段潤(rùn)澤， 趙若霖， 劉聯(lián)勝， 田 亮， 王興益

(河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401)

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，NOx的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，大量研究[1-2]發(fā)現(xiàn)貧燃預(yù)混燃燒能夠很好地控制NOx排放，但是當(dāng)貧燃預(yù)混燃燒的控制參數(shù)接近熄火極限時(shí)，在一個(gè)相對(duì)封閉的燃燒室內(nèi)容易發(fā)生熱聲振蕩現(xiàn)象，降低了火焰的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)致火焰鋒面動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)。

Steinberg等[3]認(rèn)為火焰動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)是由燃燒室結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)、壓力、化學(xué)反應(yīng)以及火焰熱釋放之間的相互作用引起的。Weigand等[4]認(rèn)為誘發(fā)火焰動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)的主要因素是氣體動(dòng)力學(xué)波動(dòng)和火焰的周期性熱釋放，前者主要包括氣體流動(dòng)過(guò)程中大尺度黏性漩渦的形成和耗散，燃燒室本身的聲壓振蕩以及其他的一些流動(dòng)現(xiàn)象。Hwang等[5]對(duì)2個(gè)切向旋轉(zhuǎn)噴嘴火焰的穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)切向旋流預(yù)混火焰是相對(duì)穩(wěn)定的。

St?hr等[6]發(fā)現(xiàn)中心回流區(qū)是由旋轉(zhuǎn)射流內(nèi)渦團(tuán)的周期性形成和衰減造成的，是渦旋進(jìn)動(dòng)(Precessing vortex core，PVC)的結(jié)果。PVC是一種由中心回流區(qū)剪切邊界層內(nèi)的三維非對(duì)稱渦團(tuán)以一定的頻率形成和破碎的過(guò)程，與雷諾數(shù)大小有關(guān)。在較低旋流數(shù)下，PVC會(huì)產(chǎn)生渦團(tuán)破碎并誘發(fā)出中心回流區(qū)，中心回流區(qū)面積減小。Weigand等[4]在研究小尺度渦團(tuán)的PVC時(shí)發(fā)現(xiàn)PVC有利于已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w混合，促進(jìn)燃燒，可以明顯提高火焰穩(wěn)定性。中心回流區(qū)與PVC也有很大關(guān)系，PVC越強(qiáng)，中心回流區(qū)越明顯；而PVC螺旋結(jié)構(gòu)也與反應(yīng)速度及火焰的熱釋放有關(guān)，這是因?yàn)椋阂环矫?，螺旋結(jié)構(gòu)可以增大未燃?xì)怏w與已燃?xì)怏w之間的接觸面積，有利于提高整個(gè)燃燒速率；另一方面，反應(yīng)速率提高將導(dǎo)致火焰熱釋放增大，熱釋放的能量促使PVC結(jié)構(gòu)由環(huán)狀發(fā)展為螺旋狀。Huang等[7]發(fā)現(xiàn)PVC取決于燃燒室結(jié)構(gòu)、燃料的進(jìn)入方式及當(dāng)量比。

王勇等[8-9]認(rèn)為火焰不穩(wěn)定性是熱聲振蕩的一種體現(xiàn)，而熱聲振蕩的機(jī)理符合瑞利準(zhǔn)則。周昊等[10-11]指出渦核之間的相互作用在實(shí)際燃燒過(guò)程中起著重要作用。還有研究者[12-13]針對(duì)雙旋流穩(wěn)焰器，甚至三旋流穩(wěn)焰器火焰的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

以上研究主要針對(duì)旋流火焰的不穩(wěn)定性，也有學(xué)者針對(duì)多孔介質(zhì)的燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究。王恩宇等[14]針對(duì)多孔介質(zhì)的燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)的孔直徑小于猝熄直徑時(shí)，預(yù)混氣在燃燒過(guò)程中不易出現(xiàn)回火現(xiàn)象，保證了燃燒過(guò)程的安全性。張俊春[15]通過(guò)數(shù)值方法研究了低熱值條件下多孔介質(zhì)的燃燒穩(wěn)定性問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)火焰鋒面分裂現(xiàn)象與預(yù)混氣的當(dāng)量比以及入口氣體速度等有關(guān)。

多孔介質(zhì)對(duì)預(yù)混氣有梳理、整流作用，使火焰的穩(wěn)定性比其他穩(wěn)焰器好，這是由多孔介質(zhì)本身的特點(diǎn)決定的，多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器具有燃燒效率高、可燃極限寬、污染物排放低等特點(diǎn)，但是針對(duì)多孔介質(zhì)的穩(wěn)定性研究理論上還不完善。因此，筆者對(duì)旋流穩(wěn)焰器和多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器在貧燃預(yù)混條件下的火焰燃燒不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括氣源、實(shí)驗(yàn)裝置、燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示?？諝鈿庠从煽諝鈮嚎s機(jī)供應(yīng)，氣源經(jīng)過(guò)減壓閥進(jìn)入穩(wěn)壓階段(0.6 MPa)，經(jīng)過(guò)冷卻、除油、過(guò)濾和干燥后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

實(shí)驗(yàn)裝置由預(yù)混室和燃燒室兩部分組成(見(jiàn)圖2)。預(yù)混室為高度500 mm、直徑100 mm的圓柱形通道，為了使空氣與燃?xì)忸A(yù)混較好，預(yù)混室入口安裝有切向旋流葉片。燃燒室由直徑為170 mm、高度為250 mm的圓柱形石英玻璃構(gòu)成。燃燒過(guò)程中使用切向旋流、徑向旋流以及多孔介質(zhì)3種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)焰器。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

切向旋流穩(wěn)焰器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中4個(gè)葉片與中心軸逆時(shí)針成45°，外圓直徑為20 mm，軸的直徑為5 mm，葉片厚度為2 mm。徑向旋流穩(wěn)焰器結(jié)構(gòu)如圖4所示，旋流角度為45°，內(nèi)直徑為25 mm，軸的直徑為20 mm。多孔介質(zhì)(見(jiàn)圖5)的主要成分是碳化硅10PPI，平均孔徑為2 mm，厚度為17 mm，直徑為55 mm，孔隙率為86.2%，流通面積為1 080 mm2。

圖3 切向旋流穩(wěn)焰器Fig.3 Tangential swirl flame stabilizer

圖4 徑向旋流穩(wěn)焰器Fig.4 Radial swirl flame stabilizer

圖5 多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器Fig.5 Porous medium flame stabilizer

燃?xì)獠捎闷垦b甲烷，純度為99.9%，甲烷在常溫下經(jīng)減壓、干燥后，以旋流形式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置，用質(zhì)量流量控制器來(lái)控制甲烷體積流量。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)主要有甲烷體積流量、空氣體積流量和燃燒室的壓力振蕩頻譜。甲烷質(zhì)量流量計(jì)CS200的量程為5SLM(即標(biāo)準(zhǔn)狀況下5 L/min)，精度是0.1FS；空氣質(zhì)量流量計(jì)9E量程為200SLM(即標(biāo)準(zhǔn)狀況下200 L/min)，精度是0.2FS；燃燒室壓力振蕩通過(guò)SQlabⅡ振動(dòng)噪聲分析儀來(lái)得到，該振動(dòng)噪聲分析儀頻率范圍為20～20 000 Hz，聲壓量程為200 dB，對(duì)預(yù)混室內(nèi)的冷態(tài)流動(dòng)過(guò)程及燃燒室內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行同步聲壓頻譜特性分析。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，甲烷體積流量控制在2 L/min，當(dāng)量比的調(diào)節(jié)范圍為0.54～2.4。采用TESTO454多功能測(cè)試儀進(jìn)行流速測(cè)量，采用CANON E50相機(jī)進(jìn)行火焰圖像分析。

2 結(jié)果與分析

對(duì)不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)焰器的熄火極限、燃燒室火焰穩(wěn)定性以及火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)焰器熄火極限

圖6和圖7給出了煙囪高度為360 mm時(shí)，3種穩(wěn)焰器在貧燃、貧氧預(yù)混燃燒的熄火極限圖。從圖6可以看出，多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器在貧燃預(yù)混燃燒熄火極限的當(dāng)量比最低，其次是徑向旋流穩(wěn)焰器，而切向旋流穩(wěn)焰器熄火時(shí)的當(dāng)量比最高；圖7中，多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器在貧氧預(yù)混燃燒熄火極限的當(dāng)量比最高，其次是徑向旋流穩(wěn)焰器，而切向旋流穩(wěn)焰器熄火時(shí)的當(dāng)量比最低。這是因?yàn)榍邢蛐鞣€(wěn)焰器工作過(guò)程中，火焰鋒面在旋流片的作用下會(huì)出現(xiàn)不封閉現(xiàn)象，而徑向旋流穩(wěn)焰器對(duì)火焰鋒面的封閉性更好，因此徑向旋流穩(wěn)焰器的熄火極限要比切向旋流穩(wěn)焰器好。相對(duì)旋流燃燒來(lái)說(shuō)，多孔介質(zhì)燃燒的穩(wěn)焰機(jī)理截然不同。多孔介質(zhì)對(duì)預(yù)混氣具有整流、梳理作用，且流向一致。多孔介質(zhì)的燃燒方式是蓄熱式燃燒，當(dāng)當(dāng)量比非常低時(shí)火焰出現(xiàn)吹脫現(xiàn)象，導(dǎo)致熄火；當(dāng)當(dāng)量比過(guò)高時(shí)，火焰會(huì)在穩(wěn)焰器內(nèi)部繼續(xù)燃燒，導(dǎo)致穩(wěn)焰器表面沒(méi)有明顯的火焰，因此多孔介質(zhì)的熄火極限最好。

圖6 貧燃熄火極限Fig.6 Limit of lean premixed combustion

圖7 貧氧熄火極限Fig.7 Limit of lean oxygen combustion

2.2 不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)焰器火焰穩(wěn)定性

圖8給出了甲烷體積流量為2 L/min，預(yù)混氣當(dāng)量比為0.65時(shí)，3種穩(wěn)焰器在燃燒室和預(yù)混室的聲壓頻譜圖，其中f為頻率。從圖8可以看出，預(yù)混室和燃燒室的壓力頻率一致；3種穩(wěn)焰器燃燒室的火焰振蕩頻率差別不大，但是切向旋流穩(wěn)焰器燃燒室火焰振蕩幅值最大，徑向旋流穩(wěn)焰器燃燒室火焰振蕩其次，而多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器燃燒室火焰振蕩幅值最小。這是因?yàn)榍邢蛐鞣€(wěn)焰器使火焰鋒面的封閉性變差，導(dǎo)致火焰有較大的不穩(wěn)定性；而徑向旋流穩(wěn)焰器的火焰相對(duì)封閉較好；多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器對(duì)氣流的擾動(dòng)相對(duì)較小，其火焰穩(wěn)定性最好。

(a)切向旋流穩(wěn)焰器

(b)徑向旋流穩(wěn)焰器

(c)多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器圖8 3種穩(wěn)焰器在預(yù)混室和燃燒室的頻譜圖Fig.8 Spectrum in premixed reactor and combustion chamber of three flame stabilizers

2.3 不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)焰器火焰結(jié)構(gòu)

圖9給出了甲烷體積流量為2 L/min，預(yù)混氣當(dāng)量比為0.7時(shí)，預(yù)混氣通過(guò)不同穩(wěn)焰器燃燒時(shí)的火焰結(jié)構(gòu)圖。從圖9(a)可以看出，燃燒時(shí)火焰出現(xiàn)了分叉現(xiàn)象，導(dǎo)致火焰的封閉性較差；從圖9(b)可以看出，此時(shí)火焰封閉性比切向旋流穩(wěn)焰器好，由于旋轉(zhuǎn)作用，在火焰鋒面中心形成了一個(gè)空心核；圖9(c)中，多孔介質(zhì)各個(gè)小孔的出口流速基本相同，且流向一致。各小孔出口都會(huì)形成一個(gè)小尺度的錐形火焰，這些小尺度的錐形火焰將進(jìn)一步組合成大尺度的錐形火焰，因此錐形火焰能否穩(wěn)定在多孔介質(zhì)表面，完全取決于多孔介質(zhì)表面出口的瞬時(shí)流速與當(dāng)?shù)鼗鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣戎g的動(dòng)態(tài)平衡。由于點(diǎn)火過(guò)程中多孔介質(zhì)尚處于冷態(tài)，溫度較低，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小。若預(yù)混氣流速過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致火焰吹脫，因此利用多孔介質(zhì)穩(wěn)焰裝置時(shí)，須在燃?xì)饬髁枯^小，熱負(fù)荷較低的情況下點(diǎn)火啟動(dòng)。而且多孔介質(zhì)的孔徑很小，壁面有強(qiáng)烈的猝熄效應(yīng)，不易發(fā)生回火現(xiàn)象。但當(dāng)多孔介質(zhì)被加熱之后，正常燃燒時(shí)，高溫多孔介質(zhì)本身就是一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)火源，預(yù)混氣在流經(jīng)多孔介質(zhì)過(guò)程中被預(yù)熱、點(diǎn)燃，燃?xì)獗桓邷囟嗫捉橘|(zhì)預(yù)熱后，火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增大，預(yù)混火焰可在較高的熱負(fù)荷下保持穩(wěn)定。

(a)切向旋流穩(wěn)焰器(b)徑向旋流穩(wěn)焰器(c)多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器

圖9 當(dāng)量比0.7時(shí)不同穩(wěn)焰器的火焰結(jié)構(gòu)

Fig.9 Flame structure with different stabilizers for an equivalent ratio of 0.7

2.4 預(yù)混氣通過(guò)多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器時(shí)非反應(yīng)流和反應(yīng)流振蕩

圖10和圖11給出了甲烷體積流量為2 L/min，預(yù)混氣當(dāng)量比為0.65時(shí)，預(yù)混氣通過(guò)多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器時(shí)非反應(yīng)流和反應(yīng)流的壓力頻譜。

圖10 預(yù)混氣通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)非反應(yīng)流在預(yù)混室和燃燒室的頻譜圖Fig.10 Spectrum of non-reacting flow in premixed reactor and combustion chamber with premixed gas passing through porous medium

圖11 預(yù)混氣通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)反應(yīng)流在預(yù)混室和燃燒室的頻譜圖Fig.11 Spectrum of reacting flow in premixed reactor and combustion chamber with premixed gas passing through porous medium

從圖10可以看出，燃燒室內(nèi)非反應(yīng)流的壓力擾動(dòng)主要是100 Hz以下的低頻擾動(dòng)；而預(yù)混室內(nèi)壓力擾動(dòng)頻率與燃燒室中截然不同，這說(shuō)明預(yù)混室的聲壓主要來(lái)自2種氣體流動(dòng)過(guò)程中的氣體擾動(dòng)，燃燒室內(nèi)的壓力擾動(dòng)是預(yù)混氣流經(jīng)切向旋流葉片時(shí)誘發(fā)的，兩者都是純粹的氣體流動(dòng)造成的。

從圖11可以看出，燃燒室內(nèi)反應(yīng)流的壓力擾動(dòng)頻譜發(fā)生了顯著變化，這說(shuō)明火焰熱釋放對(duì)燃燒室的壓力振蕩起到一定的激勵(lì)作用，從而使燃燒室內(nèi)壓力振蕩的振幅和基頻都發(fā)生變化。主要表現(xiàn)為：在基頻 125 Hz下，振幅很高；250 Hz和375 Hz 頻率下，也存在較高的壓力振蕩；同時(shí)還存在30 Hz、60 Hz下的分諧頻振蕩，分諧頻振蕩是典型的非線性混沌現(xiàn)象。從圖11還可以看出，燃燒室內(nèi)的壓力振蕩對(duì)預(yù)混室內(nèi)的壓力振蕩有一定影響，即預(yù)混室和燃燒室內(nèi)的壓力振蕩是同頻的，只是幅值低于燃燒室內(nèi)的壓力振蕩，說(shuō)明燃燒室內(nèi)一部分振蕩產(chǎn)生的能量通過(guò)穩(wěn)焰器傳遞到預(yù)混室，引起預(yù)混室內(nèi)的壓力發(fā)生諧振?；鹧娌环€(wěn)定振蕩是一種激勵(lì)振蕩，而火焰的周期性熱釋放就是不穩(wěn)定振蕩的激勵(lì)源。同時(shí)，燃燒室內(nèi)壓力振蕩對(duì)火焰熱釋放也存在反作用。

3 結(jié) 論

(1)實(shí)驗(yàn)研究了3種結(jié)構(gòu)穩(wěn)焰器的熄火極限，其中多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器的熄火極限最好，其次是徑向旋流穩(wěn)焰器，切向旋流穩(wěn)焰器的熄火極限最差。

(2)燃燒室火焰不穩(wěn)定性研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器的火焰穩(wěn)定性最好，其次是徑向旋流穩(wěn)焰器，切向旋流穩(wěn)焰器的火焰穩(wěn)定性最差。且多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器的火焰封閉性最好，其次是徑向旋流穩(wěn)焰器，切向旋流穩(wěn)焰器的火焰封閉性最差。

(3)對(duì)預(yù)混氣通過(guò)多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器時(shí)非反應(yīng)流和反應(yīng)流在燃燒室和預(yù)混室內(nèi)的壓力振蕩進(jìn)行了研究，反應(yīng)流頻譜圖中燃燒室的不穩(wěn)定性對(duì)預(yù)混室有一定影響。