錐形旋流器貧熄實驗點測量與外推

趙夢夢，姚 俊，袁怡祥,，梁 晶，申小明,

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院，廊坊 065000；2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

隨著降低排放的要求，氮氧化物和一氧化碳等污染物的排放標準也越來越嚴苛.這些年降低污染物排放主要是利用預(yù)混或部分預(yù)混的方法來對頭部、主燃區(qū)域、分級區(qū)域進行調(diào)控，約束不同工況下的高溫火焰區(qū)域、整體溫度水平以及流場結(jié)構(gòu).同時，逐漸重視過渡工況、低工況、近貧熄狀態(tài)的研究[1].

預(yù)混程度的提高會帶來燃燒穩(wěn)定性問題[2-5]，特別是在低工況條件下，很難在保證燃燒具有相同穩(wěn)定邊界的同時提高預(yù)混程度[6].此外，裝置結(jié)構(gòu)、燃料種類等因素也對燃燒穩(wěn)定性和燃燒完全性產(chǎn)生影響.各種熱值燃料燃燒容易出現(xiàn)回火或吹熄等現(xiàn)象，影響燃燒完全性和穩(wěn)定性[7-10].

低工況下的近貧熄測量，也容易存在較大誤差，這是因為：①貧熄點測量位置，是否真的在貧熄時刻；②即使是在理想的測量位置，但是貧熄時刻，或者是擴散火焰，此時不完全燃燒程度很高，各產(chǎn)物量程跨度大，或者是預(yù)混或半預(yù)混燃燒，此種伴隨有強烈的振蕩甚至共振，很難進行或在短時間內(nèi)實時準確測量各種成分或組分含量.

為了研究相關(guān)問題，會考慮幾種典型的頭部結(jié)構(gòu)，而它們各有優(yōu)缺點.一種典型頭部由軸向旋流器和徑向旋流器組合構(gòu)成.對于多個旋流器組成的頭部結(jié)構(gòu)，由于旋流器之間的相互影響，形成的流場比較復(fù)雜.因此當開展針對單個因素對低工況性能影響的研究時，會造成困難.對于錐形旋流燃燒器，一般采用兩側(cè)供應(yīng)燃氣，而錐體中軸線上無燃氣供應(yīng)的方式.這種錐形燃燒器結(jié)構(gòu)的缺點是不能調(diào)節(jié)預(yù)混合程度.

為了研究低工況下不同預(yù)混合程度對近貧熄燃燒測量點的影響，本文實驗使用的燃燒器采用結(jié)構(gòu)相對簡單、能區(qū)分影響因素、燃料分配比可調(diào)的頭部結(jié)構(gòu).在該旋流器結(jié)構(gòu)中，燃料噴射分成兩部分：一部分在錐體側(cè)表面噴射進入空氣；另一部分燃料通過旋流器中心頂部注入錐形旋流器內(nèi)部，然后與空氣混合.由于由中心頂部注入的這部分加入控制，燃燒室的低工況性能和穩(wěn)定邊界都將發(fā)生變化.這種變化受此兩部分的燃料分配比例的影響.本文中燃料分配比是特指近貧熄狀態(tài)下燃料在頭部不同區(qū)域的分布比例，容易與分級比混淆.

1 實驗系統(tǒng)

為方便實驗中對實驗現(xiàn)象的觀察，采用透明石英玻璃作為火焰筒材料，錐形旋流器與石英玻璃火焰筒配合，組合成燃燒室.本實驗選擇甲烷為燃料替代燃油，以便流量調(diào)控更容易、更準確，減少了其他因素的影響.

實驗系統(tǒng)主要由燃料配氣系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、實驗段和采集/控制系統(tǒng)等組成，見圖1.其中，氣體燃料采用質(zhì)量流量控制器進行控制與采集，精度等級0.25%，可多路獨立供應(yīng)和分別控制.圖中，Part 1 為通過旋流器中心頂部注入的燃料，Part 2 為錐體側(cè)面噴射進入的燃料.

圖1 實驗臺Fig.1 Test platform

2 實驗測量結(jié)果

實驗中火焰現(xiàn)象和壓力波動等表明近貧熄時刻的效率、振動、焰色等會有很大不同.圖2 所示為近貧熄時刻的火焰，圖2(a)預(yù)混程度較高，燃燒室中出現(xiàn)壓力波動，有的狀態(tài)下會有共振.火焰主體呈現(xiàn)出淺藍色，火焰形態(tài)穩(wěn)定.圖2(b)預(yù)混程度較低，直至貧熄狀態(tài)，火焰形狀大小不斷變化，火焰以亮黃色夾雜為主.

圖2 近貧熄前的火焰Fig.2 Flame near lean blowout

近貧熄工況中，典型測點的數(shù)據(jù)如表1 和表2 所示.其中表1 為進氣流量150 m3/h 的貧熄數(shù)據(jù)實驗點，所取得的貧熄點Case 1、Case 2、Case 3 所處的位置見圖3所示，圖3表明3 個測點的位置為較容易測量位置(測量物種成分、含量、脈動壓力等相關(guān)參量都較易).

表1 進氣流量150 m3/h時貧熄實驗點Tab.1 Lean blowout experimental points at air inlet flow rate of 150 m3/h

表2 為進氣流量200 m3/h 的貧熄數(shù)據(jù)實驗點，所取得的貧熄點Case 4、Case 5、Case 6 所處的位置見圖3 所示，圖3 表明該3 個測點的位置也是較為容易測量位置.

表2 進氣流量200 m3/h時貧熄實驗點Tab.2 Lean blowout experimental points at air inlet flow rate of 200 m3/h

圖3 上標記了兩個長方形區(qū)域：區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ，這兩個區(qū)域是不便于測量的位置.區(qū)域Ⅰ是預(yù)混程度較低的貧熄點區(qū)域，這區(qū)域的實驗點的測量可能面臨著燃燒完全程度很低、各種中間產(chǎn)物成分濃度很高等問題，容易損壞測量儀器；而區(qū)域Ⅱ是預(yù)混程度很高的貧熄點區(qū)域，可能面臨著振蕩甚至共振等問題，也同時有燃燒完全程度飄忽不定、各種中間產(chǎn)物成分濃度跨度很大等問題，在振蕩開始以后，判斷貧熄點的位置都可能成為實驗中的一大難題，甚至根本就無法判斷.從而，導(dǎo)致區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ內(nèi)的測點不便測量.

圖3 不同進氣流率下兩部分燃氣穩(wěn)定取值范圍Fig.3 Value range of two parts of fuel at different air inlet flow rates

3 外推與驗證

如圖4 所示，對圖3 中的少數(shù)實驗較易得到的參數(shù)點進行擬合.S 代表開始(start)，E 代表結(jié)束(end).

圖4 取值范圍的曲線擬合Fig.4 Curve fitting of value range

圖4 中，擬分線1 是針對實驗進氣條件150 m3/h下吹熄前一刻所用的兩種注入方式下的燃料氣流率相互關(guān)系的一種擬合，發(fā)現(xiàn)其遵循規(guī)律為：

式中：Y 為吹熄前一刻所用的Part 1 燃料氣流率，X為吹熄前一刻所用的Part 2 燃料氣流率.其物理意義為：在對于給定的空氣流率，曲線上方的任意坐標(Y，X)取值都能使得燃燒不至于熄滅，而曲線下方的任意取值都會被吹熄.

同時，由此得到：

圖4 中，擬合線2 是針對實驗條件進氣流率為200 m3/h 下吹熄前一刻所用的Part 1 和Part 2 燃料氣流率相互關(guān)系的一種擬合，發(fā)現(xiàn)其遵循規(guī)律為

由此得到：

如此，則可根據(jù)這些擬合曲線，推知圖4 所示擬合線1、擬合線2 兩端的區(qū)域的值，這種曲線的首段和尾段區(qū)域的值，通過做實驗來獲取往往不容易(往往伴隨著強烈的不穩(wěn)定，包括空氣和燃料氣的流量不穩(wěn)定)，或者誤差很大，擬合式為此提供了很大的便利.

同理，針對任意一個進氣流率實驗條件下，只要知道該實驗條件下的3 個以上易測區(qū)域?qū)嶒瀰?shù)點，就可以得到整條函數(shù)曲線，就可以推知吹熄前一刻所用的Part 1 和Part 2 的燃料氣流率.

這樣，用少量的實驗較易獲得的數(shù)據(jù)點就可以完成整個穩(wěn)定工作圖譜，為類似工作提供了參考方法.特別是用少量的實驗數(shù)據(jù)點可推知圖3 所示區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ兩個不便測量區(qū)域的參數(shù).

例如表3 中的Case 7 就是Part 2 不供給燃料情況下的貧熄點，此時只要對式(1)中的X 取0，就可以求得預(yù)測的Part 1 應(yīng)供給的量為5 L/min；同理，Case 8 就是Part 1 不供給燃料情況下的貧熄點，此時只要對式(2)中的Y 取0，就可以求得預(yù)測的Part 2 應(yīng)供給的量為60 L/min.隨后，通過對外推點的驗證實驗，結(jié)果如表3 中的實驗點Test 7(也即圖4 中的點S150)和Test 8(也即圖4 中的點E150)所示，與擬合估計值誤差很小.

表3 進氣流量150 m3/h時貧熄數(shù)據(jù)Tab.3 Lean blowout data at air inlet flow rate of 150 m3/h

同理，表4 中的Case 9 就是Part 2 不供給燃料情況下的貧熄點，此時只要對式(3)中的X 取0，就可以求得預(yù)測的Part 1 應(yīng)供給的量為11.1 L/min.同理，Case 10 就是Part 1 不供給燃料情況下的貧熄點，此時只要對式(4)中的Y 取0，就可以求得預(yù)測的Part 2 應(yīng)供給的量為445 L/min.隨后，實驗結(jié)果如表4 中的實驗點Test 9(也即圖4 中的點S200)所示，與擬合估計值誤差很小.由于Case 10 需要實驗中的流量計的量程很大，超出了實驗條件的能力范圍，所以沒有測值(但應(yīng)與圖4 中的點E200 比較接近).這也說明擬合曲線可提前知道各種實驗任務(wù)中應(yīng)具備的實驗儀器的能力.

表4 進氣流量200 m3/h時貧熄數(shù)據(jù)Tab.4 Lean blowout data at air inlet flow rate of 200 m3/h

4 結(jié)語

本文采用了燃料分配比可調(diào)的錐形旋流器頭部結(jié)構(gòu).測量了近貧熄狀態(tài)燃料分配比對近貧熄測點的影響.得到了實驗條件下近貧熄時能夠維持燃燒穩(wěn)定的錐形旋流器頭部兩部分燃料的取值范圍；建立了在有限實驗數(shù)據(jù)點的情況下，通過外推法取得極端條件下的貧熄實驗點的方法，并進行了初步實驗驗證，這對于處于振蕩或低燃燒效率的近貧熄狀態(tài)取得較好的相關(guān)數(shù)據(jù)有參考意義.本文的工作有助于提供給低工況研究人員以清晰的認識，可為低工況下燃調(diào)邏輯設(shè)計提供參考.