金 武，任超群，湯朝偉，李夏飛，李建中

(南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016)

預(yù)混稀燃由于其在效率和排放上的巨大優(yōu)勢，被認(rèn)為是未來清潔高效燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中最有前景的燃燒技術(shù)，并已在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電中的具有超低 NOx排放的大型天然氣燃?xì)廨啓C(jī)中，以滿足最嚴(yán)格的排放法規(guī).此外，在航空工業(yè)上，NOx排放條例也越來越嚴(yán)格.因此，下一代運用于航空發(fā)動機(jī)的預(yù)混稀薄燃燒技術(shù)正在快速發(fā)展中.目前商用飛機(jī)發(fā)動機(jī)已經(jīng)開始運用預(yù)混稀燃技術(shù).裝備在波音787、747-8 飛機(jī)上的通用電氣GEnx發(fā)動機(jī)的 TAPS 燃燒器(twin annular premixing swirler combustor)[1]便是采用的預(yù)混稀燃模式.同時，預(yù)混火焰具有長度短、尺寸緊湊的優(yōu)點，能夠讓發(fā)動機(jī)的尺寸縮減，方便應(yīng)用于小型商用噴氣機(jī)發(fā)動機(jī)、移動式燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī).但是，穩(wěn)定性不足是預(yù)混稀燃技術(shù)利用時的最大限制，尤其是在高速強(qiáng)湍流條件下，易出現(xiàn)整體吹熄、局部淬熄等現(xiàn)象.為防止這些現(xiàn)象發(fā)生，通過值班火焰產(chǎn)生的高溫氣體保護(hù)，通常可以達(dá)到在底部穩(wěn)定高速火焰的目的.但是在強(qiáng)湍流作用下，仍有可能造成整體淬熄，從而在頂部出現(xiàn)開口現(xiàn)象；關(guān)于此現(xiàn)象的整體吹熄機(jī)制研究，是一個值得研究的前沿課題.

在湍流擴(kuò)散火焰中，隨著出口速度增大，火焰中局部熄滅發(fā)生的比例越來越大，火焰逐漸逼近吹熄.局部熄滅的發(fā)生取決于局部的標(biāo)量耗散率，其值隨燃料不同而變化，但當(dāng)局部熄滅的比例超過一定的閾值時，就會發(fā)生整體的吹熄[2].Tuttle 等[3-4]和Chaudhuri 等[5-7]發(fā)現(xiàn)了在鈍體穩(wěn)燃的湍流預(yù)混火焰中存在一個類似的機(jī)制，Shanbhogue 等[8]在一篇綜述文獻(xiàn)中對預(yù)混火焰的速度極限和吹熄的動力學(xué)理論提供了進(jìn)一步的解釋.在本生燈類型的火焰中，當(dāng)沒有熱的保護(hù)協(xié)流時，從環(huán)境中卷入冷的渦流是導(dǎo)致火焰淬熄的主要原因[9-11]；而在具有熱的協(xié)流時，其原因主要是隨著整體湍流強(qiáng)度增加，火焰的反應(yīng)速率下降并最終到達(dá)吹熄極限[12-14].以前研究過的所有本生燈類型的預(yù)混燃燒器的共同之處在于，湍流是通過上游的、主動或被動的網(wǎng)格或插槽引入的，以得到在預(yù)混燃燒流中均勻的準(zhǔn)各向同性湍流.但是在這種流動中，湍流強(qiáng)度由湍流生成孔板的大小決定，其強(qiáng)度仍十分有限，因而更高強(qiáng)度下湍流火焰的研究還十分匱乏.因此，作者通過雙層結(jié)構(gòu)燃燒器，在兩個混合流中引入速度梯度來產(chǎn)生小尺度的強(qiáng)湍流，由此產(chǎn)生的射流火焰可以通過改變來流之間的相對速度來控制湍流強(qiáng)度，并基于此開展一系列湍流與火焰相互作用的研究工作[15]，采用標(biāo)準(zhǔn)激光多普勒測速儀(LDV)測量湍流流場信息，采用高速PLIF 測量火焰結(jié)構(gòu).在過去，針對湍流火焰模式分區(qū)圖中破碎區(qū)的邊界問題，發(fā)現(xiàn)即使在Ka＞100(傳統(tǒng)理論上的破碎區(qū))的情況下，火焰反應(yīng)區(qū)厚度仍保持不變.本文進(jìn)一步針對CH 自由基的測量結(jié)果進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)區(qū)的統(tǒng)計分析，探究不同強(qiáng)度湍流下，有限化學(xué)反應(yīng)速率的影響.實驗發(fā)現(xiàn)在靠近值班火焰(pilot flame)的上游區(qū)域也出現(xiàn)了局部淬熄現(xiàn)象，并討論了小尺度強(qiáng)湍流作用下的火焰結(jié)構(gòu)、淬熄機(jī)理和反應(yīng)區(qū)變化規(guī)律.

1 實驗裝置和方法

本實驗主要在悉尼大學(xué)清潔燃燒實驗室完成，采用的高速測量系統(tǒng)與文獻(xiàn)[15]類似，如圖1 所示，其中包括OH-PLIF 和CH-PLIF 兩套激光測量系統(tǒng).實驗過程中使用532 nm 的Nd：YAG 激光激發(fā)含有Rhodamin 6G 乙醇溶液的染料激光器產(chǎn)生566 nm 左右的染料激光，后經(jīng)倍頻晶體和波長分離元件得到283.553 nm 的激勵光束以激發(fā)OH 自由基.其脈沖能量約為0.1 mJ，重復(fù)速率為10 kHz.激光光束由片光元件在水平方向上聚焦到爐口中心位置，垂直方向上擴(kuò)展的高度為40 mm，采用刀片掃描法測量得到激光束腰厚度為180 μm.選擇315.589 nm 的波長進(jìn)行CH 自由基的測量.通過調(diào)節(jié)光柵、倍頻晶體和波長分離元件，獲得315.589 nm 的激光，其脈沖能量在10 kHz 的頻率下約為0.2 mJ.同樣，采用刀片掃描技術(shù)測量得到激光厚度為210 μm.

圖1 高速CH-OH-PLIF同步測量系統(tǒng)示意[15]Fig.1 Illustration of high-speed CH-OH-PLIF synchronous measurement system[15]

雙層結(jié)構(gòu)燃燒器如圖2 所示，燃燒器由同心的“環(huán)形”和“射流”管組成，由值班火焰環(huán)包圍.環(huán)形管內(nèi)徑D＝7.5 mm，而中心射流管內(nèi)徑為2.5 mm.整個燃燒器被放置在一個15 cm×15 cm 的風(fēng)洞中，提供15 m/s 的勻速協(xié)流，對燃燒器起到冷卻作用，并防止空氣中的灰塵等雜質(zhì)卷入而干擾檢測信號.射流管和環(huán)形管之間的相對距離Lr，可在出口平面平齊(Lr＝0 mm)到射流出口平面的上游300 mm 間自由調(diào)節(jié).

圖2 悉尼雙層結(jié)構(gòu)燃燒器Fig.2 Sydney burner with bi-layer structure

通過這樣精巧的設(shè)計可以達(dá)到兩個方面的控制.一方面，可以通過控制Lr控制環(huán)形管中氣體與中心射流管流出氣體的混合程度.例如，中心射流管通入氣體是純?nèi)剂?，環(huán)形管氣體是空氣.那么，當(dāng)Lr＝0 mm 時，燃燒器產(chǎn)生的就是標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)散火焰.同理，當(dāng)Lr＝300 mm 時，燃料和空氣擁有充足的時間混合均勻，此時，在出口點燃后就是預(yù)混火焰.而當(dāng)Lr取中間值時，便得到不同混合程度的部分預(yù)混火焰.另一方面，還可以通過控制中心管和環(huán)管中氣體的體積流量，從而得到出口速度不同的兩股射流.因此，可以通過調(diào)節(jié)兩部分體積流量控制兩股射流間剪切作用強(qiáng)度，進(jìn)而控制湍流強(qiáng)度.

本文主要利用該燃燒器研究不同剪切作用下湍流強(qiáng)度變化對稀燃預(yù)混火焰穩(wěn)定性的影響，因而將相同當(dāng)量比下不同體積流量的均勻混合物分別通入射流管和環(huán)形管.對于給定的當(dāng)量比和整體出口速度，剪切作用可以通過兩種方式引入.第一，通過控制導(dǎo)流分?jǐn)?shù)Q，其代表中心射流的體積流量與總體積流量(中心射流加環(huán)形管)的比值.對于固定的總體積流速，Q 值的變化可以改變射流和環(huán)流之間的速度梯度.第二，固定Q 值，剪切強(qiáng)度也可以通過改變凹陷距離Lr控制.應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)中心管凹陷到Lr＝300 mm 時，從燃燒器出口的氣體可以近似看作一個均質(zhì)射流.

對于流場，主要使用LDV 進(jìn)行測量.本文采用商用的 TSI-激光多普勒測速(TSI Model FSA 3500/4000)系統(tǒng)對速度和湍流場的雙分量進(jìn)行測量.微米大小的 Al2O3粒子通過旋風(fēng)播種機(jī)播種到反應(yīng)火焰中.通過測量氬離子激光器(Coherent Innova)輸出激光(514.5 nm 和488 nm)的散射，分別測定了速度的軸向和徑向分量.這些光束是由一個焦距350 mm 和分離距離50 mm 的光纖組件傳輸，在測量位置的光束直徑約為85 μm，邊緣寬度為3.2 μm.接收器焦距為300 mm，呈45°的面對散射光.測量的有效頻率介于0.1～10 kHz 之間，每個分量上有效采樣5 000 次.

實驗中壓縮天然氣(CNG)被用作燃料，其中CNG 中包含88% CH4、7.8% C2H4、1.9% CO2、1.2% N2以及1.1% H2、水和其他碳?xì)浠衔?值班火焰是由C2H2、H2、CO2、O2和N2的混合氣產(chǎn)生，通過控制各個氣體的配比以獲得與CH4/空氣混合氣相近的絕熱火焰溫度和C/H 摩爾比.同時其熱釋放率為2.2 kW.表1 給出了本文所研究的工況，主要分為6 組，分別是研究無剪切流作用下不同體積流速(Ub，整體體積流量/環(huán)形管出口面積)和當(dāng)量比(φ)對火焰的影響(序號1 和2).此外，在不同的當(dāng)量比和體積流速下，通過改變導(dǎo)流分?jǐn)?shù)(Q)控制不同的射流間的速度梯度，從而探究剪切湍流強(qiáng)度對化學(xué)反應(yīng)的影響(序號3、4、5).最后，通過改變中心射流管的凹陷距離(Lr)，分析湍流發(fā)展時間對火焰的作用機(jī)制(序號6).

表1 實驗工況Tab.1 Experimental conditions

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗圖片對比

圖3 給出了不同火焰的CH-PLIF 圖片隨時間的變化情況(φ＝0.85，Ub＝80 m/s)，對應(yīng)了不同的軸向位置和不同Q 值下火焰的一些典型CH 測量結(jié)果.實驗中對整個火焰進(jìn)行分段測量，間隔15 mm，每個工況在同一個高度位置給出了火焰CH-PLIF 熒光信號隨時間的變化規(guī)律，中間相隔0.1 ms，因此可以清晰地看到火焰的連續(xù)變化和淬熄現(xiàn)象的發(fā)生過程.CH 代表高溫反應(yīng)區(qū)，因為化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時間很短，故CH 層很薄.隨著火焰在下游距離的進(jìn)一步發(fā)展，CH 層變得高度褶皺，最后開始逐漸破裂.

圖3 CH-PLIF測量圖片F(xiàn)ig.3 Photos of CH-PLIF measurement

圖3(a)是完全預(yù)混的射流火焰，Lr＝300 mm，體積流速為80 m/s，整個混合物在混合均勻后從外環(huán)管中噴出.從圖中CH 的亮度分布可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)強(qiáng)度在接近燃燒器出口時最高，而在末端逐漸降低，頂端存在一定的開口現(xiàn)象.同時，火焰褶皺程度較低，可以清晰地捕捉到火焰曲面隨氣流向上方移動的過程.將凹陷長度縮短至Lr＝35 mm 以及導(dǎo)流分?jǐn)?shù)為30%時(圖3(b))，由于內(nèi)部剪切湍流的存在，火焰燃燒的加強(qiáng)，高度有所減少，頂部燃燒得以增強(qiáng).此時，中心管和環(huán)管的體積速度分別為Uj＝216 m/s 和Ua＝88 m/s(Uj/Ua＝2.5).火焰褶皺程度顯著增加，由于剪切增加導(dǎo)致湍流強(qiáng)度增加，一方面，反應(yīng)面積增大使燃燒變得更為劇烈.另一方面，由于湍流強(qiáng)度的增加，CH 層在更上游的位置發(fā)生破裂.但當(dāng)導(dǎo)流分?jǐn)?shù)增加至Q＝0.45 時(圖3(c))，中心管與環(huán)管射流速度比達(dá)到4.7，兩者速度差造成的強(qiáng)剪切作用大大縮短了火焰，火焰在底部就出現(xiàn)破碎，并在下游已大部分消失，這也說明了此時湍流過大，頂部幾乎完全熄滅，呈圓筒狀的外觀和開放的頂端，表明未燃?xì)饪赡軓捻敳刻右?同時，火焰褶皺的變化過程加速，前后兩張圖片測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)大幅降低，反映出此時強(qiáng)剪切湍流時間尺度的降低.

2.2 火焰內(nèi)部結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計分析

為了進(jìn)一步深入了解湍流對燃燒強(qiáng)度的提高和可能引起的淬熄現(xiàn)象，自主編寫程序來計算每幀圖像中的CH 的數(shù)量，以及它的整體面積.為了提取每個圖像中的相關(guān)信息，需要對所收集的信號施加閾值，以確定CH 區(qū)域的邊緣.這個閾值可以自動或手動選擇，根據(jù)背景噪聲和成像靈敏度的情況.在這里仍采用Ostu 自適應(yīng)閾值算法[16]，它通過分析每個單獨的圖像，并計算閾值使判別標(biāo)準(zhǔn)[17]最大化.一旦確定了最佳閾值，圖像就會被二值化，CH 自由的碎片數(shù)NCH就能被計算出，如圖4 所示.為了進(jìn)一步驗證此方法的有效性，對于每個工況，隨機(jī)選擇60 個原始圖像，并手動計算CH 碎片數(shù)量.如果自動閾值法計算的碎片數(shù)與人工計數(shù)相差小于 5%，則結(jié)果被認(rèn)為是可靠的.最后，這種自動閾值的方法，在信噪比比較好的情況下被證明是可靠的.對于CH 自由基的面積，自動閾值法則有其局限性，使用一個固定的閾值相對來說更為科學(xué).該自動閾值法在確定火焰表面面積時，信噪比不同，確定的閾值也不同，而閾值不同會對計算得到的CH 的總面積產(chǎn)生影響.為了提高一致性和減少結(jié)果中的偏差，應(yīng)將固定閾值應(yīng)用于所有情況.這一固定閾值是在對一系列閾值、許多不同的情況進(jìn)行敏感性分析后確定的.

采用CH 的面積作為燃燒速率的指標(biāo)，同時結(jié)合其碎片數(shù)可以反映當(dāng)?shù)卮阆ǖ那闆r.圖5 左側(cè)給出了不同當(dāng)量比(φ＝0.85 和φ＝1.05)、導(dǎo)流分?jǐn)?shù)(Q 分別為0、0.08、0.30、0.45)、出口流速(Ub＝80 m/s、Ub＝100 m/s)和凹陷距離(Lr＝35 mm、Lr＝75 mm、Lr＝300 mm)的火焰軸向剖面上，與x/D(x 指距離路面的距離，D 為爐口直徑)相對應(yīng)的CH 面積ACH，其值是在除以圖片大小(232×380)無量綱化后得到的.圖5 右側(cè)給出了在不同火焰中各軸向位置的圖像中可以觀察到的CH 碎片的平均數(shù)NCH.更大的CH 面積對應(yīng)更大的反應(yīng)區(qū)域，對應(yīng)更強(qiáng)的燃燒速率.

圖4 CH碎片數(shù)量判定過程示意Fig.4 The counting method of CH segments

對于圖5 所示的每個工況，ACH表征的峰值燃燒速率所處的軸向位置隨著Q 的增加而向上游轉(zhuǎn)移，這與圖3 中顯示的規(guī)律一致.適量地增加Q 值會導(dǎo)致CH 面積的增加，表明燃燒的增強(qiáng)，因為火焰的褶皺為單位火焰長度提供了更多的表面面積.CH 的碎片數(shù)量則反映火焰前鋒面被湍流渦撕裂的頻率.

圖5 CH自由基面積ACH(左)和碎片數(shù)(右)隨軸向位置x/D 的變化Fig.5 Normalized area and segment number of CH versus x/D

在考慮了流場的發(fā)展和火焰位置的基礎(chǔ)上，選擇x/D＝3 的位置進(jìn)行分析，圖6 給出了與u′(圖6 左側(cè))和u′v′(圖6 右側(cè))對應(yīng)的CH 碎片數(shù)NCH和面積ACH的結(jié)果.u′ 和u′v′取橫截面上CH 信號值達(dá)到最大的位置.從圖中可以看出，CH 面積所反映的燃燒速率與局部湍流強(qiáng)度直接相關(guān).隨著湍流的增加，反應(yīng)層開始斷裂，CH 碎片數(shù)也隨之增加，另一方面，湍流的擾動也增大了火焰的反應(yīng)面積.從ACH隨u′和u′v′變化的趨勢圖可以看出，湍流對火焰的作用可以分為3 個階段.第1 階段，湍流擾動對反應(yīng)區(qū)面積的增大作用遠(yuǎn)大于湍流導(dǎo)致的局部猝熄現(xiàn)象.因而，整體CH 反應(yīng)區(qū)面積隨湍流強(qiáng)度增加而增加.第2 階段，湍流強(qiáng)度進(jìn)一步增大，導(dǎo)致的局部淬熄越來越多，對應(yīng)NCH的進(jìn)一步增加.湍流對反應(yīng)區(qū)面積的增加與其導(dǎo)致局部淬熄相互競爭，因而ACH在此階段隨湍流強(qiáng)度的變化相對平緩.進(jìn)一步增加湍流，其強(qiáng)度超過了一定的閾值，進(jìn)入第3 個階段，局部淬熄大量發(fā)生，火焰整體吹熄，ACH驟降，NCH也因為反應(yīng)的減少而下降.注意到，在此實驗中這個閾值對應(yīng)于21.2 m/s 的湍流脈動速度和 170 m2/s2的剪切應(yīng)力.火焰在這個過程中逐漸進(jìn)入破碎區(qū)，小渦尺度與化學(xué)反應(yīng)尺度相當(dāng)，且又具備高剪切力，從而使大量反應(yīng)層熄滅.

圖6 在x/D＝3下CH面積ACH和碎片數(shù)NCH隨u′和u′v′的變化.Fig.6 Normalized area and segment number of CH versus u′ and u′v′ at x/D＝3

3 結(jié)論

(1) 運用高速CH-PLIF 技術(shù)實現(xiàn)了對天然氣稀燃預(yù)混火焰從薄火焰面區(qū)到破碎區(qū)的火焰內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同步測量，提供了破碎區(qū)湍流火焰的寶貴數(shù)據(jù).

(2) 結(jié)合LDV 測量得到的流場信息和提取出反應(yīng)區(qū)面積等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了湍流對火焰反應(yīng)層的兩方面影響.一方面是通過增加反應(yīng)區(qū)面積增強(qiáng)了燃燒強(qiáng)度，另一方面高強(qiáng)度的剪切拉伸導(dǎo)致反應(yīng)層出現(xiàn)局部淬熄.

(3) 在一定范圍內(nèi)，湍流對反應(yīng)的增強(qiáng)作用占主導(dǎo)，從而能夠通過增加剪切作用增強(qiáng)射流火焰的穩(wěn)定性.當(dāng)湍流強(qiáng)度超過一定值，火焰進(jìn)入破碎區(qū)，小渦尺度與化學(xué)反應(yīng)尺度相當(dāng)，火焰出現(xiàn)大量局部淬熄現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整體吹熄.