分層比對(duì)雙旋流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)和燃燒不穩(wěn)定的影響

劉易明，譚建國(guó)，高政旺，劉?瑤

分層比對(duì)雙旋流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)和燃燒不穩(wěn)定的影響

劉易明，譚建國(guó)，高政旺，劉?瑤

(國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073)

基于雙旋流預(yù)混燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)壓力傳感器、ICCD相機(jī)等裝置，研究了不同分層比對(duì)雙旋流預(yù)混火焰宏觀結(jié)構(gòu)和燃燒不穩(wěn)定的影響．研究結(jié)果表明：隨著分層比增大，火焰的主釋熱區(qū)由主燃級(jí)下游逐漸移向火焰根部，再逐漸向預(yù)燃級(jí)下游靠近，旋流火焰張角隨之增大，火焰中心界面結(jié)構(gòu)有“W”、“V”和“多褶”3種典型結(jié)構(gòu)；隨著分層比增大，火焰由穩(wěn)定轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定，且主頻都在60Hz左右，振幅先增大再慢慢下降，且在分層比為1.25和1.50時(shí)，有明顯的不穩(wěn)定第二頻率出現(xiàn)，其大小約等于2倍的不穩(wěn)定主頻．

雙旋流；預(yù)混火焰；宏觀結(jié)構(gòu)；分層比；燃燒不穩(wěn)定

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越嚴(yán)格的NO排放要求，貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)成為最受關(guān)注的燃燒方式之一[1]，其多采用中心分級(jí)的雙旋流預(yù)混燃燒組織模式，一般分為兩級(jí)，即中心預(yù)燃級(jí)和外層主燃級(jí)．大部分的燃料和空氣從外層主燃級(jí)進(jìn)入，中心預(yù)燃級(jí)主要用于穩(wěn)定火焰．雙旋流預(yù)混燃燒不僅可以顯著降低NO排放，而且能夠同時(shí)滿足燃燒效率、點(diǎn)火及熄火等其他燃燒要求[2]．正因?yàn)槿绱耍鞔蠛娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)公司和科研機(jī)構(gòu)均在這方面開(kāi)展了大量的研究．如GE公司發(fā)展的TAPS(twin annular premixing swirled burner)[3-6]，已成功應(yīng)用于Leap-X發(fā)動(dòng)機(jī)，其N(xiāo)O排放相對(duì)于CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)降低了大約50%；國(guó)內(nèi)如北京航空航天大學(xué)提出的TeLESS(technology of low emissions with stirred swirls)[7-13]．

但在實(shí)際工程應(yīng)用中，貧燃預(yù)混燃燒有效降低了NO排放的同時(shí)也對(duì)共振耦合更加敏感．由于燃燒器經(jīng)常工作于貧燃狀態(tài)，火焰容易受到擾動(dòng)，極易發(fā)生燃燒不穩(wěn)定，表現(xiàn)為燃燒室內(nèi)大幅的壓力振蕩．這對(duì)先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展是個(gè)極大的挑戰(zhàn)[14]．

火焰的宏觀結(jié)構(gòu)不僅表示火焰形狀還代表了放熱率分布，因此對(duì)NO排放和燃燒不穩(wěn)定有直接的影響．對(duì)于旋流火焰結(jié)構(gòu)，最簡(jiǎn)單的是單旋流預(yù)混火焰．如麻省理工學(xué)院的Taamallah等[15-16]系統(tǒng)地研究了單層旋流預(yù)混火焰的宏觀結(jié)構(gòu)以及其與燃燒不穩(wěn)定的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著當(dāng)量比增加，火焰依次經(jīng)歷了柱狀結(jié)構(gòu)、氣泡狀結(jié)構(gòu)、錐形結(jié)構(gòu)和雙層錐形結(jié)構(gòu)，壓力振蕩由小逐漸增加，最后進(jìn)入一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)區(qū)間．美國(guó)賓州州立大學(xué)學(xué)者Huang和Yang[17]研究燃燒室進(jìn)口溫度和當(dāng)量比對(duì)單旋流火焰燃燒不穩(wěn)定的影響，發(fā)現(xiàn)燃燒室入口溫度輕微升高都會(huì)導(dǎo)致燃燒室內(nèi)壓力振蕩突然增加．

隨后，Hochgreb團(tuán)隊(duì)針對(duì)多旋流預(yù)混燃燒開(kāi)展了一系列研究[18-22]．如Hochgreb團(tuán)隊(duì)的Kim等[18]研究了聲強(qiáng)迫對(duì)分層貧燃預(yù)混火焰非線性釋熱響應(yīng)，結(jié)果表明，總當(dāng)量比為0.6時(shí)，改變分層比對(duì)火焰結(jié)構(gòu)和非線性釋熱響應(yīng)均有顯著的影響．同屬Hochgreb團(tuán)隊(duì)的Chong等[22]基于雙旋反向預(yù)混燃燒室，研究了分層比對(duì)預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)和排放特性的影響．實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分層比對(duì)火焰結(jié)構(gòu)以及燃燒排放都有顯著的影響，預(yù)燃級(jí)流量增大使得主反應(yīng)區(qū)增大，從而火焰強(qiáng)度增強(qiáng)，同時(shí)也導(dǎo)致了NO和CO排放升高．密歇根大學(xué)的Dhanuka等[23]以航空煤油為燃料，在TAPS燃燒室上研究了分層比對(duì)燃燒不穩(wěn)定的影響，發(fā)現(xiàn)分層比超過(guò)一定的臨界值，就會(huì)發(fā)生燃燒不穩(wěn)定．國(guó)內(nèi)關(guān)于分層旋流火焰的研究主要以北京航空航天大學(xué)林宇震團(tuán)隊(duì)為代表，其團(tuán)隊(duì)的湯冠瓊等[11]針對(duì)分層火焰研究了當(dāng)量比對(duì)火焰燃燒不穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明總當(dāng)量比在一定范圍內(nèi)，壓力脈動(dòng)隨當(dāng)量比的增大而增加．劉澤宇等[12]研究了分層比對(duì)分開(kāi)分層旋流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)影響，提出了6種不同的分開(kāi)分層旋流預(yù)混燃燒模式：Y型、V型、對(duì)稱D型、多褶型、窄W型和寬W型．Han等[9]使用具有隔離臺(tái)階的雙旋流燃燒器系統(tǒng)地研究了總當(dāng)量比在0.5、0.6、0.7和0.8下，不同分層比所對(duì)應(yīng)的火焰宏觀結(jié)構(gòu)，總結(jié)歸納了3種典型的火焰結(jié)構(gòu)，即脫體火焰(L型)、分叉火焰(S型)和駐定火焰(V型)．Han等[24]在其另一篇文章中研究了燃燒室上游擴(kuò)壓器對(duì)燃燒不穩(wěn)定性的影響，研究表明擴(kuò)壓器可改變?nèi)紵到y(tǒng)共振頻率，進(jìn)而避免旋流燃燒室中的熱聲耦合，有助于穩(wěn)定燃燒系統(tǒng)．

盡管目前針對(duì)單旋流和雙旋流火焰的研究已經(jīng)較為深入，但旋流火焰本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之雙旋流影響參數(shù)眾多，并且不同的旋流器設(shè)計(jì)布局對(duì)旋流器氣動(dòng)特性也有很大的影響，因此本文設(shè)計(jì)了帶有雙文氏管的雙旋流預(yù)混燃燒器，主、預(yù)燃級(jí)均使用純預(yù)混甲烷和空氣，固定總的當(dāng)量比，改變分層比，觀察火焰的宏觀結(jié)構(gòu)，測(cè)量燃燒室的壓力脈動(dòng)，進(jìn)一步加強(qiáng)認(rèn)識(shí)雙旋流預(yù)混火焰．

1?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

本文以甲烷為燃料，空氣為氧化劑，開(kāi)展對(duì)雙旋流預(yù)混火焰的實(shí)驗(yàn)研究．實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)采用10L/min和1000L/min的質(zhì)量流量控制器(七星華創(chuàng)CS200和七星華創(chuàng)D07-60B)分別調(diào)節(jié)甲烷和空氣流量來(lái)改變分層比，并且利用ICCD相機(jī)和高頻壓力傳感器獲取火焰信息，從而研究火焰結(jié)構(gòu)與壓力脈動(dòng)特性．

1.1?實(shí)驗(yàn)裝置

研究所設(shè)計(jì)的雙旋流預(yù)混燃燒器幾何示意圖如圖1所示．旋流燃燒室主要由外層的主燃級(jí)和內(nèi)層的預(yù)燃級(jí)兩個(gè)同心環(huán)腔、中心體及燃燒筒組成．

內(nèi)層預(yù)燃級(jí)和外層主燃級(jí)各包含12個(gè)軸向葉片，旋流葉片出口角度都為38°，對(duì)應(yīng)旋流數(shù)大小為0.49和0.56．內(nèi)外層旋流葉片同向，從下游向上游方向看為逆時(shí)針，且內(nèi)層預(yù)燃級(jí)和外層主燃級(jí)都包含文氏管結(jié)構(gòu)，可以有效防止回火．外層文氏管上游與燃燒室入口平面相距16mm．預(yù)燃級(jí)環(huán)腔外徑為20mm、內(nèi)徑為16mm，主燃級(jí)環(huán)腔外徑為10mm、內(nèi)徑為8mm．燃燒筒內(nèi)徑為54mm，長(zhǎng)度為180mm．

本文中，壓力脈動(dòng)采用動(dòng)態(tài)壓力傳感器(PCB113b24)測(cè)量，3個(gè)壓力傳感器在燃燒筒軸向位置等間距分布，均與燃燒筒內(nèi)壁面齊平安裝，如圖1中S1、S2和S3所示．壓力脈動(dòng)采用NI采集卡(NIUSB-6341)進(jìn)行采集并存入電腦，采集頻率為1000Hz，采集時(shí)間為20s．

化學(xué)發(fā)光測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，主要由兩臺(tái)ICCD相機(jī)、鏡頭、濾波片和計(jì)算機(jī)組成．拍攝過(guò)程中，兩臺(tái)ICCD相機(jī)對(duì)稱放置，分別加裝普通鏡頭和紫外鏡頭，由于OH*的波長(zhǎng)為308nm，故而拍攝時(shí)需要在紫外鏡頭前面加裝窄帶濾光片(Edmund 34980)，拍攝獲得三維旋流火焰在相機(jī)方向上的積分投影．拍攝時(shí)像增強(qiáng)器增益值設(shè)定為750，曝光時(shí)間都設(shè)為2ms．每個(gè)工況下拍攝100幅，之后進(jìn)行平均和對(duì)稱化處理．

圖1　　雙旋流預(yù)混燃燒器幾何和壓力測(cè)量布置示意(單位：mm)

1.2?實(shí)驗(yàn)工況

為重點(diǎn)考察分層比對(duì)旋流火焰結(jié)構(gòu)和燃燒室內(nèi)壓力脈動(dòng)的影響，選取總當(dāng)量比為0.7和不同的內(nèi)外當(dāng)量比組合，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表1．實(shí)驗(yàn)中，主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)的甲烷分別在預(yù)混腔內(nèi)與空氣充分混合，以避免燃燒在自激振蕩情況下發(fā)生當(dāng)量比脈動(dòng)．分層比s(stratification ratio)，即中心預(yù)燃級(jí)與外層主燃級(jí)當(dāng)量比之比．實(shí)驗(yàn)中甲烷總流量為18L/min，其中預(yù)燃級(jí)為8L/min，主燃級(jí)為10L/min．總當(dāng)量比為0.7，分層比以0.25為間隔從0.5取到2.75，其中分層比為1.00的工況為基準(zhǔn)工況，該工況下主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)當(dāng)量比相同，在燃燒室入口處當(dāng)量比梯度為零．實(shí)驗(yàn)中，燃燒室入口溫度為室溫310K，壓力都為0.3MPa，測(cè)壓力的燃燒筒出口與大氣相通，也是室溫310K，壓力為常壓．

圖2?化學(xué)發(fā)光測(cè)量系統(tǒng)示意

表1?雙旋流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)工況

Tab.1?Experimental conditions for the premixed dual-swirl burner

2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?火焰結(jié)構(gòu)

首先對(duì)比了分層比為1.00下普通鏡頭拍攝的可見(jiàn)光和紫外鏡頭拍攝的OH*化學(xué)發(fā)光火焰結(jié)構(gòu)，如圖3所示．可以發(fā)現(xiàn)，可見(jiàn)光和OH*所表征的火焰結(jié)構(gòu)基本相同，都類(lèi)似于“掃帚”形狀，其中采用濾光片拍攝的OH*化學(xué)發(fā)光過(guò)濾掉了其他光的影響，更能凸顯出旋流火焰的主體結(jié)構(gòu)，因此本文接下來(lái)的討論都將采用OH*化學(xué)發(fā)光表征旋流火焰結(jié)構(gòu)，且已有研究表明碳?xì)淙剂现蠴H*化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度跟火焰的放熱率成正比[25]，即OH*化學(xué)發(fā)光不僅可以表征火焰結(jié)構(gòu)，還可以表示放熱率分布．

在不同的分層比情況下記錄火焰宏觀結(jié)構(gòu)．圖4為用ICCD相機(jī)配備OH*濾光片拍攝得到的火焰圖像．由圖可見(jiàn)，火焰釋熱中心位置發(fā)生了變化：分層比為0.5時(shí)，中心預(yù)燃級(jí)火焰脫體，外層主燃級(jí)富燃，火焰釋熱集中在主預(yù)燃級(jí)噴嘴下游，見(jiàn)圖4(a)．分層比在0.75～1.75時(shí)，隨分層比增大，旋流器噴嘴中心下游釋熱明顯減弱，釋熱中心區(qū)域逐漸從噴嘴下游向上游移動(dòng)，見(jiàn)圖4(b)～(f)，并在分層比為1.25、?1.50和1.75時(shí)，火焰釋熱中心區(qū)域移至火焰根部，附著于雙旋流器主燃級(jí)噴嘴上，這在工程實(shí)際中，極易造成回火，因此要盡量避免．當(dāng)分層比為2.00～2.75時(shí)，中心預(yù)燃級(jí)富燃，外層主燃級(jí)貧燃，燃料主要集中在預(yù)燃級(jí)，因此火焰釋熱中心向火焰的內(nèi)層有所移動(dòng)，并逐漸從附著于旋流噴嘴向下游移動(dòng)，見(jiàn)圖4(g)～(j).

圖3　　分層比為1.00時(shí)可見(jiàn)光和OH*化學(xué)發(fā)光表征的火焰結(jié)構(gòu)

圖4?配備OH*濾光片的ICCD相機(jī)拍攝的火焰宏觀結(jié)構(gòu)

由于ICCD相機(jī)直接拍攝獲得的圖像為火焰與相機(jī)之間沿線的積分，為了更加直觀展示火焰的平面效果，對(duì)所有工況下獲得的OH*火焰宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了Abel逆變換，如圖5為不同分層比下經(jīng)Abel逆變換處理的火焰中心截面結(jié)構(gòu)．由于OH*化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度可用于表示火焰的釋熱率[25]，因此，在經(jīng)過(guò)Abel逆變換處理過(guò)的圖像中，認(rèn)為明亮區(qū)域?yàn)獒専嶂行膮^(qū)域，所有OH*化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度均通過(guò)最強(qiáng)化學(xué)發(fā)光進(jìn)行了歸一化處理．可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分層比為0.50和0.75時(shí)，火焰釋熱中心主要在噴嘴出口下游，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)較弱，如圖5中的(a)和(b)所示．當(dāng)分層比為1.00到1.75區(qū)間內(nèi)，隨著分層比增大，局部化學(xué)發(fā)光先增強(qiáng)再減弱，在分層比為1.50時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，且都位于主燃級(jí)噴口的外側(cè)．火焰釋熱區(qū)域主要分布在外層主燃級(jí)噴嘴下游，如圖5中的(c)～(f)所示．當(dāng)分層比大于2.00時(shí)，火焰局部最強(qiáng)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度明顯減弱，主預(yù)燃級(jí)火焰逐漸出現(xiàn)分層，顯示出明顯的褶皺，如圖5中的(j)所示．并且還可以看出，隨著分層比逐漸增大，旋流火焰張角隨之增大，以分層比為0.50～1.50最為明顯，旋流火焰張角從38°增加到66°，當(dāng)分層比大于1.75后，旋流火焰張角繼續(xù)保持了增大這一趨勢(shì)，只是相對(duì)較?。?/p>

不同分層比下OH*化學(xué)發(fā)光Abel逆變換的火焰中心截面結(jié)構(gòu)大體上可以歸納為3種典型的結(jié)構(gòu)，如圖6所示，分別為分層比等于0.50為代表的“W”型，火焰有點(diǎn)脫體，如圖6(a)所示；分層比等于1.50為代表的“V”型，主預(yù)燃級(jí)火焰附著在主燃級(jí)噴嘴出口的外沿，如圖6(b)所示；以及分層比等于2.75為代表的“多褶”型，主預(yù)燃級(jí)火焰有明顯的分層，且主燃級(jí)火焰沒(méi)有附著點(diǎn)，如圖6(c)所示．

圖5?OH*化學(xué)發(fā)光的Abel逆變換火焰中心截面結(jié)構(gòu)

圖6?3種典型的火焰結(jié)構(gòu)

2.2?壓力脈動(dòng)

燃燒不穩(wěn)定表現(xiàn)為燃燒室內(nèi)周期性大幅壓力振蕩，由于圖1中的壓力傳感器S2和S3離火焰較遠(yuǎn)，所測(cè)得的壓力脈動(dòng)很小，因此本文中的壓力脈動(dòng)均采用S1測(cè)得的壓力，圖7是分層比為1.50時(shí)燃燒室內(nèi)的壓力脈動(dòng)．

本文記錄了總當(dāng)量比為0.7，不同分層比下燃燒室內(nèi)的壓力振蕩，通過(guò)傅里葉變換處理，獲得了對(duì)應(yīng)的壓力脈動(dòng)頻譜圖，如圖8所示．可以發(fā)現(xiàn)，分層比為0.50和0.75時(shí)，壓力脈動(dòng)主要以低頻為主，且沒(méi)有明顯的振蕩主頻，可以認(rèn)為此時(shí)燃燒室燃燒較為穩(wěn)定，如圖8中的(a)和(b)所示；當(dāng)分層比在1.00～2.75范圍內(nèi)時(shí)，燃燒不穩(wěn)定主頻都在60Hz左右，這主要是因?yàn)槿紵环€(wěn)定主頻跟系統(tǒng)的聲學(xué)頻率密切相關(guān)，燃燒不穩(wěn)定主頻振幅呈現(xiàn)先增大再逐漸減小趨勢(shì)，在分層比為1.25時(shí)，燃燒不穩(wěn)定主頻所對(duì)應(yīng)的壓力振幅最大，達(dá)到5.774kPa，且在分層比為1.25和1.50時(shí)，有明顯的燃燒不穩(wěn)定第二頻率出現(xiàn)，其大小約等于2倍的不穩(wěn)定主頻，如圖8中的(d)和(e)所示.

圖7?分層比為1.50時(shí)燃燒室內(nèi)的壓力脈動(dòng)

圖8?不同分層比下壓力脈動(dòng)頻譜圖

3?結(jié)?論

本文針對(duì)雙旋流預(yù)混火焰，以甲烷為燃料，空氣為氧化劑，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了不同分層比條件下的火焰宏觀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)壓力傳感器測(cè)量了燃燒室內(nèi)的壓力脈動(dòng)，對(duì)雙旋流預(yù)混火焰進(jìn)一步加強(qiáng)了認(rèn)識(shí)．研究發(fā)現(xiàn)分層比對(duì)雙旋流預(yù)混火焰宏觀結(jié)構(gòu)和燃燒不穩(wěn)定有直接的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1)分層比對(duì)雙旋流預(yù)混火焰的主釋熱區(qū)影響較大．隨著分層比增大，火焰的主釋熱區(qū)由主燃級(jí)下游逐漸移向火焰根部，再逐漸向預(yù)燃級(jí)下游靠近，這主要是由于燃料空間分布發(fā)生了變化．

(2)分層比對(duì)旋流火焰張角有一定的影響．隨著分層比增大，旋流火焰張角隨之增大，有所不同的是，低分層比條件下旋流火焰張角增長(zhǎng)變化較為明顯，高分層比條件下旋流火焰張角增大趨勢(shì)較為緩慢．

(3)分層比對(duì)燃燒不穩(wěn)定的壓力脈動(dòng)幅值影響較為顯著．隨著分層比增大，燃燒室內(nèi)壓力脈動(dòng)由穩(wěn)定轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定，且不穩(wěn)定主頻都在60Hz左右，主頻振幅先增大隨后逐漸減小，且在分層比為1.25和1.50時(shí)，有明顯的燃燒不穩(wěn)定第二頻率出現(xiàn)，其大小約等于2倍的不穩(wěn)定主頻．

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Effect of Stratification Ratio on Structure and Combustion Instability of Double-Swirl Premixed Flame

Liu Yiming，Tan Jianguo，Gao Zhengwang，Liu Yao

(School of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Based on a two-swirl premixed combustion experiment system，the effects of different stratification ratio on the macrostructure and combustion instability of the two-swirl premixed flame were investigated by using a dynamic pressure sensor and an ICCD camera. The results show that with the increase of the stratification ratio，the main heat release zone of the flame gradually moves from the downstream of the main combustion area to the flame root and then to the downstream of the precombustion area，and the vortex flame angle increases accordingly. The central interface of the flame has three typical structures：“W”，“V” and“multi-fold”. With the increase of the stratification ratio，the flame changes from stable to unstable，the main frequency is around 60Hz，and the amplitude increases first and then slowly decreases. Moreover，when the stratification ratio is 1.25 and 1.50，there is an obvious unstable second frequency，which is about twice the unstable main frequency.

double swirl；premixed flame；macro structure；stratification ratio；combustion instability

10.11715/rskxjs.R202305030

TK11

A

1006-8740(2023)04-0444-07

2023-05-15．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91441121).

劉易明(2000—??)，男，碩士研究生，lym573550@163.com.

譚建國(guó)，男，博士，研究員，jianguotan@nudt.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)