多孔介质稳垒机理及预混火焰动力学失稳研究

多孔介质稳垒机理及预混火焰动力学失稳研究

以预混合燃烧和预混合火为代表的预混合和半预混合燃烧技术是现代先进机车装置中最具潜力的低nox燃烧技术。在预混合燃烧系统中，燃烧场景远偏离化学合适的比，助燃空气过度多。因此，预混合火焰的动态稳定性很差，火焰对前线参数的变化、化学等量比变化和额外干扰非常敏感。特别是在封闭的燃烧中，很容易触发热耦合噪声，导致火焰的动态无序，并在严重的情况下破坏燃烧的结构。火焰的热容量振动是阻碍预混合燃烧技术推广应用的中心问题。经多年研究之后,各国学者对于热声耦合振荡的诱发机理已取得基本共识,即在近乎完全封闭的燃烧室内,初始压力振荡得不到有效的衰减,并且燃烧释热量比振荡耗散能量大得多;当脉动的火焰热释放与燃烧室内声压振动发生激振时,就会形成热声耦合振荡,上述机理可用瑞利准则进行描述,即对于贫燃预混火焰,在温度高于1400K的区域就可以检测到羟基,非平衡态的羟基主要产生于火焰前锋附近,因此,可用非平衡态羟基区域来标示火焰面,目前,分析火焰热释放的常规方法是利用PLIF对预混火焰内部的羟基分布进行诊断.但是,PLIF所使用的ICCD相机桢频仅为10Hz左右,难以直接采集以数百赫兹频率振荡的火焰图像,所以,其触发方式多采用相位延迟法,即以麦克风采集的压力振荡信号为依据,在多个压力振荡周期的不同相位采集很多桢羟基图像,然后将同一相位的图像进行叠加,得到一个压力振荡周期内的羟基分布变化.尽管这种方法可以精确确定火焰面所在的位置,但在一个压力振荡周期内的火焰面却并不呈现规律的周期性变化.诱发预混火焰热声耦合振荡的因素众多,且影响规律十分复杂.对于旋流燃烧而言,涡旋进动导致火焰前锋发生前后移动,当漩涡从火焰面分离或脱落时,火焰前锋将被撕裂,火焰表面积增大,压力振荡幅值达到最大.Venkataraman等认为喷嘴结构和旋流稳焰器位置是影响火焰振荡的主要原因,而归根结底还是流速、旋流强度、湍流强度及漩涡脱落等的变化使化学反应时间发生周期性振荡.Meier等则发现,化学当量比尤其是局部化学当量比的脉动,是诱发火焰振荡的主要原因,因此,强化混合均匀度可提高火焰的动力学稳定性.而Paschereit等认为,燃油雾化与蒸发过程对预混预蒸发燃烧振荡的影响十分显著.为了深入了解预混火焰热声不稳定性的诱发机理,本文利用振动噪声分析仪和高速摄像仪等设备对多孔介质稳焰的半预混火焰和贫燃预混火焰的动力学失稳过程进行了研究与分析,并探讨了利用高速摄像分析火焰热释放脉动的可行性.1实验装置与设备实验系统如图1所示,减压后的液化石油气经干燥器和流量计进入预混室;压缩空气经空气冷却器、除油过滤器、除尘过滤器和质量流量控制器进入预混室;预混室的壁面上设有多个径向孔和切向孔,作为声频分析探头安装孔和二次空气入口;燃烧室为直径180mm的石英玻璃管;预混室与燃烧室之间是多孔介质稳焰器,其空隙率为59%,六边形直孔,孔边长为2mm;燃烧产物经烟道排出.实验装置实物照片参见文献.燃烧室设计热负荷为2.0kW,实验过程中,热负荷维持在1.3～1.8kW,化学当量比Φ为0.81～1.24;利用TESTO454多功能测试仪进行流速测量,利用CAMWARE高速摄像仪分析火焰结构和火焰脉动频率,SQLABII振动噪声分析仪则用于进行预混室、燃烧室内的声压频谱分析.2稳定的预混火焰图2为贫燃预混火焰照片.图2(a)所示旋流火焰的稳定性主要取决于入口气流旋流强度以及剪切边界层内的涡旋进动情况.图2(b)所示稳定在多孔介质上的直流火焰的稳焰机理则完全不同.多孔介质对流过其内部的预混可燃气具有整流、梳理作用,各个小孔的出口流速iu基本相同,且流向一致,因此,火焰能否稳定在多孔介质表面,完全取决于瞬时流速ui与当地火焰传播速度S之间的动态平衡关系.对于利用多孔介质稳定火焰的燃烧装置,须在燃气流量较小、热负荷较低的情况下点火启动,其原因在于点火过程中多孔介质尚处于冷态,温度较低、火焰传播速度S较小,若预混可燃气流速过高,将导致火焰吹脱;多孔介质的孔径很小,壁面猝熄效应强烈,因此,回火不易发生.当多孔介质被加热后,高温多孔介质本身充当了稳定的点火源,可燃预混气在流经多孔介质的过程中,被预热、点燃,此时,由于火焰传播速度S显著增大,预混火焰可在较高的热负荷下保持稳定.贫燃预混条件下,多孔介质表面每个小孔的出口都会形成一个小尺度的锥形火焰,这些小火焰将进一步组合成为一个大尺度锥形火焰,稳定的贫燃预混火焰如图2(b)所示.热负荷W=0.35kW时,多孔介质出口雷诺数较小,形成层流预混火焰;此时,进入预混室的燃料和空气均远远低于设计流量,流速较低,两者的混合均匀度较差,尽管助燃空气过剩较多,但仍有部分燃料因局部缺氧而发生热分解,这些热分解产物穿透动力火焰前锋,形成桔黄色尾焰.在湍流状态下,燃料/空气混合均匀度大大提高,稳定在多孔介质表面的是蓝色的湍流火焰,其主燃区内化学反应强烈,绝大部分燃料在此区域内燃尽;但在湍流脉动作用下,仍有一些未燃尽的可燃预混气涡团穿过动力火焰前锋,继续着火、燃烧,形成蓝色透明尾焰.在化学恰当比附近(Φ=0.96),多孔介质表面是稳定的动力火焰前锋,火焰形状类似于平面火焰,少量燃料因局部缺氧发生热分解,形成黄色椎状尾焰.Φ>1.0时,形成半预混贫氧火焰,因整体缺氧,热分解反应愈发强烈,黄色尾焰长度有所增大;Φ<1.0时,形成贫燃预混火焰,动力燃烧反应强烈,黄色尾焰消失.但是,当Φ提高或降低到一定程度时,预混火焰将发生动力学失稳,如图3所示.贫氧条件下,火焰失稳机理可利用Law提出的火焰拉伸理论进行描述.本文研究的多孔介质表面火焰类似于管口火焰,其预混气流轴向速度是逐渐衰减的,故火焰拉伸率K′<0;并且,无量纲数Le<1,即燃烧反应过程中反应物质量扩散所提供的能量小于通过热传导作用而损失的热量.因此,其火焰传播速度St将低于绝热火焰传播速度St0,故火焰顶部处于熄火状态.当Φ≥1.24时,预混可燃气中氧气严重不足,燃烧反应放热量有所减小,而产物带走的热量则有所提高,多孔介质温度将会降低,不再能够将新鲜的预混可燃气点燃,一旦失去稳定的点火源,火焰将彻底熄灭.贫燃预混火焰的失稳机理则有所不同.此时,K′<0,Le>1,其火焰传播速度St大于绝热火焰传播速度St0,预混火焰顶部属于加强的燃烧.当Φ≤0.81时,空气严重过剩,出口流速ui提高,而火焰传播速度St则有所降低,两者之间的平衡关系将被破坏,造成火焰抬升.同时,湍流强度的提高可能使某些区域的局部化学当量比接近贫燃熄火极限,从而诱发局部猝熄,熄灭的可燃物微团在冲破动力火焰前锋后,重新被点燃或直接发生热分解,形成黄色尾焰.因此,多孔介质贫燃预混火焰的动力学失稳过程,是一个吹熄的过程.3热声耦合与声压振荡的关系当预混火焰发生动力学失稳时,火焰表面积将呈现明显的周期性变化,不完全燃烧产物显著提高,热分解现象愈发明显;同时,燃烧噪声增强,燃烧室内将出现低频的压力振荡,在某些频率下,压力振荡幅值大幅度提高,形成热声耦合振荡,造成火焰熄灭.文献利用振动噪声分析仪,对贫氧预混火焰热声耦合振荡发生情况下燃烧室内的声场进行了分析,发现层流火焰声压振荡的特征频率f=8.33Hz,湍流火焰的声压振荡的特征频率为9.02Hz,其声压级最高幅值均在80dB左右;其声压振荡频谱如图4所示.为了深入了解热声之间的耦合关系,利用高速摄像仪对火焰形态的周期性变化规律进行了分析.当高速摄像的桢频大于500Hz时,因曝光时间很短,光辐射较弱的火焰动力区的相关信息严重丢失,但通过对尾焰结构变化的分析,依然可以获得火焰热释放的脉动规律.桢频1000Hz时的火焰图像简化相位分析如图5所示,所谓简化相位分析,即通过分析火焰图像得到火焰的脉动频率,然后,以火焰热释放最强的一张为起点,在一个周期内等桢距截取5张火焰图像,并以之为依据分析火焰结构的脉动规律.在贫氧预混情况下,由于多孔介质表面的蓝色动力反应区光辐射很弱、黄色尾焰光辐射较强,因此,在摄像机曝光频率很高的情况下,动力火焰部分在图像中几乎分辨不清,图5(a)和(b)可见的仅仅是尾焰.火焰拉伸效应造成火焰顶部处于熄火状态,高温燃烧产物及未燃尽的可燃物从顶部缺口冲出,绝大部分未燃尽的可燃物在高温缺氧状态下发生热分解,少数可燃物继续燃烧直至燃尽.尾焰与其周围静止气流之间存在剪切边界层,由于燃烧产物的速度较高,故诱导出图示的一对反向漩涡;黏性耗散作用使这对反向漩涡在向下游运动的过程中尺度逐渐增大,并最终在焰尾处脱落.漩涡的生成、发展和脱落是周期性的,标号1至5是一个周期内的火焰形态变化情况,在图5(c)的火焰辐射光强度图片中,漩涡的脱落过程清晰可见.根据5张图片的周期计算得到的层流火焰和湍流火焰的漩涡脱落频率分别为8.34Hz和9.52Hz,与燃烧室内的声压振荡特征频率基本一致.在总体当量比确定的情况下,反应物质量扩散提供的总能量相同,当漩涡初生成时,燃烧产物带走的热量最少,燃烧室内的火焰热释放量最大;在漩涡脱落的瞬间,产物带走的热量最多,火焰热释放量最小.可见,火焰热释放随着漩涡的周期性脱落呈现周期性脉动,且其脉动频率与声压振荡的频率相同.在频率相同的情况下,若火焰热释放脉动与声压振荡之间的相位差小于90°,则将发生热声耦合.尽管本文的实验方法无法直接确定两者之间的相位关系,但火焰形态的周期性变化、特征频率下的高幅声压振荡以及随之出现的火焰发生动力学失稳并熄灭等种种现象,均表明热声之间发生了耦合,相位关系如图6所示,图中的θ是燃烧室驰豫时间(微秒级),这说明火焰热释放量Q脉动与声压p振荡几乎同相.对化学当量比Φ=0.8时的贫燃预混层流火焰和湍流火焰的声压振荡进行了频谱分析,其声压振荡频谱如图7所示.层流火焰发生振荡时,发出低沉的轰鸣声,其特征频率f=10.03Hz,声压级最高幅值约为80dB;而湍流火焰发生振荡时则发出尖锐的啸声,其特征频率f=127.07Hz,声压级最高幅值则高达115dB.不论是层流火焰还是湍流火焰,在其发生振荡时,不完全燃烧的程度均有所提高,火焰尤其是尾焰的光辐射强度增强,并随声压振荡呈现周期性变化.图8(a)和(b)分别是Φ=0.8贫燃预混层流火焰和湍流火焰的高速摄像直摄图片(高速摄像桢频500Hz),由于稳定在多孔介质表面的动力火焰区光辐射强度很低,因此在黑白图片中几乎无法辨识;而对于尾焰来说,不完全燃烧越严重,光辐射越强,图像就越清晰.在燃料供给稳定、通过热传导损失热量基本一致的前提下,火焰释热量与燃烧反应的不完全程度成反比,不完全燃烧现象表现得越明显,则火焰的热释放量越小.通过简化相位分析可以发现,图8(a)中1号火焰的不完全燃烧程度最弱,火焰热释放量最大,而3号火焰的热释放量最小;火焰热释放的脉动频率约为10Hz,与声压振荡同频、同相,两者的相位关系也可用图6表示.湍流脉动的影响使燃料/空气混合均匀度大大提高,即使在湍流火焰发生振荡时,不完全燃烧的程度也很小,所以,图8(b)的湍流火焰直摄图像分辨率很低.尽管如此,仍可观察到尾焰内存在因局部缺氧而正在发生热分解的可燃物微团(即光辐射较强的白色亮点);并且,在热释放最小的3号火焰图片中,多孔介质表面也存在较为严重的不完全燃烧现象,图3也证明了这一结论.图8(c)是对应于8(b)的光辐射强度图片,从中可见,湍流火焰发生振荡时,其火焰热释放也呈现周期性的脉动,脉动频率为127Hz,与声压振荡特征频率127.07Hz基本一致.与旋流火焰不同,多孔介质稳焰的贫燃预混火焰内不存在周期性的涡漩进动,因此可以推断,周期性脉动的火焰热释放与压力振荡之间发生激振,是诱发火焰动力学失稳的主要原因.图9和图10是Stohr等利用OH-PLIF对贫燃旋流预混火焰压力振荡和火焰热释放脉动的诊断结果,火焰发生热声振荡时,燃烧室内的声压振荡与火焰热释放的脉动是频率相同、相位相近的.本文的研究结果与其结果完全一致,这说明结合振动噪声分析仪的诊断结果,利用高速摄像仪分析火焰热释放的脉动规律是一种简单可行的方法.4热声导火焰的振动机理(1)多孔介质的稳焰机理是炽热的多孔介质充当了稳定的点火源,而多孔介质对预混可燃气流的整流作用使火焰传播速度与气流速度之间实现了平衡.对于贫氧预混火焰来说,随着化学当量比的增大,通过热传导损失的热量将远远大于质量扩散所提供的能量,多孔介质逐渐冷却,连续点火源消失,火焰将发生动力学失稳.对于贫燃预混火焰而言,随着化学当量比减小,可燃预混气流速与火焰传播速度之间的平衡关系被打破,以及局部化学当量比小于熄火极限造成局部猝熄等原因,诱发火焰失稳.(2)当贫氧预混火焰发生热声耦合振荡时,不论是层流火焰,还是湍流火焰,其压力振荡特征频率和振荡幅值均较低,火焰尾部周期性的漩涡脱落是造成火焰热释放脉动的主要原因,火焰热释放脉动与压力振荡频率相同、相位相近.湍流火焰的压力振荡频率和幅值均较高,周期性的火焰热释放是诱发火焰热声不稳定的主要原因.(3)结合振动噪声分析仪的声压频谱分析结果,利用高速摄像仪分析火焰热释放的脉动规律是一种简单可行的方法