樊艷娜，畢明樹(shù)，周一卉，趙曉敏，沙 嵬

（大連理工大學(xué) 化工機(jī)械學(xué)院，遼寧 大連 116023）

0 引 言

貧燃預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室（Lean Premixed Prevaporized，LPP）是通過(guò)過(guò)量空氣和燃料在燃燒室的上游充分混合，從而降低火焰溫度以實(shí)現(xiàn)降低NOX生成的一種清潔燃燒技術(shù)。LPP的燃燒技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，但是它本身卻存在著由燃燒動(dòng)力學(xué)和操作條件改變等因素引起的燃燒不穩(wěn)定性問(wèn)題。目前，利用PIV等激光診斷技術(shù)來(lái)研究燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)特性已經(jīng)成為分析燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的一種主流趨勢(shì)，進(jìn)而從根本上探究燃燒室內(nèi)部燃燒不穩(wěn)定性問(wèn)題，并對(duì)燃燒室熱態(tài)流場(chǎng)行為起到指導(dǎo)作用。

韓啟祥［1］等人設(shè)計(jì)了單頭部的矩形燃燒室模型，并通過(guò)PIV技術(shù)研究了燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)流場(chǎng)內(nèi)回流區(qū)的影響，實(shí)驗(yàn)進(jìn)口壓力為0.1065MPa。研究表明，減小一級(jí)旋流器的流通面積及旋流數(shù)，或增大二級(jí)旋流器的旋流數(shù)，回流區(qū)的尺寸會(huì)增大。Yan Yingwen［2］利用PIV技術(shù)研究了進(jìn)口壓力不大于0.12MPa時(shí)具有2級(jí)軸向旋流器的矩形燃燒室的旋流流場(chǎng)特性，得到了引起流場(chǎng)速度大小、脈動(dòng)速度及回流區(qū)長(zhǎng)度變化的因素，主要包括入口空氣溫度、燃料／空氣比等。結(jié)果表明，隨著入口空氣溫度和燃料／空氣比的增加，初級(jí)回流區(qū)長(zhǎng)度減小，且冷態(tài)流場(chǎng)的回流區(qū)長(zhǎng)度大于反應(yīng)流場(chǎng)。鄧遠(yuǎn)灝［3］等人采用PIV技術(shù)對(duì)貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)壓力不大于0.11MPa。研究發(fā)現(xiàn)燃燒室頭部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要由中心回流區(qū)、角回流區(qū)和唇口回流區(qū)組成，且進(jìn)口空氣流量的變化幾乎不影響回流區(qū)的長(zhǎng)度。程勇和汪軍［4］采用PIV技術(shù)研究了微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室火焰筒內(nèi)旋流冷態(tài)流場(chǎng)的速度分布，得到了當(dāng)空氣流量為0.114m3／s時(shí)，燃燒室火焰筒內(nèi)氣體的時(shí)均切向速度分布及火焰筒中心截面和不同軸向位置的速度矢量分布。李昊［5］等人利用PIV技術(shù)對(duì)2種不同突擴(kuò)比燃燒室的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。研究表明，突擴(kuò)比的改變對(duì)燃燒室突擴(kuò)面后的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響很小。張建華［6］通過(guò)PIV技術(shù)測(cè)量了里克管內(nèi)的冷態(tài)及熱態(tài)流場(chǎng)分布，得到了冷態(tài)和熱態(tài)工況下流場(chǎng)內(nèi)的速度矢量圖和軸向及徑向速度分布，并發(fā)現(xiàn)熱態(tài)條件下流場(chǎng)內(nèi)速度變化比冷態(tài)時(shí)大。Sengisse［7］分別對(duì)部分旋流預(yù)混突擴(kuò)燃燒室的冷態(tài)及反應(yīng)流場(chǎng)特性進(jìn)行了大渦模擬和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)壓力為0.15MPa，其中冷態(tài)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)現(xiàn)的。Strakey［8］采用PIV技術(shù)研究了在環(huán)境溫度和大氣壓力的條件下，2種實(shí)驗(yàn)配置的旋流穩(wěn)定預(yù)混燃燒室內(nèi)的冷態(tài)流場(chǎng)特性，實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量了燃燒室的軸向、徑向和切向速度分布，并與通過(guò)LES和RANS 2種方法得到的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，LES與實(shí)驗(yàn)均能清楚地觀察到流場(chǎng)內(nèi)的不穩(wěn)定渦旋進(jìn)動(dòng)（PVC）現(xiàn)象，且進(jìn)動(dòng)頻率是流速的線(xiàn)性函數(shù)。Tuncer［9］對(duì)常壓下矩形預(yù)混旋流燃燒室內(nèi)的冷態(tài)流場(chǎng)與火焰穩(wěn)定間的關(guān)系進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)以甲烷為燃料。結(jié)果表明，反應(yīng)流場(chǎng)與冷態(tài)流場(chǎng)內(nèi)均存在回流區(qū)結(jié)構(gòu)，冷態(tài)流場(chǎng)中有一個(gè)穩(wěn)定的回流區(qū)結(jié)構(gòu)，且在反應(yīng)流場(chǎng)中，楔形火焰會(huì)穩(wěn)定在此回流區(qū)的邊緣。Hong［10］利用PIV技術(shù)研究了渦和火焰交互作用下矩形燃燒室內(nèi)貧燃預(yù)混火焰的燃燒動(dòng)力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)中以H2和丙烷的混合物為燃料，在常規(guī)大氣壓力的條件下改變?nèi)肟跍囟?，得到了平均渦場(chǎng)及流線(xiàn)分布和瞬態(tài)火焰前部。St?hr［11－14］通過(guò)激光診斷手段研究了燃?xì)廨啓C(jī)矩形燃燒室內(nèi)PVC和旋流火焰的相互作用，實(shí)驗(yàn)在大氣壓力條件下以甲烷為燃料，利用PIV和OH－PLIF技術(shù)同時(shí)測(cè)量了燃燒室內(nèi)流場(chǎng)速度分布和火焰結(jié)構(gòu)，并利用正交分解的方法分析了流場(chǎng)內(nèi)的不穩(wěn)定渦結(jié)構(gòu)，得出了流場(chǎng)內(nèi)的平均速度分布，并發(fā)現(xiàn)火焰主要穩(wěn)定在存在PVC現(xiàn)象的內(nèi)剪切層。Chterev，F(xiàn)oti［15］以天然氣為燃料，實(shí)驗(yàn)壓力為2×105Pa，利用PIV實(shí)驗(yàn)和LES 2種方式比較了3種不同配置的圓形旋流預(yù)混燃燒室內(nèi)的冷態(tài)及反應(yīng)流場(chǎng)特征。結(jié)果表明，燃燒室流場(chǎng)中會(huì)有角回流區(qū)及中心回流區(qū)的出現(xiàn)，且平均速度沿軸向是對(duì)稱(chēng)分布的。但利用PIV實(shí)驗(yàn)觀察不到流場(chǎng)內(nèi)的角回流區(qū)。

以上研究中主要是利用PIV技術(shù)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)矩形燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)特性，包括流場(chǎng)內(nèi)回流區(qū)分布、速度場(chǎng)和流線(xiàn)分布及其影響因素、突擴(kuò)比改變對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響、PVC現(xiàn)象進(jìn)行了分析，但這些研究主要是在常壓下進(jìn)行的，很少涉及到入口壓力為高壓的條件。本文設(shè)計(jì)突擴(kuò)比為3.1的圓形旋流燃燒室模型，并以空氣為介質(zhì)，主要利用PIV技術(shù)研究了高壓進(jìn)流條件下燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)內(nèi)的速度場(chǎng)、回流區(qū)分布和渦量場(chǎng)等特性。本文研究工作為燃燒室內(nèi)反應(yīng)流場(chǎng)的火焰結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)特性及脈動(dòng)規(guī)律的研究奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)裝置主要由燃燒室、煙霧粒子發(fā)生器、CCD相機(jī)、時(shí)序控制器、激光器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等構(gòu)成。其中燃燒室橫截面為圓形，外徑為90mm，厚度為5mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中向燃燒室通入空氣，并以煙霧粒子作為示蹤粒子隨空氣經(jīng)過(guò)二級(jí)旋流后進(jìn)入燃燒室中，再利用激光器和相機(jī)拍攝并記錄燃燒室流場(chǎng)內(nèi)示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以此獲得流場(chǎng)形態(tài)。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示（圖中綠色線(xiàn)為實(shí)驗(yàn)所測(cè)的中軸面），實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示（圖中H為旋流器距離燃燒室突擴(kuò)面處的高度）。

用PIV系統(tǒng)測(cè)量燃燒室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要加入合適的示蹤粒子，在流場(chǎng)測(cè)試的過(guò)程中，示蹤粒子的選擇及其濃度大小是決定實(shí)驗(yàn)是否成功的重要因素。對(duì)于空氣流場(chǎng)的測(cè)量，示蹤粒子直徑一般選在1.5～5μm之間。對(duì)示蹤粒子的選擇有以下幾個(gè)假設(shè)：（1）示蹤粒子完全跟隨流體運(yùn)動(dòng)；（2）示蹤粒子在流體中均勻分布；（3）示蹤粒子位移均一；（4）示蹤粒子有足夠高的光散射率。本實(shí)驗(yàn)中示蹤粒子由10D90SPT煙霧發(fā)生器提供，煙霧顆粒平均直徑為1.5μm，如圖3所示。示蹤粒子圖像清晰，分布均勻，能夠保證流場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量分析。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.1 Scheme of the experiment

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Sketch of the experimental apparatus

圖3 示蹤粒子散射光圖像Fig.3 Scattered light images of the tracer particles

為了研究入口壓力變化對(duì)旋流突擴(kuò)燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了幾種工況條件，分別取入口壓力為0.1、0.3和0.7MPa，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中入口空氣溫度保持不變?yōu)?98K，旋流器的旋流葉片角度為45°，旋流數(shù)為0.8。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)工況條件如表1所示。

表1 冷態(tài)流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)工況表Table 1 Experimental condition of the cold－flow field measurement

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)對(duì)燃燒室突擴(kuò)面后中心軸截面的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拍攝了燃燒室突擴(kuò)面后75mm范圍內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并且利用PIV系統(tǒng)自帶的后處理軟件對(duì)拍攝圖像進(jìn)行互相關(guān)及濾波分析，得到了不同實(shí)驗(yàn)條件下燃燒室內(nèi)的空氣流動(dòng)特性。每種工況均考慮了3次實(shí)驗(yàn)的綜合結(jié)果，具有可信性。

2.1 燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及速度分布

圖4為經(jīng)過(guò)后處理后表1中實(shí)驗(yàn)2的工況下測(cè)得的燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)分布，激光拍攝頻率為4.3Hz，激光拍攝2幀圖片間的時(shí)間間隔為150μs。從圖4中可以看出，在燃燒室流場(chǎng)內(nèi)形成了大的旋渦。其中，圖4（a）為軸向中心截面的速度矢量分布，圖4（b）為軸向中心截面的流線(xiàn)分布，圖4（a）中的紅色點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)為燃燒室的中心軸線(xiàn)。由圖4可以看出，燃燒室流場(chǎng)中存在中心回流區(qū)、角回流區(qū)及剪切層，且沿著燃燒室軸向方向，角回流區(qū)和中心回流區(qū)逐漸消失。這是由于空氣流經(jīng)旋流器時(shí)，旋流器葉片的導(dǎo)流作用而形成的切向、軸向和徑向分速的三維旋轉(zhuǎn)氣流作用的結(jié)果。由圖4還可以看出，沿著燃燒室軸向方向，中心回流區(qū)的寬度先增大（燃燒室突擴(kuò)面處至軸向位置為33mm處），然后再縮?。ㄝS向位置為33mm至軸向位置為55mm處）。

2.2 入口壓力改變對(duì)回流區(qū)長(zhǎng)度的影響

圖5為表1中實(shí)驗(yàn)1、2和3的工況條件下燃燒室內(nèi)的冷態(tài)流場(chǎng)速度矢量圖，在圖5中沿燃燒室軸向方向作軸向速度曲線(xiàn)，則從燃燒室突擴(kuò)面處沿軸向方向的前兩個(gè)軸向速度極值點(diǎn)之間的軸向間距即為角回流區(qū)長(zhǎng)度；另外，沿軸向方向的最后一個(gè)軸向速度極值點(diǎn)至燃燒室突擴(kuò)面處之間的軸向間距即為中心回流區(qū)長(zhǎng)度。假設(shè)燃燒室軸向方向?yàn)樽鴺?biāo)軸y，軸向速度為vy，對(duì)軸向速度求導(dǎo)數(shù)，微分曲線(xiàn)中處即為軸向速度的極值點(diǎn)，軸向速度的微分曲線(xiàn)如圖6所示，圖6中綠色虛線(xiàn)處，圖6（a）中的L1為角回流區(qū)的長(zhǎng)度，圖6（b）中的L2為中心回流區(qū)的長(zhǎng)度。由圖5可以看出，在入口壓力不同時(shí)，燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)中均含有穩(wěn)定的中心回流區(qū)及角回流區(qū)結(jié)構(gòu)。由表1可知，3種實(shí)驗(yàn)條件下入口壓力不斷提高，入口流速及雷諾數(shù)也變大，實(shí)驗(yàn)2和3均為湍流流動(dòng)狀態(tài)（Re＞4000）。由圖6可知，隨著入口壓力的增加，中心回流區(qū)及角回流區(qū)的長(zhǎng)度均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。如表2所示，相對(duì)于實(shí)驗(yàn)1的情況，實(shí)驗(yàn)2和3的角回流區(qū)長(zhǎng)度分別減少36.00%和52.00%，中心回流區(qū)長(zhǎng)度分別減少7.55%和28.30%。這是因?yàn)楫?dāng)入口壓力增大時(shí)，燃燒室入口速度増大，空氣流經(jīng)旋流器時(shí)產(chǎn)生的徑向和和切向速度分量值就會(huì)增大，當(dāng)高速空氣碰撞燃燒室壁面時(shí)，就會(huì)使燃燒室內(nèi)形成的回流區(qū)結(jié)構(gòu)更早消失，即回流區(qū)長(zhǎng)度縮短。

圖4 實(shí)驗(yàn)4流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Flow field structure of experiment 4

圖5 不同工況下流場(chǎng)內(nèi)速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagram under different working conditions

圖6 不同工況下的回流區(qū)長(zhǎng)度Fig.6 Length of recirculation zones under different working conditions

表2 不同工況下的回流區(qū)長(zhǎng)度Table 2 Length of recirculation zone under different working conditions

2.3 入口壓力改變對(duì)回流區(qū)寬度的影響

圖7為實(shí)驗(yàn)1、2和3的回流區(qū)最大寬度相對(duì)應(yīng)的軸向速度沿徑向位置的分布（軸向位置分別為z＝40，30，22mm），圖中綠色虛線(xiàn)處軸向速度為0，最大軸向速度之間的間距即為回流區(qū)的寬度（圖7中w），3種不同入口壓力條件下相對(duì)應(yīng)的回流區(qū)寬度及最大回流速度大小如表3所示。隨著入口壓力的增大，由圖7可以看出，從實(shí)驗(yàn)1至3，燃燒室內(nèi)回流區(qū)寬度逐漸減小，最大回流速度增大；如表3所示，相對(duì)于實(shí)驗(yàn)1的回流區(qū)寬度，實(shí)驗(yàn)2和3的回流區(qū)寬度分別減少6.80%和17.69%，最大回流速度分別增加110.03%和145.38%；同時(shí)，由回流區(qū)寬度最大值在不同的軸向位置處可知，隨著入口壓力的提高，燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)內(nèi)回流區(qū)中心位置逐漸向燃燒室入口移動(dòng)。這是因?yàn)殡S著入口壓力的增大，雷諾數(shù)變大，氣體湍流運(yùn)動(dòng)劇烈，使得燃燒室的入口速度增加，從而使由燃燒室上游流入的新鮮空氣運(yùn)動(dòng)得更快，就會(huì)更早在燃燒室內(nèi)形成回流區(qū)結(jié)構(gòu)。

圖7 不同工況下的軸向速度分布Fig.7 Axial velocity distributions under different working conditions

表3 不同工況下的回流區(qū)寬度Table 3 Width of recirculation zone under different working conditions

2.4 突擴(kuò)面后流場(chǎng)內(nèi)渦的變化

圖8為通過(guò)PIV系統(tǒng)后處理軟件處理后的實(shí)驗(yàn)4工況條件下燃燒室內(nèi)流場(chǎng)分布的流線(xiàn)圖，圖8（a）～（f）相鄰2幅圖像的時(shí)間間隔為Δt＝0.465s。由圖8可以清楚地看出流場(chǎng)內(nèi)渦的變化過(guò)程（紅色虛線(xiàn)框標(biāo)出的范圍）。燃燒室內(nèi)的回流區(qū)結(jié)構(gòu)是由流場(chǎng)內(nèi)旋渦變化產(chǎn)生的，高速空氣向下游運(yùn)動(dòng)流經(jīng)旋流器時(shí)，旋流器的旋流作用使燃燒室內(nèi)部的流動(dòng)更加紊亂，造成了燃燒室內(nèi)部流動(dòng)的不穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生旋渦并向下游移動(dòng)，使流場(chǎng)中出現(xiàn)PVC現(xiàn)象，即出現(xiàn)旋渦生成、發(fā)展、破碎至再生成的過(guò)程。由圖8（a）可知，在燃燒室流場(chǎng)內(nèi)的外剪切層處生成小的旋渦，該旋渦變大并進(jìn)一步發(fā)展為2個(gè)（見(jiàn)圖8（b）），且強(qiáng)度減弱，直至最后破裂（見(jiàn)圖8（d）），隨后在燃燒室的上游，又會(huì)有新的旋渦的生成（見(jiàn)圖8（f）），形成渦的周期性運(yùn)動(dòng)。

圖8 不同時(shí)刻實(shí)驗(yàn)4的流線(xiàn)圖Fig.8 Streamline of experiment 4at different times

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)燃燒室冷態(tài)條件下流場(chǎng)特性的PIV實(shí)驗(yàn)研究，得到了如下結(jié)論：

（1）在燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)中，沿燃燒室軸向方向，中心回流區(qū)的寬度先增大再減小。

（2）入口壓力不同時(shí)，燃燒室流場(chǎng)中均含有穩(wěn)定的回流區(qū)結(jié)構(gòu)，且回流區(qū)長(zhǎng)度及回流區(qū)寬度隨著入口壓力的增大而變小，回流區(qū)的強(qiáng)度隨著入口壓力的提高而增強(qiáng)。

（3）隨著入口壓力的提高，燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)內(nèi)回流區(qū)中心位置向燃燒室入口移動(dòng)。

（4）燃燒室流場(chǎng)中有旋渦產(chǎn)生，在旋渦變化的過(guò)程中，能夠在流場(chǎng)內(nèi)觀察到PVC過(guò)程。

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