CH4/空氣預(yù)混稀燃臨吹熄火焰結(jié)構(gòu)研究

張瑋杰，王金華，郭實龍，常?敏，聶要輝，金?武，黃佐華

CH4/空氣預(yù)混稀燃臨吹熄火焰結(jié)構(gòu)研究

張瑋杰，王金華，郭實龍，常?敏，聶要輝，金?武，黃佐華

(西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室，西安 710049)

預(yù)混稀燃是最具有前景代替?zhèn)鹘y(tǒng)擴散燃燒的清潔燃燒方式之一．然而，高速流動的預(yù)混稀燃中常出現(xiàn)低當量比下火焰吹熄的情況．吹熄給燃燒過程帶來了極大的不穩(wěn)定性．旋流和鈍體是實際燃燒中常用的穩(wěn)焰方式．吹熄的機理研究大多基于鈍體或旋流火焰進行，但同時加入兩者穩(wěn)焰時的吹熄研究尚且不足．本研究基于OH-PLIF技術(shù)，在旋流加鈍體穩(wěn)焰下，針對CH4/空氣預(yù)混稀燃臨熄火條件下的火焰面結(jié)構(gòu)進行了測量和表征．研究表明，臨熄火過程中火焰根部抬升逐漸增加，火焰面密度減小，火焰趨向于向回流區(qū)聚集．結(jié)果表明，火焰根部局部熄火對吹熄過程可能有重要影響，同時驗證了未燃氣回流促進吹熄的結(jié)論．

旋流鈍體燃燒器；預(yù)混稀燃；OH-PLIF；臨吹熄火焰結(jié)構(gòu)；根部抬升；火焰面密度

由于在寬廣工況范圍都具有穩(wěn)定燃燒的特點，擴散燃燒是傳統(tǒng)燃氣輪機主要采用的燃燒方式[1-3]．然而，這種燃燒方式由于存在當量比燃燒區(qū)域，從而產(chǎn)生相應(yīng)的高溫區(qū)，最終導(dǎo)致了大量的熱力型NO排放[1-2]．一些為降低NO而開發(fā)的新型的燃燒方式，如在擴散燃燒后快速增加空氣冷卻的稀燃方式RQL (rich-burn quick-quench lean-burn)，催化燃燒等存在碳煙排放高、成本高的缺點．而預(yù)混稀燃，是現(xiàn)在最具前景實現(xiàn)清潔高效燃燒的新型燃燒方式[1,4-5].

但是預(yù)混稀燃存在著振蕩、吹熄、回火等不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象．鈍體、旋流等一般被實際燃燒采用[6]，以產(chǎn)生低速回流區(qū)從而穩(wěn)定預(yù)混稀燃．但高流速、低當量比下的火焰仍然存在著吹熄問題．Dawson等[7]和Kariuki等[8]等用高速鈍體火焰研究低當量比下吹熄機理，認為火焰吹熄由下游冷空氣大量進入回流區(qū)，造成回流區(qū)火焰破碎、燃燒強度降低進而導(dǎo)致吹熄．Chaudhuri等[9]等認為低當量比下，鈍體火焰的吹熄主要由剪切層局部燃燒減弱，冷空氣從剪切層進入回流區(qū)．然而，此類鈍體火焰在加入旋流穩(wěn)焰時的吹熄機理尚且不足．特別的是，St?hr等[10]和Cavaliere等[11]等對部分預(yù)混和非預(yù)混旋流火焰吹熄過程研究表明，臨吹熄時火焰根部的局部熄滅逐漸顯著．因此，火焰根部局部的熄火、重點火過程，可能在加入旋流穩(wěn)焰的預(yù)混燃燒吹熄中也起到重要作用．

本研究基于旋流加鈍體穩(wěn)焰方式，采用OH-PLIF技術(shù)對甲烷預(yù)混燃燒臨吹熄火焰結(jié)構(gòu)進行測量．本文由OH-PLIF結(jié)果提取單時刻火焰根部的抬升高度，以得到臨吹熄過程中火焰根部熄火的變化．另外，基于火焰面假設(shè)，本文提取臨熄火過程中火焰面，計算火焰面密度，最終分析臨吹熄過程中局部和平均燃燒強度的變化．最終研究結(jié)果對已有火焰吹熄理論進行了驗證和補充．

1?實驗裝置

1.1?旋流鈍體燃燒器

本研究所采用旋流鈍體燃燒器示意圖如圖1．高壓(約0.6MPa)壓縮空氣由燃燒器下部進入緩沖腔，進而由一個漸縮漸擴噴管(亞音速拉瓦爾管)進入預(yù)混區(qū)．噴管可以降低上游空氣的擾流對下游流場、燃燒的影響[12]．同時，喉部使空氣加速，以快速帶出燃料，從而有效防止回火．空氣卷吸燃料混合物在漸擴噴管部分減速、經(jīng)過整流板、預(yù)混段(200mm)進一步預(yù)混，最終由上部旋流葉片和鈍體形成的環(huán)形出口流出．

本實驗燃燒器環(huán)形出口流速固定為20m/s．高速的氣流在鈍體上方形成典型的回流區(qū)、剪切層等流場結(jié)構(gòu)[13]．回流區(qū)造成低速燃燒區(qū)，從而有效穩(wěn)定火焰．本研究所采用的旋流葉片傾斜角為45°，旋流數(shù)約為0.7．

1.2?OH-PLIF系統(tǒng)

實驗測量方法為OH基平面激光誘導(dǎo)熒光(planar laser induced fluorescence)[14-15]．系統(tǒng)包含Nd：YAG激光器(QuantaRay Pro-190)、染料激光器(SirahPRSC-G-3000)以及片光元件、ICCD相機(LaVision Image Prox)等．YAG激光器基礎(chǔ)波長為532nm，能量在300mJ以上．該激光由染料激光器調(diào)諧倍頻到283nm左右激發(fā)波長，能量約20mJ，然后由片光元件產(chǎn)生片光．該片光厚度約0.5mm，片光和ICCD相機監(jiān)測區(qū)域如圖1所示，為60×50mm的矩形區(qū)域．最終，波長約為308nm的OH基熒光信號通過紫外線濾鏡(Nikon Rayfact PF 10545MF-UV)和OH基帶通濾波片(LaVision VZ08-0222)被ICCD相機捕獲．相機單像素分辨率約為0.12mm．系統(tǒng)頻率為10Hz，相機延遲為100ns，門寬為200ns．

實驗中CH4/空氣熄火極限測量方法為，固定環(huán)形出口流速為20m/s，按0.01的步長逐步降低當量比直至吹熄．每降低一個步長穩(wěn)定0.5min，最終吹熄極限大約為＝0.67．本實驗工況如表1所示．其中＝0.90遠離、＝0.69靠近吹熄極限，最終得到火焰臨吹熄過程中的火焰結(jié)構(gòu)變化．層流火焰速度和層流火焰厚度的計算采用CHEMKIN PRO軟件進行；路易斯數(shù)()定義為預(yù)混燃料熱擴散率與甲烷質(zhì)擴散率之比[16]．出口流速不確定度約為±0.4m/s，當量比不確定度為設(shè)定點的±2%．每一個工況拍攝OH-PLIF結(jié)果300張．每張OH-PLIF圖片經(jīng)過背景光矯正、像增強不均勻性矯正及激光片光不均勻性矯正，最終用于火焰結(jié)構(gòu)統(tǒng)計分析．

圖1?旋流鈍體燃燒器示意(單位：mm)

表1?實驗工況

Tab.1?Experimental conditions

2?結(jié)果及討論

2.1?OH-PLIF測量結(jié)果

OH-PLIF結(jié)果如圖2所示．當量比降低，OH基表征的火焰前鋒面大尺度褶皺增加．隨著吹熄極限靠近，火焰面趨向于向回流區(qū)聚集．不同當量比路易斯數(shù)非常接近，均約為1，說明燃料的質(zhì)擴散、熱擴散影響可忽略．然而層流火焰速度隨當量比降低而大幅降低．因此，臨吹熄火焰局部燃燒速率減小，未燃氣更易進入回流區(qū)，火焰受到流場擾動增加，火焰更為破碎，火焰面褶皺增加．相對于高當量比，臨吹熄工況火焰OH基分布范圍減小，高度顯著降低．

2.2?火焰根部抬升統(tǒng)計

由OH-PLIF結(jié)果可見，隨著火焰接近吹熄，火焰根部抬升逐漸明顯．本文對火焰相對于鈍體平面的根部抬升高度進行了測量和統(tǒng)計．

首先將圖2所示的OH-PLIF圖轉(zhuǎn)化為二值圖.二值化采用Otsu[17]全局閾值的方法．這種方法可以使圖片二值化閾值上下的灰度變化最?。趫D片的二值矩陣，可以由下而上對火焰根部抬升高度進行探測，如圖2所示．本實驗同時統(tǒng)計左右火焰跟腳的抬升高度[11]，左右抬升高度視作兩個不同樣本．

圖3為根部抬升高度的統(tǒng)計PDF結(jié)果．結(jié)果表明，火焰臨吹熄過程中，根部抬升逐漸明顯．高當量比時，火焰抬升最大高度較低，高抬升部分PDF較?。@說明此時火焰根部燃燒更為穩(wěn)定．降低當量比的臨熄火過程中，火焰根部抬升最大高度增加，抬升PDF也增加．

圖3?臨吹熄過程中火焰根部抬升高度PDF

本文中，臨熄火過程中層流火焰速度不斷降低，因此根部剪切流拉伸率相對增加，促使火焰局部熄滅．實驗中觀察到，臨熄火時火焰出現(xiàn)明顯的根部跳躍行為，說明根部的局部熄火、點火過程交替進行．這種根部抬升使火焰極為不穩(wěn)．當繼續(xù)降低當量比，以增加根部相對拉伸率時，更強的剪切流動可能使根部火焰徹底熄滅．St?hr等[10]認為，當根部的局部熄滅時間超過某個臨界時間后，火焰將可能會被最終吹熄．

2.3?火焰面密度

為了得到臨吹熄過程中火焰燃燒強度的分布，本文測量了二維火焰刷的火焰面密度，結(jié)果可定性表征三維火焰面密度變化趨勢[18]．OH基廣泛存在于火焰反應(yīng)區(qū)和已燃區(qū)部分，因此常被用來提取火焰前鋒面．火焰鋒面提取方法如圖4所示．

二維火焰密度計算結(jié)果見圖5．遠離吹熄時，火焰面主要集中分布在左右剪切層附近，火焰呈V字型分布．臨熄火過程中，火焰面逐漸向回流區(qū)靠近，火焰接近倒V型，回流區(qū)火焰面密度增加．這說明臨熄火時，未燃氣回流增加，火焰有向回流區(qū)聚攏趨勢．另外，當量比降低時，火焰面密度分布區(qū)域更廣．如表1所示，當量比降低時，層流火焰速度明顯降低．一方面，火焰面燃燒速度降低，導(dǎo)致火焰會從V型火焰退向回流區(qū)形成倒V型；另一方面，局部火焰面燃燒強度降低，可能導(dǎo)致流場的擾動相對增強，火焰面擾動增加，從而增大了火焰面分布范圍．

（a）二值化處理（b）提取火焰前鋒面（c）火焰面疊加結(jié)果

（a）f＝0.90（a）f＝0.80（a）f＝0.69

圖4(a)中，白色代表已燃區(qū)，黑色代表未燃區(qū)．在火焰前鋒面處可以假設(shè)階梯形化學(xué)反應(yīng)進展變量＝0(未燃區(qū))和＝1(已燃區(qū))．最終，通過疊加和平均個時刻進展變量，可以得到平均反應(yīng)進展變量＜＞[20]：

進一步可得到在平均進展變量＜＞上的平均火焰面密度，如圖7所示．結(jié)果表明，臨熄火過程中，火焰面密度不斷降低．這表明由于火焰在回流區(qū)逐漸被破碎，火焰分布范圍增加，局部燃燒強度降低．另外，在＝0.69時，＜＞小于0.5時火焰面密度降低較多，而大于0.5部分火焰面密度降低較?。鹧婷婷芏确植枷蚧亓鲄^(qū)部分傾斜．此結(jié)果表明，臨熄火時，由于冷流回流，下游火焰面局部熄火較多．而回流區(qū)由于低速駐留，使火焰面能夠更持久地存在．然而，當火焰根部持續(xù)熄滅后，回流區(qū)火焰面也將不能持續(xù)，最終會導(dǎo)致吹熄[10]．可見，火焰根部的熄火和回流區(qū)火焰面在吹熄過程中起著重要角色．

（a）f＝0.90（b）f＝0.80（c）f＝0.69

圖7?平均進展變量＜c＞上的平均火焰面密度變化

3?結(jié)?論

本文基于OH-PLIF技術(shù)，測量了鈍體旋流穩(wěn)焰下，甲烷空氣預(yù)混火焰臨吹熄過程中火焰結(jié)構(gòu)變化．研究表明，靠近吹熄極限時，火焰根部抬升高度顯著增加，抬升PDF增加．因此，本文發(fā)現(xiàn)在加入旋流穩(wěn)焰后，鈍體火焰根部熄滅對吹熄可能具有重要作用．遠離吹熄時，火焰基本分布在剪切層，而臨吹熄時，火焰整體向回流區(qū)縮進．臨吹熄火焰面密度顯著降低，說明回流區(qū)內(nèi)的燃燒強度大幅降低．該結(jié)果支持臨熄火時冷流回流造成回流區(qū)火焰破碎，進而促進吹熄過程的結(jié)論．本文認為鈍體旋流穩(wěn)焰下，根部熄火重點火失敗，和大量冷流導(dǎo)致的回流區(qū)火核燃燒強度降低，同時促進了火焰吹熄．這兩者均源自于局部層流火焰速度降低、流場拉伸相對增強．

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Study on Flame Structure of Lean Premixed CH4/Air Flames Close to Blow-off

Zhang Weijie，Wang Jinhua，Guo Shilong，Chang Min，Nie Yaohui，Jin Wu，Huang Zuohua

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

Compared with the traditional diffusional combustion，lean premixed(LPM)combustion may be one of the most promising methods to attain ultra-low emissions．However，the LPM combustion is usually hindered by the blow-off behaviors of high-speed flowing flames at low equivalent ratios．Considering that the blow-off brings dramatic instability to the combustion process，a swirler or a bluff-body burner is usually adopted to stabilize the flames in practice．Nevertheless，most of the studies on the blow-off mechanism focus on the burner with either a bluff-body or a swirler．For flames stabilized with a combination of both of them，the mechanism has not been extensively studied．In this paper，based on the hydroxyl planar laser induced fluorescence (OH-PLIF)，the flame front structure of CH4/air flames close to blow-off was measured and characterized on a bluff-body and swirl burner．Research indicates that when approaching the blow-off，the lift-off of flame roots was observed to be more frequent．Meanwhile，the flame surface density decreased，and the flame fronts tended to gather inwards to the central recirculation zone(CRZ)．It is shown that the local extinction at flame roots may be dominant for the blow-off process．In addition，it is verified that the backflow of unburned gas promotes the blow-off，as observed in previous studies．

bluff-body and swirl burner；lean premixed combustion；OH-PLIF；flame structure close to blow-off；root lift-off；flame surface density

TK16

A

1006-8740(2019)05-0389-06

10.11715/rskxjs.R201901008

2019-01-08．

國家自然科學(xué)基金資助項目(51776164；91441203).

張瑋杰（1991—），男，博士研究生，wjzhang2020@163.com.

王金華，男，博士，教授，jinhuawang@xjtu.edu.cn.