多孔介質(zhì)穩(wěn)壘機理及預混火焰動力學失穩(wěn)研究

多孔介質(zhì)穩(wěn)壘機理及預混火焰動力學失穩(wěn)研究

以預混合燃燒和預混合火為代表的預混合和半預混合燃燒技術是現(xiàn)代先進機車裝置中最具潛力的低nox燃燒技術。在預混合燃燒系統(tǒng)中，燃燒場景遠偏離化學合適的比，助燃空氣過度多。因此，預混合火焰的動態(tài)穩(wěn)定性很差，火焰對前線參數(shù)的變化、化學等量比變化和額外干擾非常敏感。特別是在封閉的燃燒中，很容易觸發(fā)熱耦合噪聲，導致火焰的動態(tài)無序，并在嚴重的情況下破壞燃燒的結構。火焰的熱容量振動是阻礙預混合燃燒技術推廣應用的中心問題。經(jīng)多年研究之后,各國學者對于熱聲耦合振蕩的誘發(fā)機理已取得基本共識,即在近乎完全封閉的燃燒室內(nèi),初始壓力振蕩得不到有效的衰減,并且燃燒釋熱量比振蕩耗散能量大得多;當脈動的火焰熱釋放與燃燒室內(nèi)聲壓振動發(fā)生激振時,就會形成熱聲耦合振蕩,上述機理可用瑞利準則進行描述,即對于貧燃預混火焰,在溫度高于1400K的區(qū)域就可以檢測到羥基,非平衡態(tài)的羥基主要產(chǎn)生于火焰前鋒附近,因此,可用非平衡態(tài)羥基區(qū)域來標示火焰面,目前,分析火焰熱釋放的常規(guī)方法是利用PLIF對預混火焰內(nèi)部的羥基分布進行診斷.但是,PLIF所使用的ICCD相機楨頻僅為10Hz左右,難以直接采集以數(shù)百赫茲頻率振蕩的火焰圖像,所以,其觸發(fā)方式多采用相位延遲法,即以麥克風采集的壓力振蕩信號為依據(jù),在多個壓力振蕩周期的不同相位采集很多楨羥基圖像,然后將同一相位的圖像進行疊加,得到一個壓力振蕩周期內(nèi)的羥基分布變化.盡管這種方法可以精確確定火焰面所在的位置,但在一個壓力振蕩周期內(nèi)的火焰面卻并不呈現(xiàn)規(guī)律的周期性變化.誘發(fā)預混火焰熱聲耦合振蕩的因素眾多,且影響規(guī)律十分復雜.對于旋流燃燒而言,渦旋進動導致火焰前鋒發(fā)生前后移動,當漩渦從火焰面分離或脫落時,火焰前鋒將被撕裂,火焰表面積增大,壓力振蕩幅值達到最大.Venkataraman等認為噴嘴結構和旋流穩(wěn)焰器位置是影響火焰振蕩的主要原因,而歸根結底還是流速、旋流強度、湍流強度及漩渦脫落等的變化使化學反應時間發(fā)生周期性振蕩.Meier等則發(fā)現(xiàn),化學當量比尤其是局部化學當量比的脈動,是誘發(fā)火焰振蕩的主要原因,因此,強化混合均勻度可提高火焰的動力學穩(wěn)定性.而Paschereit等認為,燃油霧化與蒸發(fā)過程對預混預蒸發(fā)燃燒振蕩的影響十分顯著.為了深入了解預混火焰熱聲不穩(wěn)定性的誘發(fā)機理,本文利用振動噪聲分析儀和高速攝像儀等設備對多孔介質(zhì)穩(wěn)焰的半預混火焰和貧燃預混火焰的動力學失穩(wěn)過程進行了研究與分析,并探討了利用高速攝像分析火焰熱釋放脈動的可行性.1實驗裝置與設備實驗系統(tǒng)如圖1所示,減壓后的液化石油氣經(jīng)干燥器和流量計進入預混室;壓縮空氣經(jīng)空氣冷卻器、除油過濾器、除塵過濾器和質(zhì)量流量控制器進入預混室;預混室的壁面上設有多個徑向孔和切向孔,作為聲頻分析探頭安裝孔和二次空氣入口;燃燒室為直徑180mm的石英玻璃管;預混室與燃燒室之間是多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器,其空隙率為59%,六邊形直孔,孔邊長為2mm;燃燒產(chǎn)物經(jīng)煙道排出.實驗裝置實物照片參見文獻.燃燒室設計熱負荷為2.0kW,實驗過程中,熱負荷維持在1.3～1.8kW,化學當量比Φ為0.81～1.24;利用TESTO454多功能測試儀進行流速測量,利用CAMWARE高速攝像儀分析火焰結構和火焰脈動頻率,SQLABII振動噪聲分析儀則用于進行預混室、燃燒室內(nèi)的聲壓頻譜分析.2穩(wěn)定的預混火焰圖2為貧燃預混火焰照片.圖2(a)所示旋流火焰的穩(wěn)定性主要取決于入口氣流旋流強度以及剪切邊界層內(nèi)的渦旋進動情況.圖2(b)所示穩(wěn)定在多孔介質(zhì)上的直流火焰的穩(wěn)焰機理則完全不同.多孔介質(zhì)對流過其內(nèi)部的預混可燃氣具有整流、梳理作用,各個小孔的出口流速iu基本相同,且流向一致,因此,火焰能否穩(wěn)定在多孔介質(zhì)表面,完全取決于瞬時流速ui與當?shù)鼗鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萐之間的動態(tài)平衡關系.對于利用多孔介質(zhì)穩(wěn)定火焰的燃燒裝置,須在燃氣流量較小、熱負荷較低的情況下點火啟動,其原因在于點火過程中多孔介質(zhì)尚處于冷態(tài),溫度較低、火焰?zhèn)鞑ニ俣萐較小,若預混可燃氣流速過高,將導致火焰吹脫;多孔介質(zhì)的孔徑很小,壁面猝熄效應強烈,因此,回火不易發(fā)生.當多孔介質(zhì)被加熱后,高溫多孔介質(zhì)本身充當了穩(wěn)定的點火源,可燃預混氣在流經(jīng)多孔介質(zhì)的過程中,被預熱、點燃,此時,由于火焰?zhèn)鞑ニ俣萐顯著增大,預混火焰可在較高的熱負荷下保持穩(wěn)定.貧燃預混條件下,多孔介質(zhì)表面每個小孔的出口都會形成一個小尺度的錐形火焰,這些小火焰將進一步組合成為一個大尺度錐形火焰,穩(wěn)定的貧燃預混火焰如圖2(b)所示.熱負荷W=0.35kW時,多孔介質(zhì)出口雷諾數(shù)較小,形成層流預混火焰;此時,進入預混室的燃料和空氣均遠遠低于設計流量,流速較低,兩者的混合均勻度較差,盡管助燃空氣過剩較多,但仍有部分燃料因局部缺氧而發(fā)生熱分解,這些熱分解產(chǎn)物穿透動力火焰前鋒,形成桔黃色尾焰.在湍流狀態(tài)下,燃料/空氣混合均勻度大大提高,穩(wěn)定在多孔介質(zhì)表面的是藍色的湍流火焰,其主燃區(qū)內(nèi)化學反應強烈,絕大部分燃料在此區(qū)域內(nèi)燃盡;但在湍流脈動作用下,仍有一些未燃盡的可燃預混氣渦團穿過動力火焰前鋒,繼續(xù)著火、燃燒,形成藍色透明尾焰.在化學恰當比附近(Φ=0.96),多孔介質(zhì)表面是穩(wěn)定的動力火焰前鋒,火焰形狀類似于平面火焰,少量燃料因局部缺氧發(fā)生熱分解,形成黃色椎狀尾焰.Φ>1.0時,形成半預混貧氧火焰,因整體缺氧,熱分解反應愈發(fā)強烈,黃色尾焰長度有所增大;Φ<1.0時,形成貧燃預混火焰,動力燃燒反應強烈,黃色尾焰消失.但是,當Φ提高或降低到一定程度時,預混火焰將發(fā)生動力學失穩(wěn),如圖3所示.貧氧條件下,火焰失穩(wěn)機理可利用Law提出的火焰拉伸理論進行描述.本文研究的多孔介質(zhì)表面火焰類似于管口火焰,其預混氣流軸向速度是逐漸衰減的,故火焰拉伸率K′<0;并且,無量綱數(shù)Le<1,即燃燒反應過程中反應物質(zhì)量擴散所提供的能量小于通過熱傳導作用而損失的熱量.因此,其火焰?zhèn)鞑ニ俣萐t將低于絕熱火焰?zhèn)鞑ニ俣萐t0,故火焰頂部處于熄火狀態(tài).當Φ≥1.24時,預混可燃氣中氧氣嚴重不足,燃燒反應放熱量有所減小,而產(chǎn)物帶走的熱量則有所提高,多孔介質(zhì)溫度將會降低,不再能夠?qū)⑿迈r的預混可燃氣點燃,一旦失去穩(wěn)定的點火源,火焰將徹底熄滅.貧燃預混火焰的失穩(wěn)機理則有所不同.此時,K′<0,Le>1,其火焰?zhèn)鞑ニ俣萐t大于絕熱火焰?zhèn)鞑ニ俣萐t0,預混火焰頂部屬于加強的燃燒.當Φ≤0.81時,空氣嚴重過剩,出口流速ui提高,而火焰?zhèn)鞑ニ俣萐t則有所降低,兩者之間的平衡關系將被破壞,造成火焰抬升.同時,湍流強度的提高可能使某些區(qū)域的局部化學當量比接近貧燃熄火極限,從而誘發(fā)局部猝熄,熄滅的可燃物微團在沖破動力火焰前鋒后,重新被點燃或直接發(fā)生熱分解,形成黃色尾焰.因此,多孔介質(zhì)貧燃預混火焰的動力學失穩(wěn)過程,是一個吹熄的過程.3熱聲耦合與聲壓振蕩的關系當預混火焰發(fā)生動力學失穩(wěn)時,火焰表面積將呈現(xiàn)明顯的周期性變化,不完全燃燒產(chǎn)物顯著提高,熱分解現(xiàn)象愈發(fā)明顯;同時,燃燒噪聲增強,燃燒室內(nèi)將出現(xiàn)低頻的壓力振蕩,在某些頻率下,壓力振蕩幅值大幅度提高,形成熱聲耦合振蕩,造成火焰熄滅.文獻利用振動噪聲分析儀,對貧氧預混火焰熱聲耦合振蕩發(fā)生情況下燃燒室內(nèi)的聲場進行了分析,發(fā)現(xiàn)層流火焰聲壓振蕩的特征頻率f=8.33Hz,湍流火焰的聲壓振蕩的特征頻率為9.02Hz,其聲壓級最高幅值均在80dB左右;其聲壓振蕩頻譜如圖4所示.為了深入了解熱聲之間的耦合關系,利用高速攝像儀對火焰形態(tài)的周期性變化規(guī)律進行了分析.當高速攝像的楨頻大于500Hz時,因曝光時間很短,光輻射較弱的火焰動力區(qū)的相關信息嚴重丟失,但通過對尾焰結構變化的分析,依然可以獲得火焰熱釋放的脈動規(guī)律.楨頻1000Hz時的火焰圖像簡化相位分析如圖5所示,所謂簡化相位分析,即通過分析火焰圖像得到火焰的脈動頻率,然后,以火焰熱釋放最強的一張為起點,在一個周期內(nèi)等楨距截取5張火焰圖像,并以之為依據(jù)分析火焰結構的脈動規(guī)律.在貧氧預混情況下,由于多孔介質(zhì)表面的藍色動力反應區(qū)光輻射很弱、黃色尾焰光輻射較強,因此,在攝像機曝光頻率很高的情況下,動力火焰部分在圖像中幾乎分辨不清,圖5(a)和(b)可見的僅僅是尾焰.火焰拉伸效應造成火焰頂部處于熄火狀態(tài),高溫燃燒產(chǎn)物及未燃盡的可燃物從頂部缺口沖出,絕大部分未燃盡的可燃物在高溫缺氧狀態(tài)下發(fā)生熱分解,少數(shù)可燃物繼續(xù)燃燒直至燃盡.尾焰與其周圍靜止氣流之間存在剪切邊界層,由于燃燒產(chǎn)物的速度較高,故誘導出圖示的一對反向漩渦;黏性耗散作用使這對反向漩渦在向下游運動的過程中尺度逐漸增大,并最終在焰尾處脫落.漩渦的生成、發(fā)展和脫落是周期性的,標號1至5是一個周期內(nèi)的火焰形態(tài)變化情況,在圖5(c)的火焰輻射光強度圖片中,漩渦的脫落過程清晰可見.根據(jù)5張圖片的周期計算得到的層流火焰和湍流火焰的漩渦脫落頻率分別為8.34Hz和9.52Hz,與燃燒室內(nèi)的聲壓振蕩特征頻率基本一致.在總體當量比確定的情況下,反應物質(zhì)量擴散提供的總能量相同,當漩渦初生成時,燃燒產(chǎn)物帶走的熱量最少,燃燒室內(nèi)的火焰熱釋放量最大;在漩渦脫落的瞬間,產(chǎn)物帶走的熱量最多,火焰熱釋放量最小.可見,火焰熱釋放隨著漩渦的周期性脫落呈現(xiàn)周期性脈動,且其脈動頻率與聲壓振蕩的頻率相同.在頻率相同的情況下,若火焰熱釋放脈動與聲壓振蕩之間的相位差小于90°,則將發(fā)生熱聲耦合.盡管本文的實驗方法無法直接確定兩者之間的相位關系,但火焰形態(tài)的周期性變化、特征頻率下的高幅聲壓振蕩以及隨之出現(xiàn)的火焰發(fā)生動力學失穩(wěn)并熄滅等種種現(xiàn)象,均表明熱聲之間發(fā)生了耦合,相位關系如圖6所示,圖中的θ是燃燒室馳豫時間(微秒級),這說明火焰熱釋放量Q脈動與聲壓p振蕩幾乎同相.對化學當量比Φ=0.8時的貧燃預混層流火焰和湍流火焰的聲壓振蕩進行了頻譜分析,其聲壓振蕩頻譜如圖7所示.層流火焰發(fā)生振蕩時,發(fā)出低沉的轟鳴聲,其特征頻率f=10.03Hz,聲壓級最高幅值約為80dB;而湍流火焰發(fā)生振蕩時則發(fā)出尖銳的嘯聲,其特征頻率f=127.07Hz,聲壓級最高幅值則高達115dB.不論是層流火焰還是湍流火焰,在其發(fā)生振蕩時,不完全燃燒的程度均有所提高,火焰尤其是尾焰的光輻射強度增強,并隨聲壓振蕩呈現(xiàn)周期性變化.圖8(a)和(b)分別是Φ=0.8貧燃預混層流火焰和湍流火焰的高速攝像直攝圖片(高速攝像楨頻500Hz),由于穩(wěn)定在多孔介質(zhì)表面的動力火焰區(qū)光輻射強度很低,因此在黑白圖片中幾乎無法辨識;而對于尾焰來說,不完全燃燒越嚴重,光輻射越強,圖像就越清晰.在燃料供給穩(wěn)定、通過熱傳導損失熱量基本一致的前提下,火焰釋熱量與燃燒反應的不完全程度成反比,不完全燃燒現(xiàn)象表現(xiàn)得越明顯,則火焰的熱釋放量越小.通過簡化相位分析可以發(fā)現(xiàn),圖8(a)中1號火焰的不完全燃燒程度最弱,火焰熱釋放量最大,而3號火焰的熱釋放量最小;火焰熱釋放的脈動頻率約為10Hz,與聲壓振蕩同頻、同相,兩者的相位關系也可用圖6表示.湍流脈動的影響使燃料/空氣混合均勻度大大提高,即使在湍流火焰發(fā)生振蕩時,不完全燃燒的程度也很小,所以,圖8(b)的湍流火焰直攝圖像分辨率很低.盡管如此,仍可觀察到尾焰內(nèi)存在因局部缺氧而正在發(fā)生熱分解的可燃物微團(即光輻射較強的白色亮點);并且,在熱釋放最小的3號火焰圖片中,多孔介質(zhì)表面也存在較為嚴重的不完全燃燒現(xiàn)象,圖3也證明了這一結論.圖8(c)是對應于8(b)的光輻射強度圖片,從中可見,湍流火焰發(fā)生振蕩時,其火焰熱釋放也呈現(xiàn)周期性的脈動,脈動頻率為127Hz,與聲壓振蕩特征頻率127.07Hz基本一致.與旋流火焰不同,多孔介質(zhì)穩(wěn)焰的貧燃預混火焰內(nèi)不存在周期性的渦漩進動,因此可以推斷,周期性脈動的火焰熱釋放與壓力振蕩之間發(fā)生激振,是誘發(fā)火焰動力學失穩(wěn)的主要原因.圖9和圖10是Stohr等利用OH-PLIF對貧燃旋流預混火焰壓力振蕩和火焰熱釋放脈動的診斷結果,火焰發(fā)生熱聲振蕩時,燃燒室內(nèi)的聲壓振蕩與火焰熱釋放的脈動是頻率相同、相位相近的.本文的研究結果與其結果完全一致,這說明結合振動噪聲分析儀的診斷結果,利用高速攝像儀分析火焰熱釋放的脈動規(guī)律是一種簡單可行的方法.4熱聲導火焰的振動機理(1)多孔介質(zhì)的穩(wěn)焰機理是熾熱的多孔介質(zhì)充當了穩(wěn)定的點火源,而多孔介質(zhì)對預混可燃氣流的整流作用使火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氣流速度之間實現(xiàn)了平衡.對于貧氧預混火焰來說,隨著化學當量比的增大,通過熱傳導損失的熱量將遠遠大于質(zhì)量擴散所提供的能量,多孔介質(zhì)逐漸冷卻,連續(xù)點火源消失,火焰將發(fā)生動力學失穩(wěn).對于貧燃預混火焰而言,隨著化學當量比減小,可燃預混氣流速與火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g的平衡關系被打破,以及局部化學當量比小于熄火極限造成局部猝熄等原因,誘發(fā)火焰失穩(wěn).(2)當貧氧預混火焰發(fā)生熱聲耦合振蕩時,不論是層流火焰,還是湍流火焰,其壓力振蕩特征頻率和振蕩幅值均較低,火焰尾部周期性的漩渦脫落是造成火焰熱釋放脈動的主要原因,火焰熱釋放脈動與壓力振蕩頻率相同、相位相近.湍流火焰的壓力振蕩頻率和幅值均較高,周期性的火焰熱釋放是誘發(fā)火焰熱聲不穩(wěn)定的主要原因.(3)結合振動噪聲分析儀的聲壓頻譜分析結果,利用高速攝像儀分析火焰熱釋放的脈動規(guī)律是一種簡單可行的方法