協(xié)流溫度對噴射起升火焰燃燒穩(wěn)定性的影響

鄧 俊，李理光，吳志軍

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海201804）

湍流與燃燒是非常復(fù)雜的過程，兩者之間的相互作用更加劇了湍流燃燒的復(fù)雜性，使之成為當(dāng)今工程研究領(lǐng)域中最復(fù)雜的課題之一［1］.

對于湍流起升火焰的穩(wěn)定機(jī)理，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者進(jìn)行了不 懈 的 研 究［2－8］，但仍存 在 很 大 的 爭 議［2］.文獻(xiàn)［3］最早對擴(kuò)散起升火焰的穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行了研究，指出火焰高度穩(wěn)定在化學(xué)當(dāng)量比區(qū)域內(nèi)湍流火焰速率與燃料供應(yīng)速率平衡的地方.文獻(xiàn)［4］和［5］則將軸對稱湍流噴射火焰看成是受湍流控制的層流擴(kuò)散火焰的系綜，火焰的穩(wěn)定與作用于層流擴(kuò)散火焰面上的拉伸率有關(guān).文獻(xiàn)［6］在此基礎(chǔ)上發(fā)展了三重火焰的概念，認(rèn)為部分預(yù)混小火焰的熄滅對火焰的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用.文獻(xiàn)［7］的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)起升火焰的穩(wěn)定高度與雷諾數(shù)有關(guān)，雷諾數(shù)低則火焰穩(wěn)定在噴口附近且火焰層薄，隨雷諾數(shù)增加起升高度增加而火焰區(qū)域變寬.

Dibble燃燒器的問世將湍流化學(xué)動力學(xué)從復(fù)雜的回流中解耦出來，有利于穩(wěn)定機(jī)理的研究［9－10］，也可用于模擬加力燃燒室中的熱氛圍和氧氛圍，為該燃燒室中的燃燒穩(wěn)定提供有利參考［11］.利用該類型燃燒器，文獻(xiàn)［10］研究了中央噴射氣體燃料（CH4）的起升火焰穩(wěn)定性與自燃的關(guān)系.文獻(xiàn)［12］研究了中央噴射H2和N2混合氣的起升火焰高度，推測不同協(xié)流溫度下火焰的穩(wěn)定受控于不同的因素：低溫下的自燃或高溫下的火焰?zhèn)鞑?文獻(xiàn)［13］等用聯(lián)合概率密度函數(shù)（PDF）方法對中央射流為H2與N2混合氣在活化熱氛圍中的燃燒現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究湍流火焰的結(jié)構(gòu)及起升高度.文獻(xiàn)［14］利用PDF方法模擬了活化熱氛圍中H2和N2射流火焰的溫度場和H2，O2以及OH基的質(zhì)量分布.在中央噴射液體燃料燃燒方面，Cabra等［15］和吳志軍等［16］分別針對甲醇和柴油燃料在活化熱氛圍中的燃燒進(jìn)行了研究.

在前期研究的基礎(chǔ)上［16－17］，本文利用活化熱氛圍燃燒器提供的穩(wěn)定協(xié)流熱氛圍場，圍繞中央噴射液體燃料的起升火焰的基部變化，深入分析協(xié)流熱氛圍對液體燃料起升火焰燃燒穩(wěn)定性的影響，從而為均質(zhì)壓燃燃燒過程控制提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)裝置及研究方法

可控活化熱氛圍燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)詳見文獻(xiàn)［17］，其主體是可控活化熱氛圍燃燒器（圖1），其協(xié)流成分為氧氣體積分?jǐn)?shù)在10%～19%可變的氫氣／空氣稀燃燃燒產(chǎn)物，可為中央噴射燃料提供燃燒所需的氧氣和熱氛圍，在半徑為40mm、高為150mm的近似圓柱形區(qū)域內(nèi)沿中心軸線提供700～1 500K的均衡溫度場［17］.協(xié)流溫度僅受協(xié)流預(yù)混合氣當(dāng)量比控制，并采用快速響應(yīng)熱電偶對協(xié)流溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，穩(wěn)定條件下的協(xié)流溫度變化約2K［18］.試驗(yàn)過程中協(xié)流氧氣體積分?jǐn)?shù)為14.7%～15.5%，協(xié)流流速為3.8m·s－1，雷諾數(shù)約為16 300.

圖1 可控活化熱氛圍燃燒器示意Fig.1 Schematic of the CATA burner

中央射流由連續(xù)噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).連續(xù)噴射系統(tǒng)由氮?dú)馄?、蓄能器、高壓管路、噴嘴以及電磁閥等組成，系統(tǒng)簡圖如圖2所示.蓄能器內(nèi)的液體燃料（本試驗(yàn)中為柴油）在高壓氮?dú)馄績?nèi)高壓氣體的作用下以恒定的壓力通過噴嘴噴入燃燒器所形成的熱氛圍中，形成自燃火焰.噴嘴為自制的單孔噴嘴，孔徑為0.20mm.由于液體燃料燃燒存在蒸發(fā)和擴(kuò)散過程，并且受燃燒器熱氛圍穩(wěn)定高度的限制，蓄能器的壓力維持在0.5MPa，液體噴射速率較?。s5m·s－1），以便將著火區(qū)域限制在穩(wěn)定熱氛圍內(nèi)，由于噴射時間較短，試驗(yàn)過程中噴射壓力保持不變.噴嘴伸出燃燒盤上方45mm，處于燃燒器的預(yù)混湍流火焰充分發(fā)展的區(qū)域，噴霧特性可參考文獻(xiàn)［18］.

圖2 連續(xù)噴射系統(tǒng)Fig.2 Continuous injection system

中央噴射起升火焰使用Photron公司生產(chǎn)的FASTCAM－ultima APX高速攝影系統(tǒng)記錄，分辨率設(shè)置為512×128，表征600mm×150mm的拍攝范圍，幀速率為6 000幀·s－1.液體噴射及著火過程記錄控制時序圖如圖3所示，其中t1為噴油延遲時間，t2為自燃延遲時間，啟動噴油電磁閥1的同時觸發(fā)高速攝影系統(tǒng).所拍攝的圖片通過自行編制的后處理軟件作了對比度增強(qiáng)、去噪以及輪廓提取處理，以減少肉眼識別帶來的誤差.穩(wěn)定火焰起升高度指可見火焰基部距噴嘴的高度，是通過后處理軟件從圖像序列中自動提取的.

圖3 液體噴射及著火過程記錄控制時序Fig.3 Control timing diagram of liquid injection and ignition recording

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

可控活化熱氛圍燃燒器提供的是高溫的稀燃燃燒產(chǎn)物，中央噴射液體燃料進(jìn)入熱協(xié)流以后受熱蒸發(fā)，在高溫及氧氛圍的共同作用下而發(fā)生自燃，從而最終形成湍流起升火焰.然而這種湍流起升火焰的基部高度并不是穩(wěn)定不變的，而是受協(xié)流溫度、燃料的供應(yīng)速率、湍流強(qiáng)度以及部分預(yù)混火焰的傳播等多因素的共同影響.

圖4a為柴油燃料噴入溫度為1 022K的熱協(xié)流中發(fā)生自燃后形成的起升火焰基部的高度隨時間的變化，表現(xiàn)為火焰升高一定高度后逐漸趨于穩(wěn)定.將圖片中火焰基部高度的變化量定義為跳變長度，其隨時間的變化如圖4b所示.從圖4可以看出，火焰高度起伏比較大，并且在A-E各點(diǎn)火焰的基部發(fā)生了明顯的向下跳躍，基部高度減小20mm以上，在點(diǎn)D跳變量甚至達(dá)到了65mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了火焰?zhèn)鞑ニ苓_(dá)到的距離.以點(diǎn)D附近火焰的發(fā)展過程為例，將點(diǎn)D時刻定義為t＝0ms，點(diǎn)D及后續(xù)的燃燒圖片如圖5所示.在點(diǎn)D以前，火焰的基部高度慢慢升高（圖4）.在t＝0ms時刻，在主火焰（明亮火焰）的上游較遠(yuǎn)處出現(xiàn)了燃料的自燃現(xiàn)象，從而將火焰分為上、下兩部分（圖5a）.此后，圍繞著自燃點(diǎn)，下部火焰迅速發(fā)展（圖5b，5c，5d），并最終與上部火焰連成一片（圖5e，5f），從而降低了整個火焰的基部高度.當(dāng)然，火焰并不會穩(wěn)定在這一高度，基部位置逐漸升高，直至下一次跳變發(fā)生.因此，火焰上游燃料的自燃現(xiàn)象對火焰起升高度的穩(wěn)定性起著重要作用.從圖4中還可看出，自燃發(fā)生位置和自燃時間并不固定，存在很大的隨機(jī)性，這和當(dāng)?shù)氐娜紵郎囟?、湍流?qiáng)度及燃空比均有直接的關(guān)系.

將協(xié)流溫度適當(dāng)提高，火焰基部的變化將發(fā)生很大的改變.圖6是協(xié)流溫度為1 074K時起升火焰的基部高度及跳變長度隨時間的變化.可以看出，基部高度的起伏并不大，但仍存在火焰基部的跳變現(xiàn)象（圖中A，B），只是其跳變長度與圖4中的相比略小.

將協(xié)流溫度提高至1 101K，火焰的最大跳變長度相當(dāng)短（圖7），在20mm左右，考慮到此時溫度較高，火焰的傳播速率較大，可認(rèn)為跳變現(xiàn)象已基本不發(fā)生.此時，火焰的穩(wěn)定主要受控于湍流火焰的傳播速率和燃料的供應(yīng)速率的平衡.

如果對跳變長度設(shè)置一個閾值，認(rèn)為超過此閾值的基部高度跳變才是一次由于自燃現(xiàn)象而發(fā)生的跳變（簡稱跳變），對250ms內(nèi)各協(xié)流溫度條件下跳變的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8所示.在3個不同的跳變長度閾值（15，20，25mm）下，隨溫度的升高，跳變的頻率明顯減小.存在一個溫度臨界點(diǎn)，協(xié)流溫度低于此臨界點(diǎn)則跳變次數(shù)較大，火焰的穩(wěn)定取決于火焰區(qū)上游燃料的自燃.而高于此臨界點(diǎn)，則跳變次數(shù)很少，且只在火焰穩(wěn)定的初期發(fā)生.如果考慮高溫情況下湍流燃燒速率加大，則高溫時自燃跳變的閾值要相應(yīng)提高，從而導(dǎo)致跳變頻率更小.

圖8 火焰基部跳變次數(shù)隨溫度的變化Fig.8 Jump times of flame base vs.temperature

從圖4、圖6和圖7還可看出，協(xié)流溫度為1 022 K時，首次可見火焰的位置高度即自燃點(diǎn)高度約120 mm（與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)）.隨著溫度上升，自燃點(diǎn)位置下降.在超過一定的溫度后，該高度值變化不大，在1 074K和1 101K均在50mm左右.

考察火焰的起升高度可以發(fā)現(xiàn)，隨著協(xié)流溫度的上升，起升高度變小.協(xié)流溫度為1 022K時起升高度圍繞120mm跳動；1 074K時起升高度約為50 mm；而1 101K時火焰穩(wěn)定在噴嘴口附近，起升高度只有10mm左右.

由以上分析可知，在不同協(xié)流溫度時熱氛圍中液體燃料噴射起升火焰的穩(wěn)定性受控因素不同.協(xié)流溫度較低時起升火焰的穩(wěn)定受控于燃料的自燃現(xiàn)象，而協(xié)流溫度較高時火焰的穩(wěn)定受火焰?zhèn)鞑ブ鲗?dǎo).Wu等［19］利用激光多普勒測速技術(shù)對活化熱氛圍下H2與N2射流火焰的湍流結(jié)構(gòu)研究結(jié)果及試驗(yàn)過程中的強(qiáng)烈自燃噪聲現(xiàn)象也表明氣體燃料射流火焰穩(wěn)定受控因素亦符合上述規(guī)律.

3 結(jié)論

對活化熱氛圍中液體燃料連續(xù)噴射所形成的起升火焰的基部高度進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）協(xié)流熱氛圍中火焰基部的頻繁跳變是自燃現(xiàn)象作用的結(jié)果.

（2）不同協(xié)流溫度時液體燃料中央噴射起升火焰的穩(wěn)定性受控因素不同.本試驗(yàn)條件下，存在一個火焰基部穩(wěn)定受控因素的分界點(diǎn)，低于此溫度時起升火焰的穩(wěn)定受控于燃料的自燃現(xiàn)象，高于此溫度時起升高度的穩(wěn)定受火焰?zhèn)鞑ブ鲗?dǎo).

（3）火焰跳變頻率及跳變長度與協(xié)流溫度有關(guān)，溫度越低則火焰基部跳變越頻繁，跳變長度隨溫度的增加而減小.

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