高溫伴流中燃料射流不穩(wěn)定自著火特性研究

劉貴軍，張歸華，吳玉新，張 揚(yáng)

(清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084)

燃料射流在高溫空氣伴流中的自著火特性及控制不僅是一個(gè)基本科學(xué)問題，對(duì)新一代貧預(yù)混燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展也有重要意義[1-2].貧預(yù)混燃燒技術(shù)要求燃料與空氣在預(yù)混段中充分混合后再進(jìn)入燃燒室燃燒，如果空氣溫度足夠高或燃料停留時(shí)間足夠長(zhǎng)，預(yù)混段內(nèi)易發(fā)生自著火，影響燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行.在雙碳目標(biāo)下，使用富氫燃料是燃?xì)廨啓C(jī)碳減排的重要途徑，但氫氣的高火焰?zhèn)鞑ニ俣?、高分子擴(kuò)散率將導(dǎo)致預(yù)混段中自著火的風(fēng)險(xiǎn)增加[3].

由于實(shí)際預(yù)混段和燃燒器具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為了獲得對(duì)高溫空氣伴流中自著火的物理認(rèn)識(shí)，研究者們開發(fā)了簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)室燃燒器.Cabra 等[4-5]利用燃燒尾氣形成的高溫伴流屏蔽了周圍冷空氣的影響，研究了高速射流下氫氣、甲烷的自著火行為，指出自著火是火焰穩(wěn)定的重要機(jī)制.但Cabra 燃燒器存在伴流速度低的缺點(diǎn).Markides 和Mastorakos[6-7]利用電加熱空氣燃燒器在受限空間內(nèi)研究了湍流伴流中的自著火特性，并指出自著火并非完全由化學(xué)因素控制，湍流對(duì)自著火有延遲作用.此外，Eitel 等[8-9]設(shè)計(jì)了一種升溫較快的等離子加熱燃燒器，并利用空氣在等離子加熱過程中產(chǎn)生的NOx研究了含NOx空氣伴流中的自著火演化過程.

考慮到實(shí)際預(yù)混段中高溫空氣具有較高流速，本研究將采用電加熱空氣法產(chǎn)生高速高溫伴流.當(dāng)燃料射入高溫空氣伴流，自著火可能在非均勻流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)的復(fù)雜耦合下產(chǎn)生、熄滅和再燃.Markides 和Mastorakos[6]在實(shí)驗(yàn)中首次觀測(cè)到不穩(wěn)定自著火以隨機(jī)點(diǎn)的形式發(fā)生，并在統(tǒng)計(jì)上穩(wěn)定在燃料管下游一定位置，這些自著火核既不閃回也不發(fā)展成火焰，而是迅速淬滅，并伴有強(qiáng)烈的噪聲.Kerkemeier 等[10]采用二維DNS 方法對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重現(xiàn)，也觀測(cè)到了隨機(jī)著火，發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)總出現(xiàn)在最具反應(yīng)性混合分?jǐn)?shù)、低標(biāo)量耗散率的區(qū)域.對(duì)于這種隨機(jī)著火，一方面，其存在較大引發(fā)回火的風(fēng)險(xiǎn)，但現(xiàn)有的針對(duì)自著火條件下的回火機(jī)理研究較缺乏[11-12]；另一方面，其產(chǎn)生的噪聲(壓力脈動(dòng))也會(huì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)混段、燃燒器結(jié)構(gòu)造成損害[13].因此，研究湍流條件下自著火的不穩(wěn)定行為對(duì)火焰穩(wěn)定特性的理解和不穩(wěn)定燃燒的控制都有重要意義.

Oldenhof 等[14-15]利用高速攝像和平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)實(shí)驗(yàn)研究了高溫尾氣伴流中的甲烷自著火行為，發(fā)現(xiàn)相比傳統(tǒng)抬升火焰，自著火核的產(chǎn)生和生長(zhǎng)代替火焰?zhèn)鞑Q定了抬升火焰的穩(wěn)定.Papageorge 等[16]利用瑞利散射技術(shù)獲得高速二維圖像，表明高溫伴流中的自著火易發(fā)生在燃料射流邊緣，即燃料稀薄且低標(biāo)量耗散區(qū)域.Macfarlane 等[17-18]利用PLIF 對(duì)高溫伴流中二甲醚湍流抬升火焰根部上游的自著火核演化進(jìn)行了研究，觀察到當(dāng)伴流溫度更低的情況下，自著火核與燃料噴嘴的距離增加，成核密度降低，且成核區(qū)域范圍變大.但上述研究對(duì)不穩(wěn)定自著火回火及動(dòng)態(tài)頻率特征關(guān)注較少，不利于全面掌握自著火特性和評(píng)估對(duì)工業(yè)設(shè)備的危害.

對(duì)于不穩(wěn)定自著火行為，自著火頻率與自著火發(fā)生的可能性強(qiáng)相關(guān).目前僅有少數(shù)研究討論了自著火頻率，例如Markides 和Mastorakos[7]通過自著火頻率分析了湍流混合對(duì)自著火化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)著火自著火頻率隨自著火高度的降低而增加(溫度升高或流速降低)，但對(duì)自著火頻率本身關(guān)注較少，未對(duì)不同工況下自著火頻率進(jìn)行系統(tǒng)研究.Johannessen 等[19]基于Cabra 燃燒器利用高速紋影成像技術(shù)研究了自著火頻率，但實(shí)驗(yàn)中高溫尾氣伴流速度較低(0.65 m/s)，且組分與溫度的耦合對(duì)自著火頻率的分析存在影響.

本研究的目的是研究當(dāng)燃料射流和空氣伴流條件發(fā)生改變時(shí)，燃料射流在湍流高溫伴流中的不穩(wěn)定自著火行為特性，通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)總結(jié)不穩(wěn)定自著火的行為規(guī)律，為不穩(wěn)定自著火的調(diào)控和避免提供參考.當(dāng)射流速度較低時(shí)，自著火核產(chǎn)生后可能會(huì)向上游傳播，發(fā)生回火[20]，因此本研究將基于高溫自著火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合對(duì)現(xiàn)有回火機(jī)理[12]對(duì)自著火條件下的回火過程進(jìn)行分析.當(dāng)射流速度較高時(shí)，本研究將通過高速攝像和動(dòng)態(tài)壓力傳感器觀測(cè)隨機(jī)著火過程和頻率，分析射流速度、燃料濃度、伴流溫度和伴流速度對(duì)不穩(wěn)定自著火行為的影響.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 高溫自著火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

高溫自著火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由燃料與空氣供應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)和雙層石英管實(shí)驗(yàn)段組成，如圖1所示.伴流空氣從大氣獲得，在質(zhì)量流量控制器(Bronkhost EL-flow) 的控制下進(jìn)入電加熱器(Sylvania SFI-1.25E)被加熱，通過整流段和湍流發(fā)生器后進(jìn)入石英管.為了使自著火現(xiàn)象易于被觀測(cè)，本實(shí)驗(yàn)采用N2稀釋的C2H2作為燃料[21]，通過質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)流速，燃料中C2H2摩爾分?jǐn)?shù)Xf被控制在0.24～0.40.

圖1 高溫自著火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic of the autoignition experimental setup

整流段內(nèi)部的不銹鋼燃料管長(zhǎng) 0.6 m，內(nèi)徑4.93 mm，外徑6.35 mm，外壁與高溫伴流空氣接觸，燃料管內(nèi)流經(jīng)的燃料可以被加熱到與高溫伴流空氣相近的溫度.使用N2代替燃料對(duì)燃料管出口氣體進(jìn)行測(cè)溫，結(jié)果顯示射流溫度比伴流約低10 ℃.因此，燃料的射入會(huì)導(dǎo)致伴流空氣溫度改變，為避免這一影響，在實(shí)驗(yàn)前用等吸熱能力的N2代替燃料通入，以此降低燃料通入后伴流溫度的變化，提升對(duì)伴流溫度控制的準(zhǔn)確度.表1 列出了空氣伴流和燃料射流的詳細(xì)參數(shù).在伴流溫度固定后，根據(jù)所需燃料速度和空氣伴流速度，結(jié)合流體密度與流通面積計(jì)算得到各自所需質(zhì)量流量.在質(zhì)量流量計(jì)(0.1% Fs)的精確控制下，射入反應(yīng)段的燃料和空氣流速即為所需速度.

表1 實(shí)驗(yàn)中空氣伴流和燃料射流參數(shù)Tab.1 Fuel jet and air coflow parameters used in the experiment

考慮到自著火對(duì)溫度非常敏感，在自著火實(shí)驗(yàn)前，會(huì)讓高溫空氣在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)持續(xù)流動(dòng)1 h，使系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，伴流溫度 Tcoflow的波動(dòng)在±1 ℃以內(nèi).同時(shí)，為了減小石英管內(nèi)流動(dòng)方向的溫降，本實(shí)驗(yàn)采用雙層抽真空石英管以減少熱損失，石英管長(zhǎng)0.6 m，內(nèi)徑25 mm.經(jīng)測(cè)量，當(dāng)燃料管出口處伴流溫度Tcoflow＝ 570 ℃時(shí)，下游300 mm 內(nèi)溫度衰減小于12 ℃，石英管中空氣伴流散熱極少.

1.2 測(cè)量方法

1.2.1 動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)

動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)也被稱為聲學(xué)信號(hào)，是研究不穩(wěn)定火焰的重要測(cè)量手段.本實(shí)驗(yàn)中動(dòng)態(tài)壓力傳感器(PCB-112A22)的頻率測(cè)量范圍0.5～250 000 Hz，壓力測(cè)量上限為345 kPa，靈敏度為14.5 mV/kPa，響應(yīng)時(shí)間小于2μs.實(shí)驗(yàn)中采樣率被設(shè)為22 050 Hz，遠(yuǎn)高于不穩(wěn)定自著火頻率，根據(jù)Nyquist 采樣定理，該采樣頻率下，傳感器可以測(cè)量到真實(shí)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)，避免信號(hào)重疊.此外，由于雙層抽真空石英管側(cè)壁無法安裝傳感器，且考慮到傳感器的工作溫度低于135 ℃，本研究在燃料管出口上游10 mm 不銹鋼側(cè)壁處外接了一根不銹鋼管，與動(dòng)態(tài)壓力傳感器通過三通接頭連接，三通接頭另一端與半無限長(zhǎng)管連接以降低聲波反射對(duì)信號(hào)測(cè)量的影響，此外也通過標(biāo)準(zhǔn)聲源對(duì)傳感器進(jìn)行了校正.

自著火核的生成類似于微小爆炸，會(huì)造成壓力脈動(dòng)[6].當(dāng)空氣伴流參數(shù)和燃料射流參數(shù)不變時(shí)，周期性自著火產(chǎn)生的壓力信號(hào)近似為平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，即隨機(jī)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間變化.典型自著火壓力脈動(dòng)時(shí)域信號(hào)如圖2(a)所示，每個(gè)壓力峰對(duì)應(yīng)一個(gè)火核生成，通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)壓力峰值數(shù)量可以得到自著火頻率[19].

圖2 典型自著火壓力脈動(dòng)信號(hào)Fig.2 Pressure pulsation signal of typical autoignition

此外，幅度譜可用于描述壓力脈動(dòng)幅度在頻域內(nèi)的分布特性，可以直觀地展示不穩(wěn)定特征頻率及對(duì)應(yīng)的幅度.通過使用Welch 的平均周期圖法(Matlab 的PSD 函數(shù))可以計(jì)算得到功率譜，然后使用縮放公式計(jì)算得到幅度和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到幅度譜，如圖2(b)所示.橫軸為頻率，縱軸為幅度均方根值.在本研究中，通過峰值數(shù)和幅度譜計(jì)算得到的自著火頻率誤差在1.25%以內(nèi)，表明可以通過幅度譜對(duì)自著火頻率特性進(jìn)行分析.

1.2.2 高速圖像

高速圖像是研究自著火核產(chǎn)生和生長(zhǎng)規(guī)律最直觀的手段.本實(shí)驗(yàn)采用的高速攝像機(jī)為 Phantom V210，在176×624 分辨率的圖像下最高拍攝頻率為12 000 Hz.通過分析高速圖像可以得到一定時(shí)間內(nèi)火核產(chǎn)生和熄滅的次數(shù)，觀測(cè)火核的成長(zhǎng)和熄滅過程.自著火頻率也可以由單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)自著火核的數(shù)量得到，該方法可以進(jìn)一步驗(yàn)證由動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)測(cè)得的自著火頻率.

2 結(jié)果討論

2.1 不穩(wěn)定自著火類型

當(dāng)燃料射入高溫伴流后會(huì)發(fā)生自著火.固定燃料摩爾分?jǐn)?shù)和伴流參數(shù)，在不同燃料射流速度Ujet下可以觀測(cè)到2 種不穩(wěn)定自著火行為.圖3 展示了數(shù)碼相機(jī)觀測(cè)得的伴流溫度Tcoflow＝570 ℃、伴流速度Ucoflow＝20 m/s、燃料摩爾分?jǐn)?shù)Xf＝0.28 工況下的不穩(wěn)定自著火.當(dāng)燃料以相對(duì)較高的速度(Ujet＞7 m/s)噴入，自著火核在一定高度處隨機(jī)產(chǎn)生、熄滅，呈明亮藍(lán)色，并伴有聲壓級(jí)為40～70 dB 的噪聲，這種不穩(wěn)定自著火被稱為隨機(jī)著火[6]，如圖3(b)所示.當(dāng)燃料噴入的速度降低(Ujet＜7 m/s)，自著火核產(chǎn)生后會(huì)發(fā)生回火，火焰附著在燃料管口形成擴(kuò)散燃燒，呈明亮的黃色，如圖3(a)所示.

圖3 不穩(wěn)定自著火類型Fig.3 Types of autoignited flames

在實(shí)際運(yùn)行中燃料流量波動(dòng)或燃燒室內(nèi)壓力波動(dòng)都有可能造成燃料射流速度短暫降低，發(fā)生回火形成附著火焰，燒毀燃料噴嘴或預(yù)混段.因此，本研究將自著火由隨機(jī)著火轉(zhuǎn)變?yōu)楦街鹧娴呐R界燃料射流速度定義為回火速度Ufb，首先研究回火過程以及影響回火速度的主要因素.其次，對(duì)于隨機(jī)著火，盡管它不會(huì)發(fā)生回火燒毀燃料噴嘴，但其產(chǎn)生的中低頻壓力脈動(dòng)將影響燃燒室燃燒穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[13]，故主要關(guān)注頻率特征.

2.2 回火過程及機(jī)理分析

當(dāng)燃料射流速度較低時(shí)，不穩(wěn)定自著火表現(xiàn)為自著火后回火形成的附著火焰.回火速度可以表征發(fā)生回火的難易程度，是研究回火現(xiàn)象的重要參數(shù)，有助于分析自著火條件下燃燒射流-空氣伴流的回火機(jī)理.

圖4 展示了自著火條件下回火速度Ufb隨燃料摩爾分?jǐn)?shù)Xf的變化情況，Ufb隨Xf的近似線性增加，增加速率在Xf＞0.32 后略有放緩.從圖4(a)可以看出伴流溫度的增加對(duì)Ufb有明顯提升作用，伴流溫度每增加10 ℃會(huì)導(dǎo)致Ufb平均增加約1.4 m/s，即高伴流溫度下，回火可以在更高射流速度下發(fā)生.由圖4(b)可知，高伴流速度會(huì)導(dǎo)致Ufb變小，即對(duì)回火有抑制作用，但伴流速度每增加4 m/s 僅能使Ufb平均減少約0.23 m/s.因此，相比伴流速度對(duì)回火的抑制，伴流溫度對(duì)回火的促進(jìn)效果更明顯，即化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素對(duì)回火速度的影響更大.

圖4 回火速度與燃料摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between flashback speed and fuel mole fraction

為了進(jìn)一步確認(rèn)主導(dǎo)回火過程的因素，本研究采用高速攝像機(jī)以12 000 Hz 的頻率對(duì)典型回火過程進(jìn)行了拍攝.圖5 展示了 Ucoflow＝20 m/s、Tcoflow＝570 ℃、Xf＝0.32 條件下回火過程的高速圖像，單張圖片曝光時(shí)間為50μs.序號(hào)1～20 是從回火過程的原始圖像序列中每隔4 張取出的圖像，即圖像1 和圖像2 的時(shí)間間隔約為333.3μs.圖像1 的上一時(shí)刻為黑暗狀態(tài)，圖像1～2 展示了2 個(gè)初始自著火核的生成與成長(zhǎng).圖像3 中有一個(gè)新火核在初始火核的上游生成，經(jīng)一段時(shí)間后在圖像4 的時(shí)刻與初始火核合并成為一個(gè)更大的燃燒區(qū)域.在圖像5～9 中，該燃燒區(qū)域逐漸擴(kuò)展并釋放更強(qiáng)熱輻射.受燃燒區(qū)域的影響，圖像 10 中有一個(gè)火核在更上游的地方生成.在圖像11～14 中，火核長(zhǎng)大且同時(shí)向上游和下游擴(kuò)展，首先與下游燃燒區(qū)域合并.根據(jù)圖像15～20，火焰沿燃料射流邊界(燃料和空氣的混合界面)逐漸向上游傳播，最終附著到燃料管口形成附著火焰.

圖5 自著火條件下回火過程Fig.5 Flashback process under autoignition condition

根據(jù)圖5，自著火條件下回火過程可被分為3 個(gè)階段：初始火核生成(圖像1～2)、上游火核生成(圖像3～10)、火焰區(qū)域擴(kuò)展(圖像11～20).第1階段中，自著火核在最具反應(yīng)性混合分?jǐn)?shù)、低標(biāo)量耗散率的區(qū)域產(chǎn)生[10]；第2階段中，因自著火化學(xué)過程對(duì)溫度十分敏感[22-23]，受下游燃燒區(qū)域熱輻射影響，盡管燃料微團(tuán)尚未運(yùn)動(dòng)到第1 階段所述的區(qū)域，在更強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)下也可以在更上游的位置形成火核；第3 階段中，燃燒區(qū)域向上游的擴(kuò)展是形成附著火焰的關(guān)鍵過程，此時(shí)火焰沿著近似化學(xué)計(jì)量混合分?jǐn)?shù)等值線向上游傳播，火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥诰植苛鲃?dòng)速度是回火發(fā)生的必要條件.

為進(jìn)一步確認(rèn)火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)回火過程的影響，本研究通過CHEMKIN 計(jì)算得到不同Tcoflow和Xf下的化學(xué)計(jì)量層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L,st，將圖4(a)中不同伴流溫度下回火速度Ufb和SL,st擬合得到圖6.結(jié)果表明，不同伴流溫度下回火速度可擬合為一條相關(guān)系數(shù)R2＝0.941 的直線，說明火焰?zhèn)鞑ニ俣群途植苛鲃?dòng)速度的相對(duì)大小是影響回火的主導(dǎo)因素，擬合線左上方即不會(huì)發(fā)生回火的區(qū)域，擬合線右下方即會(huì)發(fā)生回火的區(qū)域.因此，與經(jīng)典回火理論相同，自著火條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣纫廊皇菦Q定回火的重要參數(shù).

圖6 回火速度與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系Fig.6 Correlation of flashback speed and laminar flame propagation speed

2.3 隨機(jī)著火動(dòng)態(tài)特征分析

當(dāng)燃料射流速度較高時(shí)，不穩(wěn)定自著火表現(xiàn)為隨機(jī)著火.本節(jié)通過動(dòng)壓壓力信號(hào)和高速圖像對(duì)隨機(jī)著火頻率特征及其主要影響因素進(jìn)行了分析.圖7對(duì)比了Tcoflow＝570 ℃、Ucoflow＝20 m/s、Ujet＝12 m/s條件下附著火焰與隨機(jī)著火(Xf為0.3、0.32、0.34)的幅度譜，結(jié)合圖2(b)隨機(jī)著火與背景噪聲的幅度譜對(duì)比可知，相比于附著火焰通過高溫火焰燒蝕噴嘴對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生危害，隨機(jī)著火通過不同頻率的壓力脈動(dòng)對(duì)燃燒室組件產(chǎn)生影響.

圖7 附著火焰與隨機(jī)著火幅度譜對(duì)比Fig.7 Amplitude spectrums of attached flame and random spots

根據(jù)圖7 可知，隨機(jī)著火壓力脈動(dòng)信號(hào)在頻域上存在兩個(gè)功率密度峰(幅度＞10 Pa，對(duì)系統(tǒng)影響相對(duì)較大)，其特征頻率分別位于 40～50 Hz、400～450 Hz 內(nèi)，前者屬于低頻振蕩，易對(duì)旋流器、噴嘴造成損害，后者屬于中頻振蕩，易導(dǎo)致燃燒室及下游結(jié)構(gòu)疲勞損壞[13].因此，探究功率密度峰產(chǎn)生的原因和影響頻率的因素對(duì)控制不穩(wěn)定自著火行為有重要意義.

此外，圖7 中存在兩個(gè)值得關(guān)注的現(xiàn)象.首先，當(dāng)Xf＜0.34 時(shí)，隨機(jī)著火的幅度譜存在2 個(gè)明顯的特征峰.當(dāng)Xf＝0.34 時(shí)，低頻特征峰幅度明顯下降，低于10 Pa，對(duì)于Xf＞0.34 的工況，低頻特征峰幅度也趨于消失，此處以Xf＝0.34 為例展示.其次，相比Xf＝0.3 工況下的隨機(jī)著火，Xf＝0.32 工況下兩個(gè)特征頻率以及特征峰幅度都隨著燃料摩爾分?jǐn)?shù)的增加而增加.但當(dāng)Xf＝0.34 時(shí)，高頻特征峰幅度有增加，但其特征頻率卻從441.5 Hz 降低到了423.6 Hz.

為了對(duì)上述現(xiàn)象深入了解，本研究通過高速攝像機(jī)以12 000 Hz 的頻率對(duì)Tcoflow＝570 ℃、Ucoflow＝20 m/s、Ujet＝12 m/s 下Xf＝0.30 和Xf＝0.34 的隨機(jī)著火過程進(jìn)行了觀測(cè)，并將單張圖像(曝光時(shí)間為50μs)按時(shí)間排列得到圖8 和圖9.對(duì)于圖8 中Xf＝0.30 的隨機(jī)著火，3 組自著火間歇出現(xiàn)，組與組之間為無火核黑暗圖像，組與組之間平均時(shí)間間隔為22.7 ms，單個(gè)自著火組平均持續(xù)9.2 ms.這種自著火組間歇出現(xiàn)的現(xiàn)象尚未見前人報(bào)道，可能是因?yàn)榍叭说膶?shí)驗(yàn)工況僅關(guān)注Xf＞0.6 的工況[7].本文中，自著火組周期出現(xiàn)的頻率被命名為間歇頻率，用fj表示.

圖8 Xf＝0.30 時(shí)隨機(jī)著火高速圖像Fig.8 High-speed images of random spots at Xf＝0.30

圖9 Xf＝0.34 時(shí)隨機(jī)著火高速圖像Fig.9 High-speed images of random spots at Xf＝0.34

此外，單個(gè)組內(nèi)平均約發(fā)生4～6 次自著火，火核產(chǎn)生位置高度近似不變，自著火周期發(fā)生的頻率被命名為自著火頻率，用fign表示.圖8 中的單個(gè)圖像為各個(gè)自著火核完全形成時(shí)刻的圖像，可以發(fā)現(xiàn)自著火核既可以獨(dú)自產(chǎn)生，也可以在上個(gè)自著火核并未被完全淬熄的情況下產(chǎn)生，且新自著火核的位置與舊火核間的距離較近，該距離一般小于一個(gè)成熟火核直徑.另一方面，這兩種方式產(chǎn)生的新火核與上一個(gè)火核之間的時(shí)間間隔近似相同.

圖9 展示了Xf＝0.34 的隨機(jī)著火高速圖像.圖9左側(cè)部分展示了單個(gè)自著火核的生長(zhǎng)和淬滅過程，單張圖像之間間隔1/12 000 s，整個(gè)自著火核生命周期為0.833 ms.自著火核在0 ms 的時(shí)刻首次出現(xiàn)，而后以近似球形薄殼的火焰面向四周傳播，同時(shí)火核也被氣流推向下游位置.在0.333 ms，球形火焰面分裂為上下兩部分，上部火焰與流動(dòng)同向，向下游傳播并迅速熄滅.下部火焰向上游傳播在來流的作用下與燃料噴嘴的相對(duì)位置近似保持不變，且因來流中有反應(yīng)物補(bǔ)充，下部火焰存在的時(shí)間長(zhǎng)于上部火焰.

圖9 右側(cè)部分展示了連續(xù)自著火核產(chǎn)生的圖像，圖像間為被省略的無火核黑暗圖像，自著火之間的時(shí)間間隔約為2.37 ms.對(duì)比圖8 和圖9，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)Xf＝0.34 時(shí)，不存在自著火組，間歇性消失，自著火核連續(xù)出現(xiàn).此時(shí)根據(jù)高速圖像計(jì)算得到的fign為421.94 Hz，與圖7 中Xf＝0.34 工況的高頻峰特征頻率近似重合.

此外，通過高速圖像時(shí)間間隔的計(jì)算得到當(dāng)Xf＝0.28 時(shí)，fj＝44.87 Hz(fj為隨機(jī)著火間歇頻率)，fign＝422.61 Hz，此時(shí)根據(jù)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)幅度譜得到的低頻峰特征頻率為43.75 Hz，高頻峰特征頻率為424.8 Hz.因此，幅度譜中低頻峰特征頻率可以表征自著火組間歇頻率，而高頻峰特征頻率可以表征自著火頻率，且隨著燃料摩爾分?jǐn)?shù)Xf增長(zhǎng)到0.34，隨機(jī)著火的間歇性消失.

根據(jù)圖10，可以更清晰地看到隨機(jī)著火間歇頻率fj和自著火頻率fign隨燃料摩爾分?jǐn)?shù)Xf的變化.圖中Ujet＝12 m/s，Ucoflow＝20 m/s，Tcoflow＝570 ℃.圖10 也將不同Xf下通過動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)和高速圖像得到的頻率值進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，fign的最大差異為8.2%，fj的最大差異為5.3%，盡管存在一定偏差但兩者趨勢(shì)一致，均可以反映隨機(jī)著火動(dòng)態(tài)特性.此外，通過動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)得到的頻率普遍略高于高速攝像，可能是由于自著火核并不是全部在石英管的中心軸線上產(chǎn)生.因?yàn)楦咚贁z像機(jī)僅能敏感捕捉其對(duì)焦平面上的圖像，進(jìn)而遺漏少量位于對(duì)焦平面外且見亮度較低的火核，由此導(dǎo)致通過高速圖像得到的頻率值偏低.

圖10 不同燃料摩爾分?jǐn)?shù)下動(dòng)態(tài)壓力頻率測(cè)量與高速攝像頻率測(cè)量對(duì)比Fig.10 Frequency of random spots measured by pressure pulsation signal and high-speed images

圖10 中，在Xf＝0.34 兩側(cè)，fj和fign都隨著燃料摩爾分?jǐn)?shù)Xf增加而近似線性增加，說明Xf會(huì)增強(qiáng)隨機(jī)著火強(qiáng)度.對(duì)于當(dāng)Xf從0.32 增加到0.34，fj消失，fign降低這一現(xiàn)象，可從能量守恒的角度分析.當(dāng)隨機(jī)著火間歇性存在時(shí)，固定時(shí)段內(nèi)存在近一半的無自著火核時(shí)刻，反應(yīng)物在剩余時(shí)段內(nèi)被消耗發(fā)生自著火；當(dāng)隨機(jī)著火間歇性不存在時(shí)，不存在長(zhǎng)時(shí)段的無自著火時(shí)刻，反應(yīng)物可以在全時(shí)段內(nèi)發(fā)生自著火，故著火頻率下降.考慮到燃料濃度增加，因此自著火頻率在間歇性消失后略有下降是合理的.但由于本研究測(cè)量分析手段有限，無法對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行定量分析.

燃料摩爾分?jǐn)?shù)的增加既可以加快自著火區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，也可以改變?nèi)剂辖M分場(chǎng)，確定哪種是導(dǎo)致間歇性消失的主要因素對(duì)理解不穩(wěn)定自著火行為有重要意義.

對(duì)于前者，可以認(rèn)為混合時(shí)間遠(yuǎn)小于化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，即在燃料到達(dá)自著火區(qū)域前就已經(jīng)形成了足夠多的最具反應(yīng)性混合分?jǐn)?shù)的反應(yīng)物微團(tuán)，但由于化學(xué)反應(yīng)較慢，無法快速形成自著火所需要的前驅(qū)體自由基濃度，阻礙自著火的發(fā)生[18,24-25].因此，當(dāng)Xf較低時(shí)，第1 組自著火將區(qū)域內(nèi)前驅(qū)體自由基消耗盡后，受反應(yīng)物濃度、溫度決定的自由基生成速率暫時(shí)低于湍流拉伸導(dǎo)致的自由基耗散速率，產(chǎn)生了間歇時(shí)段，隨著反應(yīng)物補(bǔ)充或溫度回升再次形成前驅(qū)體自由基區(qū)域，引發(fā)自著火.

對(duì)于后者，可以認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于混合時(shí)間，只要組分場(chǎng)內(nèi)燃料混合分?jǐn)?shù)能達(dá)到最具反應(yīng)性混合分?jǐn)?shù)就可以發(fā)生自著火[2,26].因此，當(dāng)Xf較低時(shí)，第1 組自著火將區(qū)域內(nèi)最具反應(yīng)性混合分?jǐn)?shù)的反應(yīng)物微團(tuán)消耗盡后，因混合時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，新的反應(yīng)物微團(tuán)還未形成，需要時(shí)間積累，造成低Xf隨機(jī)著火具有間歇性.

為了確定影響間歇性的主要控制因素，本研究通過保持其他參數(shù)不變，僅改變伴流溫度Tcoflow或伴流速度Ucoflow，獲得了圖11 和圖12 的隨機(jī)著火幅度譜圖像.同時(shí)為了更清晰地凸出間歇性的變化，燃料摩爾分?jǐn)?shù)濃度被設(shè)為Xf＝0.32.在這里，改變Tcoflow可以在不影響燃料組分場(chǎng)的情況下增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，增強(qiáng)自由基的生成速率；改變Ucoflow可以通過改變流場(chǎng)影響混合時(shí)間，同時(shí)通過湍流度改變自由基的耗散速率.

圖11 伴流溫度對(duì)隨機(jī)著火幅度譜的影響Fig.11 Amplitude spectrums of random spots at different Tcoflow

圖12 伴流速度對(duì)隨機(jī)著火幅度譜的影響Fig.12 Amplitude spectrums of random spots at different Ucoflow

圖11 中，Xf＝0.32，Ujet＝14 m/s，Ucoflow＝20 m/s，根據(jù)圖11，當(dāng)隨機(jī)著火Tcoflow等于560 ℃和570 ℃時(shí)，幅度譜存在低頻峰，即隨機(jī)著火存在間歇性，且間歇頻率fj和自著火頻率fign都隨著Tcoflow增加而增加.當(dāng)Tcoflow＝580 ℃時(shí)，幅度譜低頻峰消失，高速圖像結(jié)果也在顯示間歇性消失.上述結(jié)果表明，在不改變?nèi)剂辖M分場(chǎng)的情況下增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)同樣可以改變隨機(jī)著火的間歇性.

圖12 中，Xf＝0.32，Ujet＝14 m/s，Tcoflow＝570 ℃，根據(jù)圖12，當(dāng)隨機(jī)著火Ucoflow等于14 m/s 和18 m/s時(shí)，隨機(jī)著火不存在間歇性，間歇頻率fj和自著火頻率fign都隨著Ucoflow增加而降低.當(dāng)Ucoflow增加到22 m/s 和26 m/s，隨機(jī)著火間歇性出現(xiàn)，fj和fign進(jìn)一步降低.根據(jù)同軸射流理論[27-28]，當(dāng)Ucoflow＞Ujet，Ujet固定為14 m/s，Ucoflow增加將導(dǎo)致混合時(shí)間變短.但圖12 的結(jié)果表明Ucoflow增加到22 m/s 和26 m/s(混合變好)反而導(dǎo)致了間歇性的出現(xiàn)，因此燃料組分場(chǎng)不是影響隨機(jī)著火間歇性的決定性因素.相反，低Ucoflow下較低的自由基耗散率可以避免間歇性，同時(shí)提升自著火頻率.因此，由化學(xué)反應(yīng)和湍流耗散決定的自著火區(qū)域自由基濃度是決定隨機(jī)著火間歇性的主要因素.具體而言，當(dāng)Xf較低時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度較低，自著火生成位置處自由基消耗快于自由基團(tuán)生成，當(dāng)一組自著火發(fā)生后降低了局部自由基濃度，需要一段時(shí)間積累后方可發(fā)生自著火.隨著Xf升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快，局部自由基生成速率大于消耗速率，使自著火無需間歇即可連續(xù)產(chǎn)生，造成fj不可測(cè)量.

本研究也探究了射流速度對(duì)隨機(jī)著火頻率特征的影響，如圖13 所示.圖13 中，Xf＝0.32，Ucoflow＝20 m/s，Tcoflow＝570 ℃.隨著Ujet增加，間歇頻率fj和自著火頻率fign都先增加后維持不變，最后迅速下降.首先，圖13 中Ujet增加導(dǎo)致混合時(shí)間的改變并不會(huì)導(dǎo)致間歇性消失；其次，當(dāng)Ujet在12～20 m/s 內(nèi)，fj和自著火頻率fign都近似不變，表明當(dāng)伴流參數(shù)和燃料濃度固定時(shí)，流場(chǎng)對(duì)隨機(jī)著火頻率特征影響較小，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是影響隨機(jī)著火動(dòng)態(tài)特性的主要因素.最后，當(dāng)Ujet過高，此時(shí)自著火延遲時(shí)間和反應(yīng)物停留時(shí)間難以平衡，自著火生成被強(qiáng)烈抑制，造成fj和fign迅速下降.

圖13 燃料射流速度對(duì)隨機(jī)著火頻率的影響Fig.13 Amplitude spectrums of random spots at different Ujet

3 結(jié)論

本文通過高溫自著火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究了氮?dú)庀♂尩娜剂仙淙敫邷乜諝獍榱骱蟮牟环€(wěn)定自著火行為，包括自著火條件下的回火和隨機(jī)著火兩種行為.實(shí)驗(yàn)通過動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)和高速圖像研究了燃料摩爾分?jǐn)?shù)、射流速度、伴流溫度和伴流速度對(duì)不穩(wěn)定自著火行為的影響，得到以下結(jié)論：

(1)燃料射流-高溫空氣伴流中存在兩種不穩(wěn)定自著火.自著火引發(fā)的回火通過燒蝕燃料噴嘴產(chǎn)生危害，隨機(jī)著火通過壓力脈動(dòng)對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害.

(2)自著火核通過火焰?zhèn)鞑ハ蛏嫌蔚臄U(kuò)展是導(dǎo)致自著火條件下回火的主要原因，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群途植苛鲃?dòng)速度的相對(duì)大小對(duì)回火起主導(dǎo)作用.

(3)通過動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)和高速圖像分析發(fā)現(xiàn)，在較低燃料摩爾分?jǐn)?shù)時(shí)，隨機(jī)著火幅度譜存在兩個(gè)功率密度峰，低頻峰對(duì)應(yīng)隨機(jī)著火的間歇性，高頻峰對(duì)應(yīng)自著火頻率特征.通過對(duì)比不同伴流溫度和伴流速度下的幅度譜證明，隨機(jī)著火的間歇性由化學(xué)反應(yīng)和湍流耗散決定的自著火區(qū)域自由基濃度主導(dǎo).

(4)在不考慮間歇性的情況，增加燃料摩爾分?jǐn)?shù)、伴流溫度對(duì)自著火頻率有提升作用，增加伴流速度會(huì)降低自著火頻率.在自著火未被吹熄的工況下，燃料射流速度對(duì)隨機(jī)著火頻率影響較小.