分層比對(duì)分層旋流火焰穩(wěn)定模式及流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響

王思睿, 劉訓(xùn)臣, 李 磊, 韓 嘯, 張 弛, 齊 飛,*

(1. 上海交通大學(xué), 上海 200240; 2. 北京航空航天大學(xué), 北京 100191)

0 引 言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于NOx等污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)嚴(yán)格，貧燃預(yù)混燃燒(LPM)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中以減少污染物的排放[1]。然而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于貧燃預(yù)混燃燒模式時(shí)，火焰穩(wěn)定性較差，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部回火以及火焰吹脫，不利于航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定地運(yùn)行[2]。因此，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低污染燃燒，同時(shí)也保證火焰的穩(wěn)定性，一般在燃燒室中采用中心分級(jí)的燃燒方式。

中心分級(jí)燃燒的基本思路是將燃燒室內(nèi)的燃燒過程沿徑向分級(jí)，分為中間的預(yù)燃級(jí)和外側(cè)的主燃級(jí)。大部分燃料在噴嘴上游與空氣充分混合，并通過外側(cè)主燃級(jí)的環(huán)形通道進(jìn)入燃燒室內(nèi)，以貧油預(yù)混的方式燃燒，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的低污染物排放；而少量剩余的燃料則被通入預(yù)燃級(jí)中，以富燃方式形成中部值班火焰，對(duì)外側(cè)貧燃、高流速的主火焰起到穩(wěn)定作用。例如，GE公司的TAPS燃燒器就是典型的中心分級(jí)燃燒室[3]。實(shí)驗(yàn)室中用來研究分級(jí)燃燒的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，有劍橋大學(xué)的同心分層旋流燃燒器[4]和密西根大學(xué)的貧燃預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(LPP)燃燒器[5]。國內(nèi)典型的中心分級(jí)燃燒器有北京航空航天大學(xué)的TeLESS燃燒器[6-7]以及BASIS燃燒器[8]，分別用于工程技術(shù)驗(yàn)證和基礎(chǔ)研究，其基本氣動(dòng)熱力特征具有相似性。在這些燃燒器中，預(yù)燃級(jí)當(dāng)量比和主燃級(jí)當(dāng)量比的比例稱為分層比SR(Stratification Ratio)，是決定火焰沿徑向分布不均勻度的重要參數(shù)，對(duì)中心分層火焰的結(jié)構(gòu)以及火焰對(duì)來流擾動(dòng)的響應(yīng)都有顯著的影響[8-9]。

以大渦模擬為代表的數(shù)值模擬方法被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和湍流燃燒的機(jī)理研究，可以研究燃燒場(chǎng)的物理細(xì)節(jié)和湍流燃燒的動(dòng)態(tài)特征[10-11]，但仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)研究方面，近年來隨著高頻高功率激光器和高速相機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)，高頻激光診斷技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于湍流燃燒領(lǐng)域，是火焰結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)可視化的有力工具[12]。該技術(shù)擁有極高的時(shí)間分辨率，能夠捕獲湍流火焰中的瞬態(tài)火焰動(dòng)力學(xué)特征以及湍流結(jié)構(gòu)，為理解湍流流動(dòng)與燃燒化學(xué)之間的復(fù)雜相互作用提供了必要的條件[13-14]。人們已經(jīng)針對(duì)單旋流預(yù)混火焰的流動(dòng)結(jié)構(gòu)[15]、溫度場(chǎng)波動(dòng)[16-17]、非定常旋渦結(jié)構(gòu)[18]以及火焰/流場(chǎng)間的瞬態(tài)相互作用[19]開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，相關(guān)火焰理論也得到較為完善的發(fā)展。對(duì)于中心分層旋流火焰，前人利用火焰自發(fā)光方法，研究了在外激和自激條件下來流擾動(dòng)對(duì)分層火焰的影響[4,20]，以及利用時(shí)間平均的平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)圖像和化學(xué)自發(fā)光圖像，研究了分層火焰的結(jié)構(gòu)以及兩層火焰間的空間位置關(guān)系[5,21-22]。

與單級(jí)預(yù)混旋流火焰相比，分層旋流火焰中火焰的動(dòng)力學(xué)特征以及內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)要更為復(fù)雜。前人的實(shí)驗(yàn)工作主要集中于單參數(shù)、低時(shí)間分辨率的測(cè)量，難以捕捉到分層火焰的動(dòng)態(tài)特征和流場(chǎng)/火焰相互作用的連續(xù)過程。本文借助高速激光診斷系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了分層比對(duì)于常壓中心分層旋流火焰的穩(wěn)定模式以及流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響，分析了預(yù)燃級(jí)出口下游附近的平均流場(chǎng)以及內(nèi)剪切層中旋渦結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，為后續(xù)的仿真研究提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)方法

中心分層旋流火焰是在一個(gè)受限的BASIS(Beihang Axial Swirler Independently-Stratified)燃燒器上獲得，該燃燒器由北京航空航天大學(xué)林宇震團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，用于模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)低污染排放燃燒室的氣動(dòng)熱力特征，其詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)可參考文獻(xiàn)[8]。圖1給出了BASIS燃燒器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。預(yù)燃級(jí)(內(nèi)環(huán)通道)和主燃級(jí)(外環(huán)通道)中常溫的甲烷(CH4)和空氣(Air)分別由四個(gè)質(zhì)量流量計(jì)控制，經(jīng)過上游兩個(gè)預(yù)混罐充分混合后通入BASIS燃燒器中。兩路甲烷/空氣預(yù)混氣體隨后分別經(jīng)過內(nèi)旋流器(Inner swirler，S=0.68，8葉片)和外旋流器(Outer swirler，S=0.5，20葉片)，產(chǎn)生內(nèi)外兩股同向的旋轉(zhuǎn)射流。預(yù)燃級(jí)裝有中心鈍體(Center body)，中心鈍體上表面距離預(yù)燃級(jí)出口表面約4 mm；同時(shí)在預(yù)燃級(jí)出口處有一角度約52°的擴(kuò)張段，使得預(yù)燃級(jí)出口下游的旋轉(zhuǎn)射流向外擴(kuò)張，并與外側(cè)主燃級(jí)的預(yù)混氣交匯。中間臺(tái)階結(jié)構(gòu)(Lip)分隔了預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)兩路預(yù)混氣，預(yù)混氣體流出噴嘴出口后隨即發(fā)生燃燒，形成中心分層旋流火焰。燃燒室出口下游的方形頭部，由4片厚度為2 mm的石英玻璃所圍成，起到限制分層旋流火焰的作用。相比于圓柱形石英頭部，方形石英頭部能夠有效地降低激光診斷時(shí)的雜散光干擾以及光學(xué)圖像畸變，提高光學(xué)成像質(zhì)量。該頭部的橫截面尺寸為90 mm×90 mm，高度約為100 mm；出口末端開放，使整個(gè)分層旋流火焰處于常壓燃燒狀態(tài)。由于火焰與石英壁面的相互作用較弱，且測(cè)量區(qū)域集中臺(tái)階結(jié)構(gòu)下游附近(0 mm

圖1 BASIS燃燒器示意圖Fig 1 Schematic of BASIS burner

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental cases

圖2給出了高速激光診斷系統(tǒng)的示意圖。該測(cè)量系統(tǒng)由一臺(tái)超高重復(fù)頻率脈沖串式納秒激光器(Spectral Energies, QuasiModo 1000)、一臺(tái)像增強(qiáng)器(Lambert HiCATT)以及兩臺(tái)高速攝像機(jī)(Photron SA-Z)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)火焰中流場(chǎng)/釋熱率以及流場(chǎng)/火焰面的同步測(cè)量?；鹧嬷械乃矐B(tài)速度場(chǎng)通過高速粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)獲得。在分層火焰上游的預(yù)混氣中摻入粒徑為1 μm氧化鋁顆粒作為示蹤粒子，粒子在頻率為20 kHz的532 nm激光的照射下發(fā)生米散射，其散射信號(hào)由一臺(tái)裝有短焦鏡頭(Nikkor 50 mm f/1.4G)和窄帶通濾光片F(xiàn)1(Edmund Optics 532/10 nm)的PIV相機(jī)同步拍攝。實(shí)驗(yàn)中一次激光連續(xù)脈沖的持續(xù)時(shí)間為10 ms, 能夠獲得200幀連續(xù)的PIV原始圖像。用Davis 8.4軟件中的互相關(guān)算法對(duì)PIV原始圖像進(jìn)行處理，獲得對(duì)應(yīng)時(shí)刻火焰中的速度場(chǎng)。最終速度場(chǎng)的最小空間分辨率約為0.3 mm。火焰釋熱率對(duì)于燃燒室內(nèi)的溫度場(chǎng)以及燃料的化學(xué)反應(yīng)速率有著顯著的影響。為了得到火焰中釋熱率空間分布，用一臺(tái)高速相機(jī)配合高速像增強(qiáng)器以及對(duì)應(yīng)的窄帶通濾光片F(xiàn)2(Edmund Optics, 430/10 nm)來記錄火焰中CH*自由基的化學(xué)發(fā)光。

圖2 高速激光診斷系統(tǒng)示意圖Fig 2 Schematic of high-speed laser diagnostic system

在PIV/CH2O-PLIF測(cè)量中，利用甲醛平面激光誘導(dǎo)熒光(CH2O-PLIF)技術(shù)研究分層火焰鋒面的動(dòng)力學(xué)特征。CH2O主要分布在火焰中溫度較低(<1500 K)的燃料分解區(qū)中，該區(qū)域的下游緊鄰火焰鋒面。可以用火焰中的CH2O空間分布來獲得火焰鋒面的大致位置以及動(dòng)態(tài)特征[23-24]。高頻激光器輸出的532 nm激光束和355 nm的激光束通過雙色鏡(Dichroic Mirror)合為一束光，經(jīng)下游的柱面鏡組(Cylindrical lens)整形為一個(gè)高度約為40 mm、厚度約為1 mm的光片，照亮噴嘴出口下游的測(cè)試區(qū)域。高頻激光器輸出頻率為20 kHz，該信號(hào)用于同步相機(jī)和像增強(qiáng)器；同時(shí)10 ms脈沖串的觸發(fā)信號(hào)用于觸發(fā)相機(jī)和像增強(qiáng)器開始拍攝?；鹧嬷蠧H2O自由基發(fā)出的激光誘導(dǎo)熒光由裝有像增強(qiáng)器及窄帶通濾光片(FF01-CH2O, Semrock)的高速相機(jī)拍攝，獲得火焰中CH2O自由基的空間分布連續(xù)變化過程，記錄火焰鋒面位置；另一側(cè)的PIV相機(jī)拍攝流場(chǎng)中示蹤粒子的米散射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)/火焰面的同步測(cè)量。在20 kHz的拍攝幀率下，高速相機(jī)的像素分辨率為1024像素×1024像素，CH2O-PLIF以及CH*化學(xué)自發(fā)光圖像的空間分辨率約為0.1 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 分層比對(duì)于火焰結(jié)構(gòu)和火焰面相互作用模式的影響

分層比對(duì)于分層旋流火焰的形態(tài)有顯著的影響。圖3給出了由CCD相機(jī)所拍攝到的Case 1至Case 3工況下的分層旋流火焰圖像。圖4給出了不同工況下的分層火焰的時(shí)均釋熱率空間分布。在總當(dāng)量比保持0.8不變時(shí)，隨著分層比的增加，噴嘴出口下游附近的局部當(dāng)量比逐漸升高，導(dǎo)致預(yù)燃級(jí)下游局部火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減小[25]。此時(shí)分層火焰的根部會(huì)逐漸抬升，火焰的釋熱區(qū)會(huì)向噴嘴出口下游移動(dòng)。例如，在分層比為2.5時(shí)，預(yù)燃級(jí)的高濃度燃?xì)庀蛳掠螖U(kuò)散一段距離，并與來自主燃級(jí)的貧燃預(yù)混氣發(fā)生摻混和稀釋，隨后充分燃燒[26]。這一過程使得火焰的釋熱區(qū)逐漸向下游移動(dòng)，火焰的傳播速度也逐漸升高，并最終與下游流場(chǎng)的流速相匹配，使得火焰的釋熱區(qū)穩(wěn)定在噴嘴出口下游約10 mm的位置。另一方面，當(dāng)分層比減小到0.5時(shí)，預(yù)燃級(jí)燃?xì)獾木植慨?dāng)量比為0.42，外側(cè)主燃級(jí)的局部當(dāng)量比為0.84。此時(shí)，中間的值班火焰當(dāng)量比低于甲烷的貧燃極限，由外側(cè)的貧燃主火焰穩(wěn)定。由于外側(cè)主火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，導(dǎo)致火焰無法穩(wěn)定在噴嘴出口附近，在下游形成抬升火焰。因此，當(dāng)分層比SR≤1時(shí)，值班火焰不再對(duì)外側(cè)主火焰起到穩(wěn)定作用，這樣燃燒方式不符合實(shí)際的中心分級(jí)燃燒工作狀況。因此，本文沒有對(duì)這部分工況進(jìn)行討論。

圖3 CCD相機(jī)所拍攝到的火焰圖像Fig.3 Flame images recorded by a CCD camera

圖4 不同工況下分層火焰的平均CH*自發(fā)光圖像Fig.4 Time-averaged images of CH* chemiluminescence in different cases of stratified swirling flames

分層比可以改變分層旋流火焰中火焰鋒面的結(jié)構(gòu)，從而使分層火焰的穩(wěn)定機(jī)理發(fā)生改變。圖5給出了不同工況下分層火焰鋒面的平均空間分布。根據(jù)主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)火焰面形態(tài)以及相互作用模式，分層火焰中兩層火焰面的相互作用方式主要有分層型和融合型兩種，圖6示意了其火焰鋒面結(jié)構(gòu)。例如，Case 3中的分層型火焰主要由中間的M型值班火焰和外側(cè)駐定在臺(tái)階結(jié)構(gòu)唇緣處的V型主火焰所構(gòu)成。主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)兩層火焰面被中間的臺(tái)階回流所分隔，在不同工況中，兩層火焰可以相互接觸，也可以相互分離。在火焰結(jié)構(gòu)類似于Case 1和Case 2的融合型火焰中，主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)的兩層火焰面則相互融合，形成一層抬升的V型火焰。

預(yù)燃級(jí)的值班火焰對(duì)于整個(gè)分層火焰的穩(wěn)定有著極為重要的作用。在大多數(shù)SR>1的分層火焰工況中，當(dāng)關(guān)閉預(yù)燃級(jí)燃料后，外部的主火焰會(huì)立即熄滅。一般認(rèn)為，預(yù)燃級(jí)的富燃值班火焰對(duì)于外側(cè)貧燃主火焰的穩(wěn)定作用主要是通過兩層火焰根部間的高溫臺(tái)階回流區(qū)[21]以及燃燒室出口下游值班火焰與主火焰之間的相互接觸[27]來實(shí)現(xiàn)。但前人的研究主要是通過時(shí)均實(shí)驗(yàn)結(jié)果來進(jìn)行的，缺乏對(duì)于兩層火焰面間相互作用細(xì)節(jié)的研究；并且對(duì)于融合型火焰的具體穩(wěn)定機(jī)理也沒有進(jìn)行詳細(xì)的討論。因此有必要利用高速激光成像系統(tǒng)對(duì)這兩類分層火焰進(jìn)行具有高時(shí)空分辨率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，詳細(xì)研究這兩類分層火焰的火焰面動(dòng)力學(xué)以及火焰間的相互作用過程，以完善分層火焰穩(wěn)定理論。

圖5 不同工況下分層火焰的平均CH2O空間分布Fig.5 Time-averaged spatial distributions of CH2O radicals in different cases of stratified swirling flames

(a) 分層型 (b) 融合型

2.2 不同分層比下火焰穩(wěn)定機(jī)理的研究

圖7至圖9分別給出了不同分層比下分層火焰在4.5 ms內(nèi)的瞬態(tài)火焰面動(dòng)力學(xué)特征以及流動(dòng)結(jié)構(gòu)的連續(xù)演化過程。圖中的藍(lán)色虛線是零軸向速度線，用來表示瞬態(tài)流場(chǎng)中主回流區(qū)的大致輪廓。臺(tái)階回流區(qū)是由臺(tái)階結(jié)構(gòu)下游的尾跡流所形成的。該回流區(qū)的尺寸較小，且在周圍強(qiáng)湍流的作用下，形狀和尺寸會(huì)不斷發(fā)生改變。在多數(shù)時(shí)刻的瞬態(tài)流場(chǎng)中，難以通過零軸向速度線將這一區(qū)域進(jìn)行良好的可視化。因此，每個(gè)工況平均流場(chǎng)中臺(tái)階結(jié)構(gòu)下游附近的零軸向速度線，被用來表示臺(tái)階回流區(qū)的大致范圍，在圖中以白色虛線標(biāo)出。在分層火焰的流場(chǎng)中，各種尺寸的脫落旋渦沿著內(nèi)剪切層向噴嘴下游傳播。左右兩側(cè)的脫落旋渦分別用英文字母N和P來標(biāo)注，字母后的數(shù)字從噴嘴出口向下游依次遞增。值班火焰鋒面上游和下游旋渦的特性存在較為明顯的差異。值班火焰鋒面上游的旋渦流線卷曲范圍小且不穩(wěn)定，極易在接近火焰鋒面過程中消失。而鋒面下游的旋渦流線彎曲范圍較大且較為穩(wěn)定，能夠穩(wěn)定向下游傳播較長(zhǎng)距離。在Case 1和Case 2的融合型分層火焰中，V型抬升火焰在當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)和內(nèi)剪切層中脫落旋渦的共同作用下，火焰根部的穩(wěn)定點(diǎn)會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定的抬升與下落運(yùn)動(dòng)。例如，圖7和圖8中白色圓圈所示，在Case 1中，從0 ms開始，火焰根部的穩(wěn)定點(diǎn)逐漸下落，并在2 ms時(shí)運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)，隨后又逐漸抬升；在Case 2的0 ms時(shí)，V型抬升火焰根部的穩(wěn)定點(diǎn)在左右旋渦N1和P1以及局部流場(chǎng)的共同作用下，抬升至噴嘴出口下游約5 mm的高度，隨后該穩(wěn)定點(diǎn)逐漸向上游運(yùn)動(dòng)，并在4 ms時(shí)下落到預(yù)燃級(jí)出口上游?？梢姡谌诤闲头謱踊鹧嬷?，臺(tái)階回流區(qū)始終位于整個(gè)V型抬升火焰面的上游，不與V型抬升火焰面相接觸。在臺(tái)階回流區(qū)中始終有較高的CH2O信號(hào)，說明整個(gè)臺(tái)階回流區(qū)始終充滿未燃?xì)獠⑻幱谳^低的溫度。因此，對(duì)于融合型分層火焰，臺(tái)階回流區(qū)的高溫點(diǎn)火源作用不再明顯，此時(shí)整個(gè)分層火焰的穩(wěn)定主要是依靠預(yù)燃級(jí)下游的高溫主回流區(qū)(PRZ)以及外側(cè)的低流速內(nèi)剪切層來實(shí)現(xiàn)。中間值班火焰對(duì)外側(cè)主火焰的穩(wěn)定則通過兩層火焰間的持續(xù)接觸來實(shí)現(xiàn)。

圖7 Case 1條件下分層火焰的瞬態(tài)火焰面與流場(chǎng)Fig.7 Instantaneous flame front and flow field in Case 1

而對(duì)于分層型分層火焰(Case 3)，值班火焰在預(yù)燃級(jí)出口下游并非始終與外側(cè)的主火焰相互接觸，而是不斷發(fā)生分離與接觸，充當(dāng)外部貧燃的主火焰在噴嘴出口下游的高頻間歇點(diǎn)火源，能夠在主火焰根部發(fā)生吹脫或熄火時(shí)重新點(diǎn)燃主火焰。例如，圖9在0 ms時(shí)中間M型的值班火焰與外側(cè)V型的主火焰結(jié)構(gòu)處于相互分離狀態(tài)，隨后在上游流場(chǎng)與脫落旋渦的作用下，值班火焰會(huì)逐漸向外側(cè)主火焰靠近并相互接觸，如圖中白色圓圈處所示，兩層火焰相互接觸后，在流場(chǎng)的作用下又會(huì)發(fā)生分離。在間歇點(diǎn)火的同時(shí)，值班火焰還通過臺(tái)階結(jié)構(gòu)下游的高溫臺(tái)階回流區(qū)(圖中白色虛線所示)不斷向主火焰輸送高溫已燃?xì)怏w和活性自由基，對(duì)于主火焰根部起到持續(xù)點(diǎn)火源的作用。值班火焰和融合型分層火焰的穩(wěn)定機(jī)理類似，主要依靠流場(chǎng)中的高溫主回流區(qū)與外側(cè)低流速的內(nèi)剪切層來實(shí)現(xiàn)。預(yù)燃級(jí)出口下游沿內(nèi)剪切層傳播的脫落旋渦對(duì)值班火焰的動(dòng)力學(xué)有顯著的影響，從而間接地影響整個(gè)分層火焰的穩(wěn)定。這些旋渦能夠使值班火焰發(fā)生卷起，如圖中0.5 ms和3 ms時(shí)，左側(cè)上游的旋渦N1使該處的火焰面卷起，同時(shí)旋渦的強(qiáng)剪切效應(yīng)也能夠使值班火焰面發(fā)生斷裂以及與反應(yīng)區(qū)分離，如圖中紅色圓圈所示。

2.3 分層比對(duì)內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響

分層比能顯著地改變分層旋流火焰的火焰面結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的穩(wěn)定機(jī)理，并且值班火焰在整個(gè)火焰穩(wěn)定過程中起主導(dǎo)作用。預(yù)燃級(jí)出口附近的流場(chǎng)以及脫落的旋渦結(jié)構(gòu)直接決定著下游值班火焰的動(dòng)力學(xué)特征，從而影響值班火焰對(duì)于主火焰的穩(wěn)定過程。同時(shí)內(nèi)剪切層中的脫落旋渦還會(huì)使值班火焰的火焰表面積以及火焰角度發(fā)生波動(dòng)，這種旋渦與火焰的相互作用是驅(qū)動(dòng)分層火焰中燃燒不穩(wěn)定性的重要來源[20]。為了更好地研究不同分層比下值班火焰的動(dòng)力學(xué)特征，有必要對(duì)預(yù)燃級(jí)出口附近的流場(chǎng)以及內(nèi)剪切層中的脫落旋渦進(jìn)行詳細(xì)的定量研究，來更好地揭示噴嘴出口下游流動(dòng)結(jié)構(gòu)的演化細(xì)節(jié)，理解預(yù)燃級(jí)下游流場(chǎng)與值班火焰的相互作用過程。

圖10給出了不同分層比下預(yù)燃級(jí)出口下游的時(shí)間平均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及不同高度處的軸向速度曲線。圖中黑色虛線是零軸向速度線，流場(chǎng)背景顏色代表當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)的軸向速度大小。預(yù)燃級(jí)出口下游的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要包括左右對(duì)稱的臺(tái)階回流區(qū)(LPZ)，沙漏狀的主回流區(qū)(PRZ)以及具有正軸向速度的主流區(qū)。紅色虛線和紅色實(shí)線分別代表最大CH*自發(fā)光強(qiáng)度的10%和90%等值線，分別表示主火焰和值班火焰的大致釋熱區(qū)范圍。隨著分層比的增加，值班火焰的釋熱區(qū)逐漸向下游移動(dòng)。在這一過程中，流場(chǎng)中的最大主流速度和最大回流速度先增大后減小。在SR=2.5時(shí)，主火焰也從臺(tái)階結(jié)構(gòu)脫離，抬升至距離出口下游約15 mm的位置，火焰釋熱區(qū)上游的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和速度曲線和冷態(tài)流場(chǎng)中的非常類似：主回流區(qū)下游的寬度較寬，左右主流區(qū)中存在低軸向速度區(qū)(圖中黑色圓圈所示)。Case 0至Case 2中y=5 mm處的軸向速度曲線也可以看出這一現(xiàn)象。在該高度處的軸向速度曲線中，在x=-10 mm的位置處存在一個(gè)軸向速度極小值，而Case 3同樣位置處的速度曲線中則沒有類似的軸向速度極小值。冷態(tài)流場(chǎng)主流區(qū)中的低軸向速度區(qū)的產(chǎn)生，是因?yàn)橹魅技?jí)的旋轉(zhuǎn)射流的軸向速度較大，來自預(yù)燃級(jí)的擴(kuò)張旋轉(zhuǎn)射流在與之交匯前，會(huì)先減速，之后再被卷吸到主燃級(jí)的旋轉(zhuǎn)射流中。當(dāng)預(yù)燃級(jí)火焰的釋熱區(qū)離燃燒室出口較近時(shí)，由于火焰的釋熱，出口下游的氣體會(huì)發(fā)生膨脹，使得兩股旋轉(zhuǎn)射流融合在一起，下游的低軸向速度區(qū)也因此消失。同時(shí)火焰的釋熱也會(huì)使流場(chǎng)中主流速度和回流速度同時(shí)增大，但切向速度幾乎不變，使得預(yù)燃級(jí)出口下游的旋流數(shù)減小，主回流區(qū)的尺寸也因此減小。由主回流區(qū)內(nèi)的回流速度分布可知，高回流速度主要集中在主回流區(qū)下部的收縮處(0 mm

(a) Case 0

為了定量地研究分層旋流火焰內(nèi)剪切層中脫落旋渦的渦量變化及空間分布規(guī)律，Γ1函數(shù)[28]被用于提取每一個(gè)工況的600張瞬態(tài)流場(chǎng)中內(nèi)剪切層的旋渦中心位置以及該位置處的渦量，相鄰兩幀流場(chǎng)圖像的時(shí)間間隔為0.05 ms。對(duì)于離散的PIV速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，Γ1函數(shù)的表達(dá)式如下：

(1)

其中S為尺寸固定的矩形區(qū)域，N為該矩形區(qū)域中所包含的PIV數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，P為該矩形區(qū)域的中點(diǎn)，M為矩形區(qū)域S中的任意點(diǎn)，z為垂直于PIV測(cè)量平面的單位法向量,LPM為長(zhǎng)度矢量,UM代表M點(diǎn)的速度矢量。內(nèi)剪切層中脫落旋渦的相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示。圖11(a)中白色的虛線表示零軸向速度線。紅色虛線和紅色實(shí)線與圖10中的一樣，分別代表主火焰和值班火焰的釋熱區(qū)。圖11(a)給出了內(nèi)剪切層中脫落旋渦的空間分布統(tǒng)計(jì)，每個(gè)散點(diǎn)的顏色代表經(jīng)過該點(diǎn)的所有旋渦中心的平均渦量。從圖11(a)可以看出，內(nèi)剪切層的脫落旋渦相對(duì)均勻地分布在內(nèi)剪切層的內(nèi)外兩側(cè)，形成一個(gè)V型的脫落旋渦分布帶。圖11(b)統(tǒng)計(jì)了燃燒室出口下游30 mm內(nèi)每個(gè)高度處旋渦中心處的渦量，給出了內(nèi)剪切層的脫落旋渦沿軸向高度的定量演化規(guī)律。圖11(b)中的藍(lán)色實(shí)線和紅色實(shí)線分別表示左右內(nèi)剪切層中每個(gè)高度處的平均渦量。沿軸線高度方向的平均渦量大致呈現(xiàn)對(duì)稱分布，預(yù)燃級(jí)出口下游10 mm區(qū)域內(nèi)旋渦中心處的平均渦量較大，這是由于該區(qū)域內(nèi)剪切層中存在較強(qiáng)的剪切力。相比于冷態(tài)(Case 0)工況，在熱態(tài)(Case 1～Case 3)工況中，由于火焰對(duì)流體的加速作用，使得值班火焰面上游的軸向速度梯度和剪切力增加，因此這一區(qū)域中脫落旋渦中心處的平均渦量增加。對(duì)于Case 0中的冷態(tài)流場(chǎng)，內(nèi)剪切層中的旋渦從上游脫落后，旋渦中心處的平均渦量會(huì)稍微下降，但在之后向下游傳播的過程，幾乎保持恒定。對(duì)于Case 1中的熱態(tài)流場(chǎng)，主火焰釋熱區(qū)上游(y<15 mm)流場(chǎng)中的平均渦量分布與冷態(tài)流場(chǎng)中的類似；但在穿過主火焰釋熱區(qū)之后旋渦中心的平均渦量強(qiáng)度會(huì)稍微下降。對(duì)于Case 2和Case 3，由于分層比的減小，值班火焰的強(qiáng)釋熱區(qū)逐漸向上游移動(dòng)。內(nèi)剪切層中脫落的旋渦在經(jīng)過這一區(qū)域時(shí)，旋渦的平均渦量會(huì)降低；并且火焰面下游脫落旋渦出現(xiàn)的次數(shù)也會(huì)降低。這是因?yàn)槊撀湫郎u在穿過值班火焰面時(shí)，由于其自身具有較高的渦量，會(huì)使值班火焰面發(fā)生卷起，從而使局部流場(chǎng)的壓力梯度與密度梯度方向不一致，產(chǎn)生的斜壓效應(yīng)可以使入射旋渦的渦量減小，甚至使整個(gè)旋渦完全消失[29]。

(a) 脫落旋渦中心的空間分布及平均渦量

3 結(jié) 論

利用高速激光診斷系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了分層比對(duì)于中心分層旋流火焰形態(tài)以及火焰穩(wěn)定模式的影響。同時(shí)，為了更好地理解值班火焰的動(dòng)力學(xué)特征以及值班火焰與流場(chǎng)的相互作用過程，定量研究了預(yù)燃級(jí)出口附近的流場(chǎng)以及內(nèi)剪切層中的脫落旋渦，得出以下結(jié)論：

1) 當(dāng)總當(dāng)量比保持0.8，分層比由1.5增加至2.5時(shí)，預(yù)燃級(jí)出口附近的局部燃?xì)庖蜻^于富燃，而無法充分燃燒，使整個(gè)釋熱區(qū)向下游移動(dòng)，火焰的根部因此發(fā)生抬升。

2) 在分層比增大的過程中，分層火焰中兩層火焰面間的相互作用模式也會(huì)由分層型轉(zhuǎn)變?yōu)槿诤闲?，從而使分層火焰的穩(wěn)定機(jī)理發(fā)生改變。噴嘴出口下游的流場(chǎng)以及內(nèi)剪切層中脫落的旋渦主要是通過影響值班火焰的動(dòng)力學(xué)，來對(duì)整個(gè)分層火焰的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3) 分層比對(duì)于流場(chǎng)的影響主要是通過改變值班火焰釋熱區(qū)的位置來實(shí)現(xiàn)。SR=2.5時(shí)火焰上游的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與同流量下的冷態(tài)流場(chǎng)非常類似。與冷態(tài)流場(chǎng)相比，熱態(tài)流場(chǎng)的主流速度和回流速度都有明顯的增加，使預(yù)燃級(jí)出口附近內(nèi)剪切層中的剪切力增大。

4) 分層旋流火焰內(nèi)剪切層中的旋渦在速度測(cè)量平面中呈現(xiàn)出V型分布，分層比能夠改變脫落渦的空間分布及渦量演化規(guī)律。旋渦在穿過火焰釋熱區(qū)時(shí)，其旋渦中心處的渦量以及火焰面下游旋渦出現(xiàn)的次數(shù)都會(huì)減小。