穩(wěn)焰器結(jié)構(gòu)對貧燃預(yù)混燃燒火焰不穩(wěn)定性的影響

段潤澤， 趙若霖， 劉聯(lián)勝， 田 亮， 王興益

(河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401)

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，NOx的環(huán)境污染問題越來越受到關(guān)注，大量研究[1-2]發(fā)現(xiàn)貧燃預(yù)混燃燒能夠很好地控制NOx排放，但是當(dāng)貧燃預(yù)混燃燒的控制參數(shù)接近熄火極限時，在一個相對封閉的燃燒室內(nèi)容易發(fā)生熱聲振蕩現(xiàn)象，降低了火焰的動力學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)致火焰鋒面動力學(xué)失穩(wěn)。

Steinberg等[3]認(rèn)為火焰動力學(xué)失穩(wěn)是由燃燒室結(jié)構(gòu)、流場、壓力、化學(xué)反應(yīng)以及火焰熱釋放之間的相互作用引起的。Weigand等[4]認(rèn)為誘發(fā)火焰動力學(xué)失穩(wěn)的主要因素是氣體動力學(xué)波動和火焰的周期性熱釋放，前者主要包括氣體流動過程中大尺度黏性漩渦的形成和耗散，燃燒室本身的聲壓振蕩以及其他的一些流動現(xiàn)象。Hwang等[5]對2個切向旋轉(zhuǎn)噴嘴火焰的穩(wěn)定性進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)切向旋流預(yù)混火焰是相對穩(wěn)定的。

St?hr等[6]發(fā)現(xiàn)中心回流區(qū)是由旋轉(zhuǎn)射流內(nèi)渦團(tuán)的周期性形成和衰減造成的，是渦旋進(jìn)動(Precessing vortex core，PVC)的結(jié)果。PVC是一種由中心回流區(qū)剪切邊界層內(nèi)的三維非對稱渦團(tuán)以一定的頻率形成和破碎的過程，與雷諾數(shù)大小有關(guān)。在較低旋流數(shù)下，PVC會產(chǎn)生渦團(tuán)破碎并誘發(fā)出中心回流區(qū)，中心回流區(qū)面積減小。Weigand等[4]在研究小尺度渦團(tuán)的PVC時發(fā)現(xiàn)PVC有利于已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w混合，促進(jìn)燃燒，可以明顯提高火焰穩(wěn)定性。中心回流區(qū)與PVC也有很大關(guān)系，PVC越強(qiáng)，中心回流區(qū)越明顯；而PVC螺旋結(jié)構(gòu)也與反應(yīng)速度及火焰的熱釋放有關(guān)，這是因為：一方面，螺旋結(jié)構(gòu)可以增大未燃?xì)怏w與已燃?xì)怏w之間的接觸面積，有利于提高整個燃燒速率；另一方面，反應(yīng)速率提高將導(dǎo)致火焰熱釋放增大，熱釋放的能量促使PVC結(jié)構(gòu)由環(huán)狀發(fā)展為螺旋狀。Huang等[7]發(fā)現(xiàn)PVC取決于燃燒室結(jié)構(gòu)、燃料的進(jìn)入方式及當(dāng)量比。

王勇等[8-9]認(rèn)為火焰不穩(wěn)定性是熱聲振蕩的一種體現(xiàn)，而熱聲振蕩的機(jī)理符合瑞利準(zhǔn)則。周昊等[10-11]指出渦核之間的相互作用在實際燃燒過程中起著重要作用。還有研究者[12-13]針對雙旋流穩(wěn)焰器，甚至三旋流穩(wěn)焰器火焰的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

以上研究主要針對旋流火焰的不穩(wěn)定性，也有學(xué)者針對多孔介質(zhì)的燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究。王恩宇等[14]針對多孔介質(zhì)的燃燒特性進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)的孔直徑小于猝熄直徑時，預(yù)混氣在燃燒過程中不易出現(xiàn)回火現(xiàn)象，保證了燃燒過程的安全性。張俊春[15]通過數(shù)值方法研究了低熱值條件下多孔介質(zhì)的燃燒穩(wěn)定性問題，發(fā)現(xiàn)火焰鋒面分裂現(xiàn)象與預(yù)混氣的當(dāng)量比以及入口氣體速度等有關(guān)。

多孔介質(zhì)對預(yù)混氣有梳理、整流作用，使火焰的穩(wěn)定性比其他穩(wěn)焰器好，這是由多孔介質(zhì)本身的特點決定的，多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器具有燃燒效率高、可燃極限寬、污染物排放低等特點，但是針對多孔介質(zhì)的穩(wěn)定性研究理論上還不完善。因此，筆者對旋流穩(wěn)焰器和多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器在貧燃預(yù)混條件下的火焰燃燒不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)包括氣源、實驗裝置、燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示?？諝鈿庠从煽諝鈮嚎s機(jī)供應(yīng)，氣源經(jīng)過減壓閥進(jìn)入穩(wěn)壓階段(0.6 MPa)，經(jīng)過冷卻、除油、過濾和干燥后進(jìn)入實驗段。

圖1 實驗系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

實驗裝置由預(yù)混室和燃燒室兩部分組成(見圖2)。預(yù)混室為高度500 mm、直徑100 mm的圓柱形通道，為了使空氣與燃?xì)忸A(yù)混較好，預(yù)混室入口安裝有切向旋流葉片。燃燒室由直徑為170 mm、高度為250 mm的圓柱形石英玻璃構(gòu)成。燃燒過程中使用切向旋流、徑向旋流以及多孔介質(zhì)3種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)焰器。

圖2 實驗裝置Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

切向旋流穩(wěn)焰器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中4個葉片與中心軸逆時針成45°，外圓直徑為20 mm，軸的直徑為5 mm，葉片厚度為2 mm。徑向旋流穩(wěn)焰器結(jié)構(gòu)如圖4所示，旋流角度為45°，內(nèi)直徑為25 mm，軸的直徑為20 mm。多孔介質(zhì)(見圖5)的主要成分是碳化硅10PPI，平均孔徑為2 mm，厚度為17 mm，直徑為55 mm，孔隙率為86.2%，流通面積為1 080 mm2。

圖3 切向旋流穩(wěn)焰器Fig.3 Tangential swirl flame stabilizer

圖4 徑向旋流穩(wěn)焰器Fig.4 Radial swirl flame stabilizer

圖5 多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器Fig.5 Porous medium flame stabilizer

燃?xì)獠捎闷垦b甲烷，純度為99.9%，甲烷在常溫下經(jīng)減壓、干燥后，以旋流形式進(jìn)入實驗裝置，用質(zhì)量流量控制器來控制甲烷體積流量。

實驗過程中采集的數(shù)據(jù)主要有甲烷體積流量、空氣體積流量和燃燒室的壓力振蕩頻譜。甲烷質(zhì)量流量計CS200的量程為5SLM(即標(biāo)準(zhǔn)狀況下5 L/min)，精度是0.1FS；空氣質(zhì)量流量計9E量程為200SLM(即標(biāo)準(zhǔn)狀況下200 L/min)，精度是0.2FS；燃燒室壓力振蕩通過SQlabⅡ振動噪聲分析儀來得到，該振動噪聲分析儀頻率范圍為20～20 000 Hz，聲壓量程為200 dB，對預(yù)混室內(nèi)的冷態(tài)流動過程及燃燒室內(nèi)的反應(yīng)過程進(jìn)行同步聲壓頻譜特性分析。

實驗過程中，甲烷體積流量控制在2 L/min，當(dāng)量比的調(diào)節(jié)范圍為0.54～2.4。采用TESTO454多功能測試儀進(jìn)行流速測量，采用CANON E50相機(jī)進(jìn)行火焰圖像分析。

2 結(jié)果與分析

對不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)焰器的熄火極限、燃燒室火焰穩(wěn)定性以及火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗研究。

2.1 不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)焰器熄火極限

圖6和圖7給出了煙囪高度為360 mm時，3種穩(wěn)焰器在貧燃、貧氧預(yù)混燃燒的熄火極限圖。從圖6可以看出，多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器在貧燃預(yù)混燃燒熄火極限的當(dāng)量比最低，其次是徑向旋流穩(wěn)焰器，而切向旋流穩(wěn)焰器熄火時的當(dāng)量比最高；圖7中，多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器在貧氧預(yù)混燃燒熄火極限的當(dāng)量比最高，其次是徑向旋流穩(wěn)焰器，而切向旋流穩(wěn)焰器熄火時的當(dāng)量比最低。這是因為切向旋流穩(wěn)焰器工作過程中，火焰鋒面在旋流片的作用下會出現(xiàn)不封閉現(xiàn)象，而徑向旋流穩(wěn)焰器對火焰鋒面的封閉性更好，因此徑向旋流穩(wěn)焰器的熄火極限要比切向旋流穩(wěn)焰器好。相對旋流燃燒來說，多孔介質(zhì)燃燒的穩(wěn)焰機(jī)理截然不同。多孔介質(zhì)對預(yù)混氣具有整流、梳理作用，且流向一致。多孔介質(zhì)的燃燒方式是蓄熱式燃燒，當(dāng)當(dāng)量比非常低時火焰出現(xiàn)吹脫現(xiàn)象，導(dǎo)致熄火；當(dāng)當(dāng)量比過高時，火焰會在穩(wěn)焰器內(nèi)部繼續(xù)燃燒，導(dǎo)致穩(wěn)焰器表面沒有明顯的火焰，因此多孔介質(zhì)的熄火極限最好。

圖6 貧燃熄火極限Fig.6 Limit of lean premixed combustion

圖7 貧氧熄火極限Fig.7 Limit of lean oxygen combustion

2.2 不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)焰器火焰穩(wěn)定性

圖8給出了甲烷體積流量為2 L/min，預(yù)混氣當(dāng)量比為0.65時，3種穩(wěn)焰器在燃燒室和預(yù)混室的聲壓頻譜圖，其中f為頻率。從圖8可以看出，預(yù)混室和燃燒室的壓力頻率一致；3種穩(wěn)焰器燃燒室的火焰振蕩頻率差別不大，但是切向旋流穩(wěn)焰器燃燒室火焰振蕩幅值最大，徑向旋流穩(wěn)焰器燃燒室火焰振蕩其次，而多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器燃燒室火焰振蕩幅值最小。這是因為切向旋流穩(wěn)焰器使火焰鋒面的封閉性變差，導(dǎo)致火焰有較大的不穩(wěn)定性；而徑向旋流穩(wěn)焰器的火焰相對封閉較好；多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器對氣流的擾動相對較小，其火焰穩(wěn)定性最好。

(a)切向旋流穩(wěn)焰器

(b)徑向旋流穩(wěn)焰器

(c)多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器圖8 3種穩(wěn)焰器在預(yù)混室和燃燒室的頻譜圖Fig.8 Spectrum in premixed reactor and combustion chamber of three flame stabilizers

2.3 不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)焰器火焰結(jié)構(gòu)

圖9給出了甲烷體積流量為2 L/min，預(yù)混氣當(dāng)量比為0.7時，預(yù)混氣通過不同穩(wěn)焰器燃燒時的火焰結(jié)構(gòu)圖。從圖9(a)可以看出，燃燒時火焰出現(xiàn)了分叉現(xiàn)象，導(dǎo)致火焰的封閉性較差；從圖9(b)可以看出，此時火焰封閉性比切向旋流穩(wěn)焰器好，由于旋轉(zhuǎn)作用，在火焰鋒面中心形成了一個空心核；圖9(c)中，多孔介質(zhì)各個小孔的出口流速基本相同，且流向一致。各小孔出口都會形成一個小尺度的錐形火焰，這些小尺度的錐形火焰將進(jìn)一步組合成大尺度的錐形火焰，因此錐形火焰能否穩(wěn)定在多孔介質(zhì)表面，完全取決于多孔介質(zhì)表面出口的瞬時流速與當(dāng)?shù)鼗鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣戎g的動態(tài)平衡。由于點火過程中多孔介質(zhì)尚處于冷態(tài)，溫度較低，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小。若預(yù)混氣流速過大，將會導(dǎo)致火焰吹脫，因此利用多孔介質(zhì)穩(wěn)焰裝置時，須在燃?xì)饬髁枯^小，熱負(fù)荷較低的情況下點火啟動。而且多孔介質(zhì)的孔徑很小，壁面有強(qiáng)烈的猝熄效應(yīng)，不易發(fā)生回火現(xiàn)象。但當(dāng)多孔介質(zhì)被加熱之后，正常燃燒時，高溫多孔介質(zhì)本身就是一個穩(wěn)定的點火源，預(yù)混氣在流經(jīng)多孔介質(zhì)過程中被預(yù)熱、點燃，燃?xì)獗桓邷囟嗫捉橘|(zhì)預(yù)熱后，火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增大，預(yù)混火焰可在較高的熱負(fù)荷下保持穩(wěn)定。

(a)切向旋流穩(wěn)焰器(b)徑向旋流穩(wěn)焰器(c)多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器

圖9 當(dāng)量比0.7時不同穩(wěn)焰器的火焰結(jié)構(gòu)

Fig.9 Flame structure with different stabilizers for an equivalent ratio of 0.7

2.4 預(yù)混氣通過多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器時非反應(yīng)流和反應(yīng)流振蕩

圖10和圖11給出了甲烷體積流量為2 L/min，預(yù)混氣當(dāng)量比為0.65時，預(yù)混氣通過多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器時非反應(yīng)流和反應(yīng)流的壓力頻譜。

圖10 預(yù)混氣通過多孔介質(zhì)時非反應(yīng)流在預(yù)混室和燃燒室的頻譜圖Fig.10 Spectrum of non-reacting flow in premixed reactor and combustion chamber with premixed gas passing through porous medium

圖11 預(yù)混氣通過多孔介質(zhì)時反應(yīng)流在預(yù)混室和燃燒室的頻譜圖Fig.11 Spectrum of reacting flow in premixed reactor and combustion chamber with premixed gas passing through porous medium

從圖10可以看出，燃燒室內(nèi)非反應(yīng)流的壓力擾動主要是100 Hz以下的低頻擾動；而預(yù)混室內(nèi)壓力擾動頻率與燃燒室中截然不同，這說明預(yù)混室的聲壓主要來自2種氣體流動過程中的氣體擾動，燃燒室內(nèi)的壓力擾動是預(yù)混氣流經(jīng)切向旋流葉片時誘發(fā)的，兩者都是純粹的氣體流動造成的。

從圖11可以看出，燃燒室內(nèi)反應(yīng)流的壓力擾動頻譜發(fā)生了顯著變化，這說明火焰熱釋放對燃燒室的壓力振蕩起到一定的激勵作用，從而使燃燒室內(nèi)壓力振蕩的振幅和基頻都發(fā)生變化。主要表現(xiàn)為：在基頻 125 Hz下，振幅很高；250 Hz和375 Hz 頻率下，也存在較高的壓力振蕩；同時還存在30 Hz、60 Hz下的分諧頻振蕩，分諧頻振蕩是典型的非線性混沌現(xiàn)象。從圖11還可以看出，燃燒室內(nèi)的壓力振蕩對預(yù)混室內(nèi)的壓力振蕩有一定影響，即預(yù)混室和燃燒室內(nèi)的壓力振蕩是同頻的，只是幅值低于燃燒室內(nèi)的壓力振蕩，說明燃燒室內(nèi)一部分振蕩產(chǎn)生的能量通過穩(wěn)焰器傳遞到預(yù)混室，引起預(yù)混室內(nèi)的壓力發(fā)生諧振?；鹧娌环€(wěn)定振蕩是一種激勵振蕩，而火焰的周期性熱釋放就是不穩(wěn)定振蕩的激勵源。同時，燃燒室內(nèi)壓力振蕩對火焰熱釋放也存在反作用。

3 結(jié) 論

(1)實驗研究了3種結(jié)構(gòu)穩(wěn)焰器的熄火極限，其中多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器的熄火極限最好，其次是徑向旋流穩(wěn)焰器，切向旋流穩(wěn)焰器的熄火極限最差。

(2)燃燒室火焰不穩(wěn)定性研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器的火焰穩(wěn)定性最好，其次是徑向旋流穩(wěn)焰器，切向旋流穩(wěn)焰器的火焰穩(wěn)定性最差。且多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器的火焰封閉性最好，其次是徑向旋流穩(wěn)焰器，切向旋流穩(wěn)焰器的火焰封閉性最差。

(3)對預(yù)混氣通過多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器時非反應(yīng)流和反應(yīng)流在燃燒室和預(yù)混室內(nèi)的壓力振蕩進(jìn)行了研究，反應(yīng)流頻譜圖中燃燒室的不穩(wěn)定性對預(yù)混室有一定影響。