低速風(fēng)洞中火災(zāi)穩(wěn)壘的近尾跡流動(dòng)研究

低速風(fēng)洞中火災(zāi)穩(wěn)壘的近尾跡流動(dòng)研究

1穩(wěn)定器后近尾跡流場(chǎng)作為主要的性能指標(biāo)之一，火焰穩(wěn)定器的穩(wěn)定特性決定了穩(wěn)定器的性能。除了依賴氣體濃度的分布外，它還取決于鈍體后的流量特征。目前,幾乎所有關(guān)于燃燒穩(wěn)定問題的分析都是從時(shí)均場(chǎng)的角度進(jìn)行解釋的。但實(shí)際上穩(wěn)定器后尾跡流為非定常湍流流場(chǎng),且燃燒過程和旋渦也有著密切的關(guān)系,了解穩(wěn)定器后近尾跡流場(chǎng)的詳細(xì)特征,對(duì)于我們認(rèn)識(shí)燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)很有幫助。本文對(duì)北航楊茂林提出的一種新型穩(wěn)定器—尾緣吹氣式火焰穩(wěn)定器及V型穩(wěn)定器的近尾跡流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量。和常規(guī)穩(wěn)定器不同,如圖1所示,新型穩(wěn)定器槽寬小,且為流線形頭部,不加力狀態(tài)下流阻損失很小;加力時(shí)尾緣吹氣,擴(kuò)大回流區(qū)?；趯?duì)其瞬態(tài)流動(dòng)的認(rèn)識(shí),從非定常角度探討了穩(wěn)定器的穩(wěn)焰機(jī)理。2小型試驗(yàn)試驗(yàn)段采用在線式互相關(guān)piv系統(tǒng)和基于高效系統(tǒng)的試驗(yàn)系統(tǒng)本文研究是在北航發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的多功能低速風(fēng)洞上進(jìn)行的,來流經(jīng)整流后湍流度小于0.25%。為了對(duì)火焰穩(wěn)定器的受限流動(dòng)進(jìn)行研究,在風(fēng)洞的試驗(yàn)段內(nèi)又安裝了一個(gè)有機(jī)玻璃制作的1500mm長(zhǎng)×200mm寬×120mm高的小型試驗(yàn)段,試驗(yàn)件沿展向豎直安裝于試驗(yàn)段內(nèi)。試驗(yàn)利用在線式互相關(guān)PIV系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定器后近尾跡流動(dòng)進(jìn)行了瞬態(tài)測(cè)量。PIV系統(tǒng)采用脈沖式Nd∶Yag(銥-釹石榴石)激光器作為光源,其典型工作頻率為10Hz,可見光波長(zhǎng)為532nm(綠光),每個(gè)脈沖能量為200mJ,脈沖寬度為9ns。兩激光器脈沖間隔的可調(diào)整范圍很大,從200ns到100ms,可以滿足從低速到高速流動(dòng)測(cè)量的需要。試驗(yàn)中采用RS-170式互/自相關(guān)CCD攝像機(jī)記錄流動(dòng)圖像,其分辨率為640像素×480像素,采集速度為30幀/s,每?jī)傻潏D像之間的最小時(shí)間間隔約為15μs。利用LZL型粒子發(fā)生器來提供示蹤粒子,所產(chǎn)生的粒子直徑為0.6～1.2μm。3piv的測(cè)量結(jié)果2種穩(wěn)定器試驗(yàn)件槽寬相同,幾何堵塞比為11.5%,如圖1,圖2所示。V型穩(wěn)定器有2種試驗(yàn)狀態(tài):來流10m/s和20m/s。而新型穩(wěn)定器因吹氣射流的引入,為了體現(xiàn)主流和射流的影響,設(shè)計(jì)了4種試驗(yàn)狀態(tài),來流10m/s和20m/s狀態(tài)下,射流速度設(shè)計(jì)為10m/s和20m/s。當(dāng)前PIV系統(tǒng)工作頻率較低,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于穩(wěn)定器后尾流中旋渦脫落頻率,PIV的測(cè)量結(jié)果實(shí)際上是所測(cè)量流動(dòng)的時(shí)間離散結(jié)果。試驗(yàn)中采集圖像的像素分辨率為87～90μm/像素之間,在圖像分析時(shí),查問域大小為64像素×64像素。4壓力區(qū)識(shí)別準(zhǔn)則在以下各流動(dòng)瞬態(tài)場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果圖中,標(biāo)號(hào)結(jié)尾為a的各圖,是流動(dòng)的瞬時(shí)速度場(chǎng)和基于速度場(chǎng)按照壓力區(qū)識(shí)別準(zhǔn)則判斷出的流動(dòng)低壓區(qū)(渦核)和高壓區(qū)分布的復(fù)合圖;標(biāo)號(hào)結(jié)尾為b的各圖,是流動(dòng)的瞬時(shí)流線圖和渦量圖的復(fù)合圖。X代表縱向位置,Y代表流向位置,坐標(biāo)原點(diǎn)為穩(wěn)定器中軸線與穩(wěn)定器尾緣交點(diǎn)。4.1大試現(xiàn)象:高速高效穩(wěn)定器后至波場(chǎng)卷吸能力文獻(xiàn)對(duì)兩種穩(wěn)定器的非定常流動(dòng)特征作了詳盡的描述。圖3顯示了來流為10m/s時(shí)V型穩(wěn)定器后第一個(gè)測(cè)量位置處的瞬態(tài)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果,圖4為來流10m/s,吹氣速度20m/s條件下尾緣吹氣式穩(wěn)定器后第一個(gè)測(cè)量位置處的瞬態(tài)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。新型火焰穩(wěn)定器與V型穩(wěn)定器后尾跡流場(chǎng)基本特征大致相同,流動(dòng)形態(tài)主要受正在交替形成和脫落的大尺度集中渦所控制,渦的周期性交替脫落形成了類似于圓柱繞流的渦街。但V型穩(wěn)定器流場(chǎng)中的渦量產(chǎn)生于穩(wěn)定器壁面,而新型穩(wěn)定器后旋渦的渦量不單來源于穩(wěn)定器附面層,同樣來源于吹氣射流,兩種來源的渦量具有相同的符號(hào),使形成的大尺度旋渦具有更高的渦量,這表示旋渦具有更強(qiáng)的卷吸能力。在圖4的3圖中甚至出現(xiàn)了2個(gè)對(duì)稱的大渦結(jié)構(gòu),任何一個(gè)也不占優(yōu)勢(shì)地發(fā)展長(zhǎng)大,這破壞了穩(wěn)定器后旋渦交替形成和脫落的機(jī)制,穩(wěn)定器后的渦街形態(tài)被削弱,這一現(xiàn)象限制了大渦的增長(zhǎng)尺度。試驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn),在來流為20m/s,射流為10m/s條件下,穩(wěn)定器后尾跡流依然保持著類似于鈍體尾跡流的大尺度旋渦的交替形成和脫落,未出現(xiàn)對(duì)稱的大渦結(jié)構(gòu),沒有渦街形態(tài)受到破壞的跡象。而在來流為10m/s,射流為10m/s條件下,出現(xiàn)了對(duì)稱的大渦結(jié)構(gòu),但其出現(xiàn)的頻率較低。隨射流與來流動(dòng)量比的增大,近尾跡流動(dòng)中所形成大渦的尺度及強(qiáng)度都有所增長(zhǎng),所攜裹的流體也增多。圖5為V型穩(wěn)定器來流為10m/s時(shí)在隨流的相對(duì)坐標(biāo)系中觀測(cè)的與第一位置相鄰的第二位置處流動(dòng)形態(tài)。旋渦在脫落后仍具有很強(qiáng)的誘導(dǎo)能力,進(jìn)一步將主流的流體卷吸到尾跡中,其尺度進(jìn)一步增長(zhǎng)。被卷吸的主流不能被旋渦完全吸收,部分會(huì)被相臨的反向旋轉(zhuǎn)的旋渦吸收,部分會(huì)穿過尾跡到達(dá)另一側(cè),尾跡和主流的流體在旋渦的卷吸作用下,發(fā)生相互作用。4.2穩(wěn)定器尾緣混氣旋轉(zhuǎn)非定常機(jī)理由以上分析可知:瞬態(tài)流動(dòng)揭示了湍流時(shí)均回流區(qū)靠湍流脈動(dòng)傳質(zhì)傳熱的實(shí)際機(jī)理是通過旋渦的卷吸來實(shí)現(xiàn)的,旋渦發(fā)生、發(fā)展而后脫落這一擬序現(xiàn)象在卷吸過程中起到了重要的作用。這導(dǎo)致在瞬態(tài)場(chǎng)基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)的燃燒過程及穩(wěn)焰機(jī)制與時(shí)均場(chǎng)中的認(rèn)識(shí)不同。穩(wěn)定器后近尾跡流中旋渦生成后,在其發(fā)展過程中卷吸來流與射流中的新鮮混氣,與回流區(qū)內(nèi)已燃高溫燃?xì)鈹嚮煸谝黄?高溫燃?xì)鈱崃總鬏斀o新鮮混氣。當(dāng)新鮮混氣達(dá)到著火點(diǎn)進(jìn)行燃燒時(shí),大渦仍未脫落,則燃燒穩(wěn)定。旋渦進(jìn)一步長(zhǎng)大,卷吸未燃新鮮混氣并進(jìn)一步燃燒,從而使生成的大尺度旋渦成為高溫區(qū),成為持續(xù)固定點(diǎn)火源。大渦內(nèi)混氣的穩(wěn)定燃燒使火焰向外傳播,點(diǎn)燃剪切層及主流。當(dāng)新的反向渦量旋渦生成時(shí),大渦通過渦運(yùn)動(dòng)及分子運(yùn)動(dòng)將熱量及活性中心傳遞給新生成渦,使其達(dá)到著火溫度而燃燒,并隨其發(fā)展壯大成為新的持續(xù)點(diǎn)火源。伴隨著旋渦的交替生成和脫落,點(diǎn)火源接力傳遞下去。對(duì)于新型火焰穩(wěn)定器近尾跡中出現(xiàn)的對(duì)稱大渦的現(xiàn)象,其形成機(jī)制目前還不清楚,但本文認(rèn)為它們?cè)诨鹧娣€(wěn)定性能上所起的作用與交替脫落的旋渦是相同的,同樣作為一持續(xù)的點(diǎn)火源,并將點(diǎn)火源傳遞給下一個(gè)形成的旋渦。前面的分析已指出,大尺度旋渦在脫落后,仍具有較強(qiáng)的卷吸能力,在向下游傳播過程中,會(huì)繼續(xù)卷吸外圍主流的未燃混氣,在高溫的大尺度旋渦周圍燃燒,并將火焰向主流傳播,從而使穩(wěn)定器后的整個(gè)尾跡區(qū)和與之相連的主流區(qū)都燃燒起來。根據(jù)上述對(duì)穩(wěn)焰機(jī)理的解釋,可知所生成旋渦的尺度、強(qiáng)度和脫落頻率,對(duì)燃燒性能有重要影響。所形成的旋渦尺度越大,脫落頻率越低,新鮮混氣著火燃燒的時(shí)間越充分,熱源越強(qiáng)大,燃燒也越充分,燃燒的穩(wěn)定性自然也就越好;如果旋渦的強(qiáng)度更高,即其卷吸周圍未燃混氣的能力越強(qiáng),單位距離內(nèi)或單位時(shí)間內(nèi)就會(huì)有更多的混氣得到充分燃燒。下面以鈍體穩(wěn)定器的貧油熄火為例,從非定常角度進(jìn)行解釋。減小來流當(dāng)量比,未燃混氣的反應(yīng)速率降低,單位時(shí)間、單位容積內(nèi)燃燒生成的熱量減少,當(dāng)其能量不足以維持被持續(xù)卷進(jìn)大渦的未燃混氣繼續(xù)燃燒,發(fā)生貧油熄火現(xiàn)象。對(duì)于鈍體火焰穩(wěn)定器,其貧熄邊界隨來流速度增加而變窄,隨其幾何尺寸的增長(zhǎng)而變寬。增大來流速度,則大渦生成和脫落的頻率呈比例增長(zhǎng),大渦由生成到脫落的時(shí)間變短,當(dāng)在這一時(shí)間內(nèi),大渦內(nèi)的未燃混氣未被點(diǎn)燃時(shí),發(fā)生熄火。為了保障持續(xù)的燃燒,需要加大來流當(dāng)量比,增加單位時(shí)間、單位容積的放熱量,縮短新鮮混氣著火感應(yīng)期。增大穩(wěn)定器堵塞比,大渦尺度增長(zhǎng),大渦脫落的周期變長(zhǎng),給了未燃混氣足夠的著火時(shí)間,燃燒穩(wěn)定性變好。本文關(guān)于穩(wěn)焰機(jī)理的非定常觀點(diǎn)可以很好地解釋貧熄現(xiàn)象,其合理性有待于進(jìn)一步證實(shí)。尾緣吹氣使得所形成的旋渦的尺度已經(jīng)明顯大于穩(wěn)定器槽寬,隨著射流與來流動(dòng)量比增大,旋渦的尺度加大,旋渦的脫落頻率會(huì)降低,這些特性都將明顯改善穩(wěn)定器的燃燒性能。但動(dòng)量比過大,會(huì)出現(xiàn)旋渦交替脫落機(jī)制遭到破壞的流動(dòng)形態(tài),且射流與來流動(dòng)量比越高,破壞得越厲害,大渦的尺度減小,顯然不利于燃燒。可見,射流與來流動(dòng)量比存在一最佳比例。5旋轉(zhuǎn)路徑的非定常觀點(diǎn)本文利用二維互相關(guān)P