(tài)(Case 1)及熱態(tài)(Case 3)的燃燒室內(nèi)軸向速度vy的云圖和流線圖。可以看出，在冷態(tài)和熱態(tài)條件下都很好地獲得了旋流燃燒室內(nèi)的流動(dòng)特性(位于燃燒室噴嘴下游的中心回流區(qū)、剪切層及外回流區(qū))。

圖5 Case 1和Case 3的流線圖及平均軸向速度云圖

Fig.5MeanaxialvelocitycontoursandstreamlinesforCase1andCase3

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，燃燒對(duì)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)影響顯著。(1)燃燒室內(nèi)速度明顯提高。冷態(tài)下場(chǎng)內(nèi)速度峰值為10.8m/s，而熱態(tài)下則提高至16.7m/s。(2)剪切層與x/d軸正向夾角變小。冷態(tài)下為65°，而熱態(tài)下減小至54°。(3)外回流區(qū)(圖5中紅色虛線區(qū)域)高度降低且渦核向燃燒室上游運(yùn)動(dòng)。冷態(tài)下外回流區(qū)高度為2.4d，渦核高度1.25d，熱態(tài)下外回流區(qū)高度減小至1.5d，渦核高度減小至0.9d。這是由于火焰的熱釋放加速了流場(chǎng)內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致中心回流區(qū)在徑向上膨脹變大，對(duì)外回流區(qū)有擠壓效應(yīng)。

圖6為Case 1、Case 3的燃燒室出口下游6個(gè)位置軸向速度vy的徑向分布。可以看到，沿著燃燒室軸向(y軸方向)，波峰位置逐漸向右平移且都位于剪切層內(nèi)(在圖6所有位置的速度分布曲線中，以vy=0處將曲線分為3段，分別對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)域：沿x軸正向依次為中心回流區(qū)、剪切層及外回流區(qū))。從圖6可以明顯看到火焰對(duì)流場(chǎng)內(nèi)氣流的加速作用，其中在y/d=0.3處，冷態(tài)和熱態(tài)流場(chǎng)的軸向速度峰值分別為10.8和16.7m/s。受火焰影響，熱態(tài)流場(chǎng)內(nèi)速度衰減的幅度遠(yuǎn)小于冷態(tài)，在y/d=1.8處，冷態(tài)和熱態(tài)流場(chǎng)的軸向速度峰值分別為2.8和10.5m/s，較y/d=0.3處分別下降了71.1%和37.1%。

圖6 Case 1和Case 3的平均軸向速度

Fig.6Meanaxialvelocityprofilesforthenon-reactingCase1andreactingCase3

2.2 燃燒室冷/熱態(tài)流場(chǎng)湍流脈動(dòng)速度

脈動(dòng)速度對(duì)旋流不穩(wěn)定性及火焰動(dòng)力學(xué)有重要影響。對(duì)于燃燒室內(nèi)各空間點(diǎn)而言，脈動(dòng)速度(真實(shí)值)是一個(gè)隨機(jī)量，而均方根(RMS)是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。本文以脈動(dòng)速度的RMS值vy,rms表征燃燒室內(nèi)各空間點(diǎn)脈動(dòng)速度偏離時(shí)均速度的程度：vy,rms越大，偏離程度越大，所處空間點(diǎn)的湍流程度越大。

圖7為實(shí)驗(yàn)得到的冷態(tài)和熱態(tài)條件下軸向速度脈動(dòng)的RMS值vy,rms的對(duì)比曲線。值得注意的是vy,rms的峰值位于剪切層，表明剪切層處的脈動(dòng)速度最高，湍流程度最大。對(duì)于冷態(tài)條件(Case 2)，隨著流動(dòng)遠(yuǎn)離燃燒室出口，vy,rms的峰值逐漸減小。例如，y/d=0.3和1.8處的vy,rms峰值分別約為5.95和3.27m/s；而在熱態(tài)條件(Case 6)下，隨著流動(dòng)遠(yuǎn)離燃燒室出口，vy,rms峰值逐漸增加，由y/d=0.3處的4.68m/s增加至y/d=1.8處的7.36m/s。這說明火焰增強(qiáng)了燃燒室內(nèi)的湍流程度。

圖7 Case 2和Case 6的脈動(dòng)速度RMS值

Fig.7ProfilesoftheRMSofaxialvelocityfluctuationsforthenon-reactingCase2andreactingCase6

2.3 不同當(dāng)量比下的熱態(tài)流場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)中利用OH*- Chemiluminescence捕捉火焰形態(tài)，但此方法無法準(zhǔn)確捕捉燃燒室z=0平面的火焰形態(tài)。本文利用Abel- Inversion方法得到z=0平面的時(shí)均火焰形態(tài)，然后對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理以便疊加平均流場(chǎng)。圖8為當(dāng)量比φ=0.90、0.66和0.60時(shí)的火焰形態(tài)及對(duì)應(yīng)的熱態(tài)流場(chǎng)(左圖為時(shí)均火焰原始圖像，中圖為二值化火焰形態(tài)，右圖為火焰形態(tài)與對(duì)應(yīng)時(shí)均流場(chǎng)的疊加)。

從圖中可以看出：不同當(dāng)量比下的火焰形態(tài)存在較大差異，而時(shí)均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)類似，均存在中心回流區(qū)、剪切層及外回流區(qū)。圖8(a)為緊縮型火焰，火焰由內(nèi)剪切層(ISL)穩(wěn)定，外回流區(qū)(ORZ)沒有反應(yīng)發(fā)生；圖8(b)為過渡型火焰，位于燃燒室壁面處的火焰開始向上游回火，外回流區(qū)開始有燃燒反應(yīng)發(fā)生；圖8(c)為M型火焰，此時(shí)燃燒室壁面處回火已發(fā)展至燃燒室底部，火焰主要依靠?jī)?nèi)剪切層及外回流區(qū)穩(wěn)定。在Case 3～5發(fā)現(xiàn)了同樣形態(tài)的火焰。

圖8 Case 6～8的3種典型火焰形態(tài)

Fig.8Threetypicaltime-averagedflameshapesandflowfieldsforCase6～8

為分析不同當(dāng)量比(火焰形態(tài))下流場(chǎng)與火焰的耦合作用，比較Case 3～7燃燒室出口下游6個(gè)位置軸向速度vy的徑向分布，如圖9和10所示。

從圖9和10可以看出，在3種不同的當(dāng)量比下，3種熱態(tài)流場(chǎng)的速度分布類似，且波峰逐漸向右平移(向燃燒室下游方向)，波峰值逐漸降低。在同一旋流數(shù)下，在燃燒室出口y/d=0.3和0.6處，3種火焰形態(tài)的速度分布幾乎一致；而從y/d=0.9開始，當(dāng)量比越低，剪切層處對(duì)應(yīng)的軸向速度衰減越快。這是因?yàn)榕c高當(dāng)量比相比，低當(dāng)量比下的熱釋放降低，對(duì)氣流的加速效果減弱。

圖9 Case 3～5平均軸向速度分布

圖10 Case 6～8平均軸向速度分布

為分析不同當(dāng)量比下火焰形態(tài)變化的機(jī)制，比較Case 6～8的瞬態(tài)火焰結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)，如圖11所示?？梢钥闯?，Case 6～8的燃燒較為穩(wěn)定，其中Case 6的瞬時(shí)火焰序列均為緊縮型，外回流區(qū)(圖中紅色虛線)內(nèi)沒有反應(yīng)發(fā)生，同時(shí)還可以看到外回流區(qū)對(duì)火焰鋒面的卷吸作用；Case 8的瞬時(shí)火焰序列均為M型；而Case 7的火焰形態(tài)則在緊縮型(圖11(b)中t0及t0+201ms)與M型火焰(圖11(b)中t0+134ms及t0+335ms)中交替瞬變。由圖11(b)中t0～t0+201ms的圖像可以發(fā)現(xiàn)，外回流區(qū)回流的流體卷吸火焰鋒面，導(dǎo)致火焰脫離剪切層，隨著流體的回流而傳播到上游的外回流區(qū)，從而形成M型火焰。

圖11 Case 6～8的瞬時(shí)火焰及流場(chǎng)

3 結(jié) 論

利用Stereo- PIV及OH*- Chemiluminescence系統(tǒng)測(cè)量了旋流燃燒室內(nèi)的冷態(tài)流場(chǎng)和不同當(dāng)量比下的熱態(tài)流場(chǎng)及對(duì)應(yīng)的火焰形態(tài)。通過對(duì)比冷態(tài)和熱態(tài)流場(chǎng)、不同旋流數(shù)和當(dāng)量比下的火焰形態(tài)和熱態(tài)流場(chǎng)以及脈動(dòng)速度，探究了流場(chǎng)- 火焰的耦合作用，得到以下結(jié)論：

(1) 在相同的入口條件下，貧燃預(yù)混旋流熱態(tài)流場(chǎng)與冷態(tài)流場(chǎng)的整體結(jié)構(gòu)類似，但火焰的存在導(dǎo)致流場(chǎng)內(nèi)速度顯著提高，中心回流區(qū)對(duì)剪切層有明顯擠壓效應(yīng)，使剪切層與燃燒室底部x/d軸夾角縮小，外回流區(qū)中心下移。

(2) 在相同的入口條件下，冷態(tài)流場(chǎng)與熱態(tài)流場(chǎng)內(nèi)軸向速度脈動(dòng)的均方根具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，但峰值都位于剪切層處，同時(shí)火焰的存在強(qiáng)化了流場(chǎng)內(nèi)的湍流程度。

(3) 改變旋流數(shù)，在不同的當(dāng)量比下觀察到相似的火焰形態(tài)序列，分別為緊縮型、過渡型及M型；但不同的旋流數(shù)下出現(xiàn)同一火焰形態(tài)對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比不同。隨著當(dāng)量比降低，燃燒室出口下游同一軸向位置處的軸向速度逐漸降低。

(4) 外回流區(qū)回流的流體卷吸火焰鋒面，導(dǎo)致火焰脫離剪切層，隨著流體的回流而傳播到上游的外回流區(qū)，導(dǎo)致火焰由緊縮型變?yōu)镸型。