旋流作用下突擴燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場的PIV分析

樊艷娜，畢明樹，周一卉，趙曉敏，沙 嵬

（大連理工大學 化工機械學院，遼寧 大連 116023）

0 引 言

貧燃預混預蒸發(fā)燃燒室（Lean Premixed Prevaporized，LPP）是通過過量空氣和燃料在燃燒室的上游充分混合，從而降低火焰溫度以實現(xiàn)降低NOX生成的一種清潔燃燒技術。LPP的燃燒技術已經(jīng)被廣泛應用于航空航天等工業(yè)領域，但是它本身卻存在著由燃燒動力學和操作條件改變等因素引起的燃燒不穩(wěn)定性問題。目前，利用PIV等激光診斷技術來研究燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場特性已經(jīng)成為分析燃燒室內(nèi)部流場結構的一種主流趨勢，進而從根本上探究燃燒室內(nèi)部燃燒不穩(wěn)定性問題，并對燃燒室熱態(tài)流場行為起到指導作用。

韓啟祥［1］等人設計了單頭部的矩形燃燒室模型，并通過PIV技術研究了燃燒室內(nèi)的流場結構以及旋流器結構參數(shù)的改變對流場內(nèi)回流區(qū)的影響，實驗進口壓力為0.1065MPa。研究表明，減小一級旋流器的流通面積及旋流數(shù)，或增大二級旋流器的旋流數(shù)，回流區(qū)的尺寸會增大。Yan Yingwen［2］利用PIV技術研究了進口壓力不大于0.12MPa時具有2級軸向旋流器的矩形燃燒室的旋流流場特性，得到了引起流場速度大小、脈動速度及回流區(qū)長度變化的因素，主要包括入口空氣溫度、燃料／空氣比等。結果表明，隨著入口空氣溫度和燃料／空氣比的增加，初級回流區(qū)長度減小，且冷態(tài)流場的回流區(qū)長度大于反應流場。鄧遠灝［3］等人采用PIV技術對貧油預混預蒸發(fā)燃燒室的冷態(tài)流場進行了研究，實驗壓力不大于0.11MPa。研究發(fā)現(xiàn)燃燒室頭部流場結構主要由中心回流區(qū)、角回流區(qū)和唇口回流區(qū)組成，且進口空氣流量的變化幾乎不影響回流區(qū)的長度。程勇和汪軍［4］采用PIV技術研究了微型燃氣輪機燃燒室火焰筒內(nèi)旋流冷態(tài)流場的速度分布，得到了當空氣流量為0.114m3／s時，燃燒室火焰筒內(nèi)氣體的時均切向速度分布及火焰筒中心截面和不同軸向位置的速度矢量分布。李昊［5］等人利用PIV技術對2種不同突擴比燃燒室的冷態(tài)流場進行了實驗分析。研究表明，突擴比的改變對燃燒室突擴面后的流場結構影響很小。張建華［6］通過PIV技術測量了里克管內(nèi)的冷態(tài)及熱態(tài)流場分布，得到了冷態(tài)和熱態(tài)工況下流場內(nèi)的速度矢量圖和軸向及徑向速度分布，并發(fā)現(xiàn)熱態(tài)條件下流場內(nèi)速度變化比冷態(tài)時大。Sengisse［7］分別對部分旋流預混突擴燃燒室的冷態(tài)及反應流場特性進行了大渦模擬和實驗研究，實驗壓力為0.15MPa，其中冷態(tài)流場實驗是通過水洞實驗模型實現(xiàn)的。Strakey［8］采用PIV技術研究了在環(huán)境溫度和大氣壓力的條件下，2種實驗配置的旋流穩(wěn)定預混燃燒室內(nèi)的冷態(tài)流場特性，實驗主要測量了燃燒室的軸向、徑向和切向速度分布，并與通過LES和RANS 2種方法得到的數(shù)值模擬結果進行了比較。結果表明，LES與實驗均能清楚地觀察到流場內(nèi)的不穩(wěn)定渦旋進動（PVC）現(xiàn)象，且進動頻率是流速的線性函數(shù)。Tuncer［9］對常壓下矩形預混旋流燃燒室內(nèi)的冷態(tài)流場與火焰穩(wěn)定間的關系進行了研究，實驗以甲烷為燃料。結果表明，反應流場與冷態(tài)流場內(nèi)均存在回流區(qū)結構，冷態(tài)流場中有一個穩(wěn)定的回流區(qū)結構，且在反應流場中，楔形火焰會穩(wěn)定在此回流區(qū)的邊緣。Hong［10］利用PIV技術研究了渦和火焰交互作用下矩形燃燒室內(nèi)貧燃預混火焰的燃燒動力學特性，實驗中以H2和丙烷的混合物為燃料，在常規(guī)大氣壓力的條件下改變?nèi)肟跍囟龋玫搅似骄鶞u場及流線分布和瞬態(tài)火焰前部。St?hr［11－14］通過激光診斷手段研究了燃氣輪機矩形燃燒室內(nèi)PVC和旋流火焰的相互作用，實驗在大氣壓力條件下以甲烷為燃料，利用PIV和OH－PLIF技術同時測量了燃燒室內(nèi)流場速度分布和火焰結構，并利用正交分解的方法分析了流場內(nèi)的不穩(wěn)定渦結構，得出了流場內(nèi)的平均速度分布，并發(fā)現(xiàn)火焰主要穩(wěn)定在存在PVC現(xiàn)象的內(nèi)剪切層。Chterev，F(xiàn)oti［15］以天然氣為燃料，實驗壓力為2×105Pa，利用PIV實驗和LES 2種方式比較了3種不同配置的圓形旋流預混燃燒室內(nèi)的冷態(tài)及反應流場特征。結果表明，燃燒室流場中會有角回流區(qū)及中心回流區(qū)的出現(xiàn)，且平均速度沿軸向是對稱分布的。但利用PIV實驗觀察不到流場內(nèi)的角回流區(qū)。

以上研究中主要是利用PIV技術對燃氣輪機矩形燃燒室內(nèi)的流場特性，包括流場內(nèi)回流區(qū)分布、速度場和流線分布及其影響因素、突擴比改變對流場結構的影響、PVC現(xiàn)象進行了分析，但這些研究主要是在常壓下進行的，很少涉及到入口壓力為高壓的條件。本文設計突擴比為3.1的圓形旋流燃燒室模型，并以空氣為介質(zhì)，主要利用PIV技術研究了高壓進流條件下燃燒室冷態(tài)流場內(nèi)的速度場、回流區(qū)分布和渦量場等特性。本文研究工作為燃燒室內(nèi)反應流場的火焰結構、流場特性及脈動規(guī)律的研究奠定了基礎。

1 實驗流程

實驗裝置主要由燃燒室、煙霧粒子發(fā)生器、CCD相機、時序控制器、激光器和數(shù)據(jù)采集設備等構成。其中燃燒室橫截面為圓形，外徑為90mm，厚度為5mm。實驗過程中向燃燒室通入空氣，并以煙霧粒子作為示蹤粒子隨空氣經(jīng)過二級旋流后進入燃燒室中，再利用激光器和相機拍攝并記錄燃燒室流場內(nèi)示蹤粒子的運動狀態(tài)，以此獲得流場形態(tài)。實驗流程如圖1所示（圖中綠色線為實驗所測的中軸面），實驗裝置如圖2所示（圖中H為旋流器距離燃燒室突擴面處的高度）。

用PIV系統(tǒng)測量燃燒室內(nèi)流場結構時，需要加入合適的示蹤粒子，在流場測試的過程中，示蹤粒子的選擇及其濃度大小是決定實驗是否成功的重要因素。對于空氣流場的測量，示蹤粒子直徑一般選在1.5～5μm之間。對示蹤粒子的選擇有以下幾個假設：（1）示蹤粒子完全跟隨流體運動；（2）示蹤粒子在流體中均勻分布；（3）示蹤粒子位移均一；（4）示蹤粒子有足夠高的光散射率。本實驗中示蹤粒子由10D90SPT煙霧發(fā)生器提供，煙霧顆粒平均直徑為1.5μm，如圖3所示。示蹤粒子圖像清晰，分布均勻，能夠保證流場的準確測量分析。

圖1 實驗流程示意圖Fig.1 Scheme of the experiment

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Sketch of the experimental apparatus

圖3 示蹤粒子散射光圖像Fig.3 Scattered light images of the tracer particles

為了研究入口壓力變化對旋流突擴燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場結構的影響，本實驗設計了幾種工況條件，分別取入口壓力為0.1、0.3和0.7MPa，實驗過程中入口空氣溫度保持不變?yōu)?98K，旋流器的旋流葉片角度為45°，旋流數(shù)為0.8。詳細的實驗工況條件如表1所示。

表1 冷態(tài)流場測量實驗工況表Table 1 Experimental condition of the cold－flow field measurement

2 實驗結果及分析

本實驗對燃燒室突擴面后中心軸截面的流場結構進行了研究，實驗過程中拍攝了燃燒室突擴面后75mm范圍內(nèi)的流場結構，并且利用PIV系統(tǒng)自帶的后處理軟件對拍攝圖像進行互相關及濾波分析，得到了不同實驗條件下燃燒室內(nèi)的空氣流動特性。每種工況均考慮了3次實驗的綜合結果，具有可信性。

2.1 燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場結構及速度分布

圖4為經(jīng)過后處理后表1中實驗2的工況下測得的燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場分布，激光拍攝頻率為4.3Hz，激光拍攝2幀圖片間的時間間隔為150μs。從圖4中可以看出，在燃燒室流場內(nèi)形成了大的旋渦。其中，圖4（a）為軸向中心截面的速度矢量分布，圖4（b）為軸向中心截面的流線分布，圖4（a）中的紅色點畫線為燃燒室的中心軸線。由圖4可以看出，燃燒室流場中存在中心回流區(qū)、角回流區(qū)及剪切層，且沿著燃燒室軸向方向，角回流區(qū)和中心回流區(qū)逐漸消失。這是由于空氣流經(jīng)旋流器時，旋流器葉片的導流作用而形成的切向、軸向和徑向分速的三維旋轉氣流作用的結果。由圖4還可以看出，沿著燃燒室軸向方向，中心回流區(qū)的寬度先增大（燃燒室突擴面處至軸向位置為33mm處），然后再縮?。ㄝS向位置為33mm至軸向位置為55mm處）。

2.2 入口壓力改變對回流區(qū)長度的影響

圖5為表1中實驗1、2和3的工況條件下燃燒室內(nèi)的冷態(tài)流場速度矢量圖，在圖5中沿燃燒室軸向方向作軸向速度曲線，則從燃燒室突擴面處沿軸向方向的前兩個軸向速度極值點之間的軸向間距即為角回流區(qū)長度；另外，沿軸向方向的最后一個軸向速度極值點至燃燒室突擴面處之間的軸向間距即為中心回流區(qū)長度。假設燃燒室軸向方向為坐標軸y，軸向速度為vy，對軸向速度求導數(shù)，微分曲線中處即為軸向速度的極值點，軸向速度的微分曲線如圖6所示，圖6中綠色虛線處，圖6（a）中的L1為角回流區(qū)的長度，圖6（b）中的L2為中心回流區(qū)的長度。由圖5可以看出，在入口壓力不同時，燃燒室冷態(tài)流場中均含有穩(wěn)定的中心回流區(qū)及角回流區(qū)結構。由表1可知，3種實驗條件下入口壓力不斷提高，入口流速及雷諾數(shù)也變大，實驗2和3均為湍流流動狀態(tài)（Re＞4000）。由圖6可知，隨著入口壓力的增加，中心回流區(qū)及角回流區(qū)的長度均呈現(xiàn)減小的趨勢。如表2所示，相對于實驗1的情況，實驗2和3的角回流區(qū)長度分別減少36.00%和52.00%，中心回流區(qū)長度分別減少7.55%和28.30%。這是因為當入口壓力增大時，燃燒室入口速度増大，空氣流經(jīng)旋流器時產(chǎn)生的徑向和和切向速度分量值就會增大，當高速空氣碰撞燃燒室壁面時，就會使燃燒室內(nèi)形成的回流區(qū)結構更早消失，即回流區(qū)長度縮短。

圖4 實驗4流場結構圖Fig.4 Flow field structure of experiment 4

圖5 不同工況下流場內(nèi)速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagram under different working conditions

圖6 不同工況下的回流區(qū)長度Fig.6 Length of recirculation zones under different working conditions

表2 不同工況下的回流區(qū)長度Table 2 Length of recirculation zone under different working conditions

2.3 入口壓力改變對回流區(qū)寬度的影響

圖7為實驗1、2和3的回流區(qū)最大寬度相對應的軸向速度沿徑向位置的分布（軸向位置分別為z＝40，30，22mm），圖中綠色虛線處軸向速度為0，最大軸向速度之間的間距即為回流區(qū)的寬度（圖7中w），3種不同入口壓力條件下相對應的回流區(qū)寬度及最大回流速度大小如表3所示。隨著入口壓力的增大，由圖7可以看出，從實驗1至3，燃燒室內(nèi)回流區(qū)寬度逐漸減小，最大回流速度增大；如表3所示，相對于實驗1的回流區(qū)寬度，實驗2和3的回流區(qū)寬度分別減少6.80%和17.69%，最大回流速度分別增加110.03%和145.38%；同時，由回流區(qū)寬度最大值在不同的軸向位置處可知，隨著入口壓力的提高，燃燒室冷態(tài)流場內(nèi)回流區(qū)中心位置逐漸向燃燒室入口移動。這是因為隨著入口壓力的增大，雷諾數(shù)變大，氣體湍流運動劇烈，使得燃燒室的入口速度增加，從而使由燃燒室上游流入的新鮮空氣運動得更快，就會更早在燃燒室內(nèi)形成回流區(qū)結構。

圖7 不同工況下的軸向速度分布Fig.7 Axial velocity distributions under different working conditions

表3 不同工況下的回流區(qū)寬度Table 3 Width of recirculation zone under different working conditions

2.4 突擴面后流場內(nèi)渦的變化

圖8為通過PIV系統(tǒng)后處理軟件處理后的實驗4工況條件下燃燒室內(nèi)流場分布的流線圖，圖8（a）～（f）相鄰2幅圖像的時間間隔為Δt＝0.465s。由圖8可以清楚地看出流場內(nèi)渦的變化過程（紅色虛線框標出的范圍）。燃燒室內(nèi)的回流區(qū)結構是由流場內(nèi)旋渦變化產(chǎn)生的，高速空氣向下游運動流經(jīng)旋流器時，旋流器的旋流作用使燃燒室內(nèi)部的流動更加紊亂，造成了燃燒室內(nèi)部流動的不穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生旋渦并向下游移動，使流場中出現(xiàn)PVC現(xiàn)象，即出現(xiàn)旋渦生成、發(fā)展、破碎至再生成的過程。由圖8（a）可知，在燃燒室流場內(nèi)的外剪切層處生成小的旋渦，該旋渦變大并進一步發(fā)展為2個（見圖8（b）），且強度減弱，直至最后破裂（見圖8（d）），隨后在燃燒室的上游，又會有新的旋渦的生成（見圖8（f）），形成渦的周期性運動。

圖8 不同時刻實驗4的流線圖Fig.8 Streamline of experiment 4at different times

3 結 論

通過對燃燒室冷態(tài)條件下流場特性的PIV實驗研究，得到了如下結論：

（1）在燃燒室冷態(tài)流場中，沿燃燒室軸向方向，中心回流區(qū)的寬度先增大再減小。

（2）入口壓力不同時，燃燒室流場中均含有穩(wěn)定的回流區(qū)結構，且回流區(qū)長度及回流區(qū)寬度隨著入口壓力的增大而變小，回流區(qū)的強度隨著入口壓力的提高而增強。

（3）隨著入口壓力的提高，燃燒室冷態(tài)流場內(nèi)回流區(qū)中心位置向燃燒室入口移動。

（4）燃燒室流場中有旋渦產(chǎn)生，在旋渦變化的過程中，能夠在流場內(nèi)觀察到PVC過程。

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