燃?xì)廨啓C(jī)干式低排放燃燒器燃燒特性的相同步PLIF 方法研究

史 挺，金 明，葛 冰，臧述升，田寅申，何 磊，陳明敏，張 津

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240；2.上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，上海 200240)

熱聲耦合振蕩燃燒問題，是燃燒學(xué)領(lǐng)域的前沿問題，也是現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)低排放燃燒室最難解決的故障之一，會對燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的壽命和運(yùn)行安全產(chǎn)生巨大影響.對于振蕩燃燒產(chǎn)生機(jī)理，通過Rayleigh 準(zhǔn)則[1]可以得出燃燒振蕩是由于燃燒室內(nèi)的熱釋放率脈動和壓力波動耦合作用導(dǎo)致，當(dāng)熱釋放率與壓力的波動處于相同相位時，會增大燃燒室內(nèi)的振蕩幅值.

燃燒過程中的熱釋放率與壓力耦合會受到速度脈動[2]、火焰面波動[3]、旋渦擬序結(jié)構(gòu)[4]、火焰/壁面相互作用[5]等多參數(shù)的影響，所以不同物理量瞬態(tài)脈動的相位差是燃燒振蕩的多參數(shù)耦合機(jī)理研究的重點.但是單一的測量手段無法將不同參數(shù)的脈動相位差表征出來，因此基于火焰結(jié)構(gòu)特性的多物理場同步測量是進(jìn)行振蕩燃燒機(jī)理的重要手段[6].

平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)測試技術(shù)是最常用的燃燒激光診斷測試技術(shù)之一[7-8].采用PLIF 技術(shù)由于可以得到二維截面內(nèi)的OH 自由基分布，是復(fù)雜火焰結(jié)構(gòu)研究的主要手段.采用PLIF 進(jìn)行燃燒流場分析時，通常采用時間平均方法獲得火焰結(jié)構(gòu)[9]，提取火焰鋒面[10]以及使用火焰面密度函數(shù)提取火焰前沿的變化范圍[11-13]，但是均是基于時間平均的結(jié)果，無法得到火焰的瞬態(tài)變化特性.因此，相位同步的PLIF方法被應(yīng)用于火焰穩(wěn)定性的機(jī)理研究，Boxx 等[14]，St˙o˙hr 等[15]和Guiberti[16]均使用了相位同步的方法將PLIF 結(jié)果與PIV 結(jié)果進(jìn)行同步測量，研究流場結(jié)構(gòu)和火焰之間的耦合與燃燒振蕩的關(guān)系.上海交通大學(xué)的柳偉杰[17]提出了壓力與OH-PLIF 的相同步測量方法，并將其應(yīng)用到貧預(yù)混旋流火焰的測量中，進(jìn)行熱聲振蕩的機(jī)理研究.目前，相同步的PLIF 測量技術(shù)在燃燒診斷方面的應(yīng)用已經(jīng)逐漸增加，對于燃燒過程中多物理場耦合關(guān)系尤其是熱聲耦合關(guān)系的研究具有重要意義.

本文在具有光學(xué)視窗的燃燒試驗裝置上對燃?xì)廨啓C(jī)干式低排放燃燒器的火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究.通過相同步OH-PLIF 方法采集壓力信號與光學(xué)成像照片，實現(xiàn)了多物理量的同步測量，研究了燃燒過程壓力與燃燒火焰耦合關(guān)系，并通過瑞利因子研究了燃燒室熱聲耦合和燃燒振蕩的機(jī)理.

1 實驗系統(tǒng)與實驗方法

1.1 實驗對象與工況

本文所采用的燃燒器是基于中心分級的干式低排放燃燒器[18]，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該燃燒器的主燃燒器采用斜旋流器結(jié)構(gòu)，將預(yù)混氣體均勻混合后供入燃燒室，產(chǎn)生預(yù)混火焰；值班燃燒器采用軸向旋流器，由值班噴嘴供天然氣，產(chǎn)生擴(kuò)散火焰.

圖1 干式低排放燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of dry low emission burner

本研究在保持燃燒室空氣進(jìn)口流量一定的前提下，通過改變?nèi)剂狭髁縼砜刂迫紵漠?dāng)量比，對中心分級燃燒器燃燒火焰形態(tài)，燃燒室壓力脈動特性與火焰結(jié)構(gòu)的作用關(guān)系進(jìn)行了研究.實驗壓力為常壓，空氣進(jìn)氣溫度為600 K，空氣流量為120 Nm3/h，天然氣進(jìn)氣溫度為288 K，在保證主燃燒器與值班燃燒器的燃料分配比例不變的前提下，控制總當(dāng)量比從0.5 開始以0.05 的間隔增加到0.75.

1.2 實驗系統(tǒng)及測試方法

本文采用相位同步測試技術(shù)研究干式低排放燃燒器不同振蕩相位下的火焰結(jié)構(gòu)變化.燃燒振蕩相位同步測量系統(tǒng)如圖2 所示，主要包括燃燒室動態(tài)壓力采集系統(tǒng)、平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)系統(tǒng)和信號觸發(fā)系統(tǒng).所使用的PLIF 系統(tǒng)主要由Quanta-Ray Lab-Series Nd：YAG 泵浦激光器，Sirah 染料激光器、Andor iStar 334 T ICCD 相機(jī)、同步系統(tǒng)及其他相關(guān)配件構(gòu)成.

圖2 燃燒振蕩相同步PLIF測試系統(tǒng)Fig.2 Combustion oscillation phase synchronization PLIF measurement system

本文使用上述系統(tǒng)對燃燒火焰中的OH 進(jìn)行了試驗分析.由于OH 是燃燒反應(yīng)中重要的中間產(chǎn)物，可以表征燃燒反應(yīng)區(qū)，因此本文通過采集OH-PLIF熒光信號獲得火焰結(jié)構(gòu)分布信息，了解火焰結(jié)構(gòu)的變化特性.

由于燃燒振蕩過程具有較好的周期重復(fù)性，可以通過基于壓力脈動的相位同步PLIF 拍攝不同周期上順序的火焰結(jié)構(gòu)，從而得到振蕩燃燒火焰不同振蕩相位下的火焰分布.

如圖3 所示，相同步PLIF 系統(tǒng)在同步拍攝時需要首先采集燃燒室壓力脈動信號，對脈動信號進(jìn)行實時濾波和頻譜分析，確定燃燒振蕩的主頻和壓力脈動幅值.

圖3 壓力脈動與相同步觸發(fā)位置Fig.3 Pressure oscillations and phase synchronization triggering signal sequence

根據(jù)壓力脈動幅值設(shè)定一個合理的壓力觸發(fā)閾值p0，當(dāng)壓力脈動超過p0后，由同步觸發(fā)板卡向PLIF 同步器產(chǎn)生一個＋5 V 的脈沖信號，觸發(fā)PLIF系統(tǒng)進(jìn)行同步拍攝，此相位記錄為0 相位.為了保證兩次拍攝的時間間隔可以滿足低頻激光器的觸發(fā)頻率要求，在測量過程中同時記錄下壓力超過閾值的次數(shù)，當(dāng)壓力脈動超過閾值次數(shù)累積到50 次時，同步觸發(fā)板卡再次產(chǎn)生脈沖信號，觸發(fā)PLIF 系統(tǒng)對處在下一個壓力脈動周期內(nèi)的相同相位上的火焰進(jìn)行拍攝，這樣連續(xù)拍攝50 次，獲得該0 相位上50 幅有效瞬態(tài)OH-PLIF 照片.

0 相位拍攝完成后通過設(shè)置觸發(fā)延遲時間t 對下一個相位的火焰進(jìn)行拍攝，以此類推可以獲得觸發(fā)延遲時間為n×t 對應(yīng)相位的火焰信息，n 為振蕩燃燒所需拍攝的相位數(shù).通過測量得到的燃燒室內(nèi)壓力脈動主頻可以計算出燃燒室內(nèi)的壓力脈動周期，從0 相位達(dá)到對應(yīng)相位所經(jīng)歷的時間即為延遲時間t.這樣就可以得到振蕩燃燒周期內(nèi)順序相位上OH 基濃度分布和火焰結(jié)構(gòu).

2 結(jié)果與討論

2.1 干式低排放燃燒器火焰結(jié)構(gòu)特性

本文使用兩種方法分析火焰結(jié)構(gòu)，一是使用相機(jī)直接拍攝火焰照片，二是對不同當(dāng)量比下的OHPLIF 圖像進(jìn)行時均處理以表征火焰結(jié)構(gòu)，時均結(jié)果由300 幅瞬態(tài)圖像平均得到.圖4 為不同當(dāng)量比下的火焰照片和時均OH-PLIF 圖像結(jié)果，直觀地反映了火焰結(jié)構(gòu)隨當(dāng)量比的變化情況.

圖4 不同當(dāng)量比下的火焰照片和時均OH-PLIF圖像Fig.4 Flame photo and time-invariant OH-PLIF image with variable equivalence ratio

從火焰照片上觀察，當(dāng)量比在0.50～0.70 的范圍內(nèi)變化時，火焰在燃燒室內(nèi)形態(tài)變化不大，隨著當(dāng)量比的升高，火焰向著燃燒室壁面延伸.圖4(f)中可以觀察到在當(dāng)量比為0.75 的情況下火焰大范圍地出現(xiàn)在了燃燒室壁面位置.

更清晰的火焰結(jié)構(gòu)可以從時均OH-PLIF 結(jié)果中看到.在當(dāng)量比小于0.65 時，火焰呈紡錘狀分布在燃燒室中心線兩側(cè).而在當(dāng)量比大于0.65 時，火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，隨著當(dāng)量比的增大，火焰根部開始逐漸聚集到燃燒室中心線，而火焰的兩個尖端有向燃燒室壁面分離的趨勢.特別是在目前研究的當(dāng)量比最高φ=0.75 的情況下，靠近燃燒室中心線的反應(yīng)區(qū)和靠近燃燒室壁面的反應(yīng)區(qū)已經(jīng)相互連接，形成貫穿整個燃燒室的反應(yīng)區(qū)帶.

2.2 壓力脈動變化特性

燃燒室內(nèi)壓力波動隨時間變化的結(jié)果如圖5(a)所示，可以看到當(dāng)量比較低時，燃燒室內(nèi)的壓力基本平穩(wěn)，無明顯波動，而當(dāng)量比較大時，燃燒室內(nèi)產(chǎn)生了周期性的壓力脈動特征.

將不同當(dāng)量比下的燃燒室內(nèi)的動態(tài)壓力波形進(jìn)行FFT 分析，計算結(jié)果如圖5(b)所示.φ分別為0.5、0.55 和0.6 共3 個低當(dāng)量比工況，在75 Hz 附近有一個峰值相對較低的特征頻率，其他位置的特征頻率不明顯.而φ分別為0.65、0.7 和0.75 這3 個高當(dāng)量比工況則時，在40 Hz、80 Hz、120 Hz 和160 Hz 共4 個特征頻率上出現(xiàn)了較高的幅值.以0.65 當(dāng)量比工況為界，低當(dāng)量比的壓力振蕩不明顯而高當(dāng)量比的壓力振蕩更強(qiáng).

圖5 燃燒室內(nèi)壓力脈動的時均結(jié)果和FFT結(jié)果Fig.5 Time domain results of pressure fluctuation in combustion chamber and FFT analysis results

為定量表征壓力振蕩，圖6 展示了最大動態(tài)壓力脈動幅值隨著當(dāng)量比的變化.從圖中可以看到，在當(dāng)量比小于0.65 時，隨著當(dāng)量比的增大，最大振幅逐漸增大.在當(dāng)量比大于0.65 時，最大振幅基本保持在0.003 7 MPa 的水平，不再隨當(dāng)量比的增加而增加.

圖6 最大壓力脈動幅值Fig.6 Maximum amplitude of dynamic pressure fluctuation

2.3 相同步OH-PLIF下瞬態(tài)火焰結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

為了確定干式低排放燃燒器振蕩燃燒條件下的火焰振蕩特性，采用相同步OH-PLIF 得到振蕩火焰在不同相位下的分布特性.依據(jù)壓力波動相位采集的相位對應(yīng)瞬態(tài)火焰OH-PLIF 結(jié)果如圖7 所示.各個相位與壓力波動的對應(yīng)關(guān)系如圖8 所示.

圖7 對應(yīng)不同壓力脈動相位的火焰OH-PLIF瞬態(tài)圖像Fig.7 Transient flame image of OH-PLIF corresponding to different pressure wave phases

圖8 各個相位與壓力波動的對應(yīng)關(guān)系Fig.8 The corresponding relation between phase and pressure fluctuation

可以看到，在壓力峰值相位為90°時，OH 基分布相對集中于中軸線，且強(qiáng)度較高，表明火焰向內(nèi)側(cè)收縮；而壓力谷值相位為270°時，OH 分布集中在壁面區(qū)域，且強(qiáng)度較弱，表明火焰向燃燒室壁面擴(kuò)張.靠近燃燒室中軸以及靠近燃燒室壁面的兩個反應(yīng)區(qū)隨著壓力波動表現(xiàn)出了融合-分離-融合的趨勢，展現(xiàn)了火焰結(jié)構(gòu)的周期性變化規(guī)律.

2.4 振蕩燃燒火焰中的瑞利因子分布

本文通過瑞利因子分布來分析振蕩燃燒的產(chǎn)生原因.瑞利因子IR是表征燃燒區(qū)域熱釋放率和壓力波動之間的耦合強(qiáng)弱的關(guān)鍵參數(shù)，是揭示燃燒穩(wěn)定性問題基本機(jī)理的重要手段[19]，其定義如下：

式中：p′為燃燒過程的壓力脈動；q′為燃燒熱釋放脈動；T 為壓力脈動周期.瑞利因子為正值表示燃燒過程的壓力波動和熱能釋放波動相互耦合疊加，是燃燒過程發(fā)生熱聲振蕩的主要驅(qū)動原因.而瑞利因子為負(fù)值時，說明熱釋放波動與壓力波動相位趨于相反，對燃燒中發(fā)生的壓力振蕩起衰減作用.

由于火焰較短，壓力脈動的傳播速度較高，因此可以認(rèn)為在拍攝區(qū)域不同位置的壓力脈動的相位是基本相同的，因此在計算瑞利因子時使用了在燃燒室壁面測得的壓力脈動值來表征拍攝平面內(nèi)所有點的壓力脈動值.由于OH-PLIF 測量得到的熒光強(qiáng)度與燃燒溫度有較好的對應(yīng)關(guān)系，因此利用相位對應(yīng)的OH-PLIF 結(jié)果計算燃燒的熱釋放脈動情況[20]，結(jié)合對應(yīng)相位的壓力波動數(shù)據(jù)計算得到燃燒室內(nèi)的瑞利因子分布燃燒過程壓力與燃燒火焰耦合關(guān)系，其中壓力波動與PLIF 數(shù)據(jù)的相位對應(yīng)通過相同步PLIF 實現(xiàn).圖9 為當(dāng)量比為0.65 時的瑞利因子分布圖.

圖9 當(dāng)量比為0.65時的火焰瑞利因子分布Fig.9 Rayleigh factor distribution of flame with an equivalent ratio of 0.65

按瑞利因子的大小可以將燃燒區(qū)域分為3 個部分：1 區(qū)主要分布在燃燒室中軸到旋流器外緣附近的范圍，靠近燃燒室中央?yún)^(qū)域的中心區(qū)；2 區(qū)主要分布在距燃燒室中軸0.75 D，既燃燒室中軸與壁面中線附近的過渡區(qū)；3 區(qū)分布在燃燒室壁面附近的壁面區(qū).中心區(qū)的瑞利因子都比較高，過渡區(qū)則總處于瑞利因子為負(fù)的狀態(tài)，壁面區(qū)瑞利因子總體不如中心區(qū)高，但大都處于正值，因此燃燒室中熱聲振蕩主要發(fā)生的主要位置為中心區(qū)和壁面區(qū).從振蕩發(fā)生的位置可以得到值班火焰與預(yù)混火焰間的干涉作用是導(dǎo)致中心區(qū)燃燒振蕩的主要原因，而壁面區(qū)的燃燒振蕩主要是由火焰鋒面波動導(dǎo)致.

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)量比小于0.65 時，火焰結(jié)構(gòu)成紡錘狀分布在燃燒室中心線兩側(cè)，燃燒室內(nèi)不存在壓力周期性振蕩；當(dāng)量比大于0.65 時，火焰根部在燃燒室中心線聚集，而火焰的兩個尖端有向燃燒室壁面分離的趨勢，并產(chǎn)生周期性的壓力振蕩；此外，隨著當(dāng)量比的增大，壓力脈動的幅值從 0.000 7 MPa 上升到0.003 7 MPa，但當(dāng)量比大于0.65 后，振幅不再隨當(dāng)量比的增加而增加.

(2) 壓力脈動和瞬態(tài)火焰結(jié)構(gòu)的關(guān)系為：在壓力峰值時，OH 基分布相對集中，高OH 熒光強(qiáng)度區(qū)域明顯，火焰向中軸線收縮；而壓力谷值時，OH 基分布向燃燒室壁面集中，且強(qiáng)度較弱，火焰向壁面擴(kuò)張.

(3) 獲得了中心分級燃燒流場的瑞利因子分布，高瑞利因子區(qū)域主要分布在中心區(qū)和壁面區(qū)，是發(fā)生熱聲振蕩的主要區(qū)域，中心分級火焰間的干涉作用和火焰鋒面的波動是導(dǎo)致這兩個區(qū)域產(chǎn)生振蕩的原因.