不同環(huán)境溫度下水平噴霧燃燒火焰形態(tài)實(shí)驗(yàn)研究

謝 凱，仇性啟，崔運(yùn)靜，王建新

（1.中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580；2.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580；3.云南航天工業(yè)有限公司，云南昆明605229）

液體噴霧的燃燒在各種內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及燃油鍋爐等動力與能源設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用[1]。水平射流燃燒也存在于各種工業(yè)流程中[2]。我國幅員遼闊，北至漠河，南至海南，特別對于我國北方和高原地區(qū)，溫差跨度大，環(huán)境溫度的降低導(dǎo)致火焰形態(tài)的變化。火焰長度與燃燒室密切相關(guān)[3]，若燃燒室小火焰長，則會出現(xiàn)火焰直接沖刷受熱面，造成未燃盡油霧或氣體的急冷而在受熱面上積炭；若燃燒室大，火焰短時(shí)，則會出現(xiàn)火焰充滿度差，爐內(nèi)溫度低的現(xiàn)象，影響受熱面的熱利用。此前學(xué)者們主要針對與高溫和高壓的燃燒進(jìn)行研究，最近才提出不能忽略低溫對燃燒的影響[4]128，了解其變化規(guī)律可為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。Gupta A K[5]對不同進(jìn)氣溫度條件下以丙烷為燃料的火焰進(jìn)行了觀測，發(fā)現(xiàn)火焰長度隨著空氣預(yù)熱溫度的增加而增加。Awasthi I等人[6]采用數(shù)值計(jì)算的方法對不同初始液滴（正庚烷）在不同環(huán)境溫度條件下對液滴燃燒的影響規(guī)律進(jìn)行了深入研究。Xu G等人[7-8]實(shí)驗(yàn)測量了空氣溫度為300、633 K時(shí)正葵烷液滴燃燒速率（k=deq2/t），分別為1.15、1.24 mm2/s。Lin C Y[9]對一小型自動燃油燃燒器在20℃和40℃進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在20℃時(shí)，燃燒效率降低，污染物排放升高。Bao A[10]對一低NOx工業(yè)用燃燒器采用數(shù)值模擬的方法，發(fā)現(xiàn)入口空氣溫度在50～200℃，燃燒火焰的溫度隨入口空氣溫度降低而降低。Dvoinishnikov[11]同樣發(fā)現(xiàn)旋流燃燒器的環(huán)境溫度對火焰形態(tài)影響顯著，但其并未深入研究。Castela M等人[12]對小型圓柱形燃燒室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，大氣溫度為25～625℃，發(fā)現(xiàn)對污染物排放有顯著影響。Stagni A等人[4]129對以正庚烷為燃料的對向流火焰進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)低溫條件下燃燒對其火焰溫度等有顯著影響，不能忽略溫度變化。對柴油噴霧燃燒在常壓或低壓條件下的低溫進(jìn)氣環(huán)境的燃燒的研究文獻(xiàn)較少，特別是對低至-40℃下的大氣環(huán)境，幾乎未見報(bào)道。

本文主要采用實(shí)驗(yàn)研究的方法對不同環(huán)境溫度下的水平噴霧火焰進(jìn)行研究，采用MATLAB編程計(jì)算，對在試驗(yàn)艙內(nèi)采集的連續(xù)時(shí)間序列火焰圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析研究，得到火焰形態(tài)特性等隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

本實(shí)驗(yàn)中對環(huán)境溫度的控制是通過BTT5025F高低溫試驗(yàn)艙來實(shí)現(xiàn)的，試驗(yàn)艙及外部采集系統(tǒng)實(shí)物圖如圖1所示。試驗(yàn)裝置置于試驗(yàn)艙內(nèi)部，數(shù)據(jù)線通過密封性能良好的小孔傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)。艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置整體示意圖見圖2，內(nèi)部燃燒實(shí)驗(yàn)箱體尺寸為D3 410 mm×W3 810 mm×H2 630 mm。試驗(yàn)艙可以提供的溫度范圍是-50～100℃，精度為±1℃，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部溫度分布均勻性通過實(shí)驗(yàn)測量滿足實(shí)驗(yàn)要求。高低溫試驗(yàn)艙具有自調(diào)節(jié)功能，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)供新風(fēng)，新風(fēng)量可以從0到120m3/h連續(xù)調(diào)節(jié)，可以滿足實(shí)驗(yàn)燃燒機(jī)的新風(fēng)量要求。為驗(yàn)證艙內(nèi)溫度與實(shí)地環(huán)境溫度變化事后一致，在當(dāng)?shù)卦囼?yàn)艙外進(jìn)行比對驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對比溫度為20℃時(shí)，經(jīng)火焰視頻圖像分析其形態(tài)一致，驗(yàn)證了在高低溫試驗(yàn)艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)方案是可行的。

圖1 BTT5025F型高低溫試驗(yàn)艙及采集系統(tǒng)

圖2 高低溫艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本實(shí)驗(yàn)選用利雅路RIELLO-40-G5型燃燒器，試驗(yàn)中功率為36 kW。燃料為0號柴油。環(huán)境溫度變化范圍為-40～35℃。試驗(yàn)艙所在地為昆明，當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)環(huán)境壓力為0.08 MPa?；鹧嬉曨l采樣正對火焰，圖像采集頻率為25幀/s。

2 試驗(yàn)艙內(nèi)連續(xù)火焰的圖像處理

目前研究火焰形態(tài)的方法依以圖像分析法為主，主要是對火焰圖像的灰度化、二值化、濾波處理和輪廓提取二值分割[13]，然后判別圖像中的有效區(qū)域和干擾區(qū)域。對于圖像處理在火焰特征統(tǒng)計(jì)的研究，陳珂等人[14]提出了基于圖像特征來分析火焰形態(tài)的方法。毛翠麗等人[15]使用MATLAB對CCD相機(jī)采集的火焰圖像進(jìn)行了閾值分割，噪聲處理，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理，尋找了火焰的邊界。周昊等人[16]對實(shí)際爐膛的火焰拍攝及處理也進(jìn)行了研究。

本文利用MATLAB強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算處理功能，對火焰圖像進(jìn)行處理[17]，通過MATLAB使火焰圖像灰度化、二值化，進(jìn)而編程統(tǒng)計(jì)分析連續(xù)圖像中二值化火焰圖像部分亮度的出現(xiàn)概率，得到火焰分布概率云圖，最后根據(jù)像素比例尺計(jì)算得到實(shí)際火焰的平均高度、寬度等參數(shù)。本文中分別對溫度環(huán)境為-40～35℃的火焰穩(wěn)定后的300幀圖像實(shí)驗(yàn)視頻進(jìn)行時(shí)間序列圖像處理，將其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入TECPLOT軟件中，計(jì)算分布概率為50%時(shí)的平均火焰長度與寬度，總結(jié)出火焰形態(tài)隨大氣環(huán)境溫度的變化趨勢。同時(shí)也能統(tǒng)計(jì)出噴霧燃燒火焰的一些重要的特征，尤其是火焰脈動頻率特性和火焰末端抬升特性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 火焰形態(tài)分析

本文所研究的不同環(huán)境溫度下的火焰圖像的像素概率云圖如圖3所示，比例尺為0.85 mm像素。從圖4中可以看到，在較低溫下，火焰有著明顯的拉伸現(xiàn)象，火焰的長度值較大而寬度變窄。隨著環(huán)境溫度的增加，火焰長度呈現(xiàn)出下降趨勢，火焰寬度則與之相反。圖像處理過程中，-40～0℃的平均灰度圖像其背景較為模糊，這是由于溫度較低的原因。在低溫條件下，火焰周圍的空氣由于熱脹冷縮原理開始凝結(jié)，出現(xiàn)水霧等。然后水霧在火焰燃燒時(shí)發(fā)出的大量的熱作用下發(fā)生汽化現(xiàn)象，這就導(dǎo)致了在艙內(nèi)拍攝的背景畫面有些許模糊，但由于本文圖像處理采用閾值分析理論，并不影響火焰概率分布形態(tài)的判讀。分別計(jì)算不同溫度下火焰分布概率圖中出現(xiàn)概率為50%的平均火焰長度和寬度等火焰形態(tài)參數(shù)，得參數(shù)變化如圖4所示。

火焰寬度隨溫度增加而增加，整體成正比關(guān)系。而火焰長度隨溫度增加而降低，整體呈反比關(guān)系?；鹧骈L度在整個(gè)實(shí)驗(yàn)測量范圍內(nèi)隨溫度增加而縮短，在20℃以上時(shí)，火焰形態(tài)變化不大，但當(dāng)溫度降低到0℃以下后，火焰迅速變長，寬度變窄，但當(dāng)溫度繼續(xù)降低到-20℃以下時(shí)，火焰長度的變化也會愈趨平緩。在-40℃時(shí)，火焰長度較常溫20℃時(shí)增長了30%，這對于小型爐灶中的使用來說其長度變化非常明顯。從噴霧燃燒機(jī)理來分析，柴油從噴嘴噴出后，在低溫大氣環(huán)境下，其液滴的燃燒速率變慢，導(dǎo)致液滴運(yùn)動路徑越長，最終火焰的長度變長。

圖3 不同大氣環(huán)境溫度下火焰圖像像素概率云圖

圖4 不同大氣溫度下火焰形態(tài)變化

3.2 火焰抬升特性

依據(jù)之前所做工作中的火焰抬升特性定義[7]，根據(jù)火焰抬升斜率的計(jì)算方法，得到其火焰抬升的斜率隨不同環(huán)境溫度變化曲線如圖5所示。隨著環(huán)境溫度的增加，火焰抬升斜率呈遞增趨勢，整體呈正比關(guān)系。這主要是由于隨著環(huán)境溫度降低，大氣密度增加，火焰末端的卷吸程度降低所致。特別是在溫度低于0℃時(shí)，斜率的變化較大于0℃時(shí)更陡峭，而且在0℃附近形成一個(gè)特別明顯的“拐點(diǎn)”，形成分段的線性關(guān)系。其變化規(guī)律同火焰形態(tài)變化規(guī)律有相似之處，均在0℃以下變化較快。其火焰抬升特性在0℃左右形成拐點(diǎn)亦與火焰迅速拉長有密切關(guān)系。對于在0℃附近形成拐點(diǎn)，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)分析，應(yīng)與0號柴油的物理特性有密切關(guān)系，0號柴油的凝點(diǎn)為0℃，故而在0℃附近噴霧后液滴燃燒的特性變化較大，進(jìn)而在曲線中形成一個(gè)明顯拐點(diǎn)，后續(xù)可改變柴油標(biāo)號做進(jìn)一步研究。

圖5 不同大氣溫度下火焰抬升斜率

對火焰抬升斜率與溫度的數(shù)據(jù)擬合，得

式中：k為火焰抬升斜率；T為大氣溫度，℃；

3.3 火焰脈動頻率

火焰的脈動特性是噴霧燃燒火焰的重要特征，其主要宏觀表現(xiàn)為火焰呈現(xiàn)周期性抖動變化的現(xiàn)象。噴霧燃燒火焰在火焰末端呈現(xiàn)強(qiáng)烈的脈動狀態(tài)，火焰的脈動也是火焰高度變化的特征。一般用在單位時(shí)間內(nèi)火焰周期性變化次數(shù)來來表征火焰的脈動現(xiàn)象，即火焰脈動頻率。一般的分析方法不足以求得火焰的頻率，本文用對300 s穩(wěn)定火焰的每幀圖像與初始圖像進(jìn)行相關(guān)性對比，進(jìn)而進(jìn)行快速傅里葉變換（FTT），得到火焰的脈動頻率變化[18]。由火焰脈動特性計(jì)算方法[19]分析得出水平柴油噴霧燃燒火焰在不同大氣環(huán)境溫度下的脈動頻率特性曲線如圖6所示。

圖6 不同大氣溫度下火焰脈動頻率

分析大氣環(huán)境溫度與火焰脈動頻率變化趨勢圖，可以觀察到火焰脈動頻率與溫度成正比關(guān)系 f∝T，并且可以看到，與3.2節(jié)火焰抬升特性類似，在0℃附近同樣存在一個(gè)明顯的“拐點(diǎn)”。較高溫相比，在溫度更低的條件下，火焰頻率衰減更快。在-40℃環(huán)境下，火焰頻率較常溫20℃時(shí)衰減了37%。在高溫段，火焰頻率變化不大。

擬合火焰脈動頻率與大氣環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)關(guān)系，得

式中：f為火焰脈動頻率；T為大氣溫度，℃；

4 結(jié)論

本文在高低溫試驗(yàn)艙內(nèi)搭建試實(shí)驗(yàn)臺架，進(jìn)行了水平射流柴油噴霧燃燒實(shí)驗(yàn)。采用對連續(xù)時(shí)間序列火焰圖像統(tǒng)計(jì)分析的方法，對其火焰在-40～35℃大氣環(huán)境溫度范圍下的火焰長度、寬度，抬升特性和脈動頻率等變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，主要結(jié)論如下：

（1）火焰長度隨大氣環(huán)境溫度的降低而變長，而火焰寬度則隨之減小，且在-20℃以下或者20℃以上變化幅度較小。

（2）水平射流噴霧火焰末端在高溫環(huán)境下抬升特性更明顯，火焰抬升斜率隨溫度升高而升高，在0℃以下變化較快。

（3）隨大氣環(huán)境溫度降低，火焰脈動頻率隨之降低，且成線性關(guān)系，在0℃以下火焰頻率衰減更快。

（4）火焰抬升特性和其脈動頻率特性曲線都在0℃附近存在明顯的“拐點(diǎn)”。