徐欣宇，王?平，姜霖松，李偉超，曾海翔，何祖強(qiáng)，Prashant Shrotriya

雙旋流火焰不穩(wěn)定性模態(tài)轉(zhuǎn)換

徐欣宇，王?平，姜霖松，李偉超，曾海翔，何祖強(qiáng)，Prashant Shrotriya

(江蘇大學(xué)能源研究院，鎮(zhèn)江 212013)

采用DTF燃燒模型通過(guò)大渦模擬(LES)對(duì)本課題組設(shè)計(jì)的燃燒室中甲烷/空氣貧燃預(yù)混旋流火焰的燃燒不穩(wěn)定性模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象進(jìn)行了研究．通過(guò)計(jì)算不同當(dāng)量比的燃燒狀況，在當(dāng)量比漸增到0.9附近時(shí)，發(fā)現(xiàn)火焰結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變化，火焰模態(tài)從M型轉(zhuǎn)換為V型．對(duì)此過(guò)程計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，分析其前后各自溫度場(chǎng)，平均軸向、徑向燃燒室內(nèi)速度分布，取分別為5mm、15mm、25mm、40mm、60mm處軸向和徑向脈動(dòng)速度，采用準(zhǔn)則方法，POD方法分析流場(chǎng)中的渦旋結(jié)構(gòu)，從而分析其燃燒不穩(wěn)定性和影響火焰結(jié)構(gòu)的主要因素．發(fā)現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換前平均火焰為“M”型，轉(zhuǎn)換后為“V”型，V型火焰是一種更為穩(wěn)定的火焰結(jié)構(gòu)，火焰模態(tài)的轉(zhuǎn)換受內(nèi)、外剪切層位置的直接影響并與渦脫落模式有重要關(guān)系．

燃燒不穩(wěn)定性；旋流火焰；模態(tài)轉(zhuǎn)換；Q準(zhǔn)則；正交分解

近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于嚴(yán)格控制污染排放的法律法規(guī)不斷出臺(tái)，日益嚴(yán)格的排放要求迫使燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)指標(biāo)不止是先前的單純追求高效率，而是逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝阅堋⒌臀廴荆鲊?guó)開(kāi)展低污染技術(shù)的研究，貧燃預(yù)混燃燒作為一種清潔的燃燒方式，是在燃燒中提供高出所需的空氣量，可以有效降低氮氧化物、未完全燃燒碳?xì)浠衔镆约耙谎趸嫉呐欧帕?，被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)等燃燒系統(tǒng)中[1]．但在貧燃預(yù)混燃燒中，常會(huì)發(fā)生燃燒的靜態(tài)不穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)不穩(wěn)?定[2]．旋流器因?yàn)榭梢栽谝欢ǔ潭壬嫌脕?lái)穩(wěn)定火焰，得到了廣泛的應(yīng)用，在貧燃預(yù)混燃燒中，旋流入流和中心鈍體是普遍采用的穩(wěn)焰手段．在燃燒室的上游位置處，旋流入流可以提供一個(gè)中心回流區(qū)來(lái)作為良好的混合區(qū)域．中心回流區(qū)同時(shí)可以用于調(diào)整火焰的長(zhǎng)度、燃燒強(qiáng)度和穩(wěn)定性．

在旋流燃燒中，火焰結(jié)構(gòu)受旋流數(shù)、燃燒室尺寸、化學(xué)當(dāng)量比、雷諾數(shù)、預(yù)熱溫度等多方面的影響．Taamallah等[3]在研究中發(fā)現(xiàn)火焰結(jié)構(gòu)主要分為以下4種：柱狀管狀火焰Ⅰ，氣泡柱狀火焰Ⅱ，沿內(nèi)剪切層穩(wěn)定的單錐火焰Ⅲ，由內(nèi)外剪切層共同穩(wěn)定的雙錐火焰Ⅳ，如圖1所示．

Taamallah等[4]利用PIV對(duì)這4種火焰結(jié)構(gòu)的平均流場(chǎng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這些火焰之間的回流區(qū)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)動(dòng)力學(xué)發(fā)生了變化．管狀火焰的特征是一個(gè)開(kāi)放的內(nèi)部再循環(huán)區(qū)或中心渦核，在燃燒室中心軸線周圍有連貫的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，表明這是一種不對(duì)稱的錐渦破碎類型．在這些火焰結(jié)構(gòu)中火焰結(jié)構(gòu)Ⅲ和Ⅳ以及它們中間轉(zhuǎn)變的原因更值得研究．原因主要有：它們是更穩(wěn)定的火焰，并且這兩種狀態(tài)下不容易出現(xiàn)貧燃吹熄現(xiàn)象；這一轉(zhuǎn)變與燃燒室中熱聲振蕩[5]的開(kāi)始有關(guān)．根據(jù)它們的幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)，在一些研究中將火焰結(jié)構(gòu)Ⅲ命名為V型火焰，火焰結(jié)構(gòu)Ⅳ命名為M型火焰．

在研究氫氣添加的影響中，Kim等[6]也發(fā)現(xiàn)隨著氫含量的增加，火焰鋒沿外部回流區(qū)和外剪切層傳播的傾向增加．他們定性推測(cè)，這一效應(yīng)是由于添加氫使得火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，以及增?qiáng)了對(duì)熄滅的抵抗力.此外，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比和氫含量的不同組合可以形成相似的火焰形狀．Guiberti 等[7]研究了氫對(duì)熱聲穩(wěn)定燃燒的影響，以定量的方式證實(shí)了上述發(fā)現(xiàn). Guiberti等[7]通過(guò)從PLIF圖像中提取OH信號(hào)，量化了外部回流區(qū)中存在火焰的概率．他們發(fā)現(xiàn)氫的加入增加了M型火焰(沿內(nèi)外剪切層穩(wěn)定的火焰)的可能性．

其他的研究主要集中在研究來(lái)流條件和燃燒室?guī)缀涡螤顚?duì)不同火焰宏觀結(jié)構(gòu)及其過(guò)渡點(diǎn)的影響. Foley等[8]通過(guò)改變雷諾數(shù)(84000～170000)和旋流數(shù)(采用葉片角為37°和45°的軸向旋流器)分析了流動(dòng)條件對(duì)火焰Ⅲ和Ⅳ過(guò)渡的影響．滯后現(xiàn)象使得火焰Ⅲ到Ⅳ的過(guò)渡點(diǎn)比火焰Ⅳ到Ⅲ的過(guò)渡點(diǎn)需要更高的當(dāng)量比．遲滯區(qū)的范圍顯示取決于流動(dòng)條件．雖然對(duì)旋流數(shù)的靈敏度相對(duì)較弱，但在較高的旋流時(shí)，需要較高的當(dāng)量比才能在外部回流區(qū)/外剪切層中建立火焰．這種行為是“反直覺(jué)的”，因?yàn)樵黾有鲾?shù)通常被認(rèn)為有穩(wěn)定火焰的作用，而且旋流對(duì)火焰穩(wěn)定的作用是復(fù)雜的，需要進(jìn)一步的分析．雷諾數(shù)對(duì)火焰形狀轉(zhuǎn)換的影響更為直接；與進(jìn)氣管道雷諾數(shù)的關(guān)系更為直觀，這是基于外界剪切層中較高的應(yīng)變率會(huì)阻礙火焰在較低當(dāng)量比時(shí)穩(wěn)定在該位置的普遍猜想．

Taamallah 基于前人工作，研究火焰在典型旋流穩(wěn)定燃燒室外回流區(qū)出現(xiàn)的機(jī)理及其主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)，并通過(guò)研究解釋不同工況(如燃料成分、雷諾數(shù)和渦流數(shù)以及熱邊界條件)對(duì)這種過(guò)渡及其主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)的影響，最后提出其發(fā)生的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)．其使用OH-PLIF測(cè)量發(fā)現(xiàn)火焰最初沿著內(nèi)剪切層穩(wěn)定之后被帶入外部回流區(qū)，分離的反應(yīng)內(nèi)核導(dǎo)致它點(diǎn)燃．這個(gè)火焰內(nèi)核是最初堆積在外部回流區(qū)中的反應(yīng)物所形成的著火源．在火焰轉(zhuǎn)變起始對(duì)應(yīng)的臨界當(dāng)量比時(shí)，可以成功點(diǎn)燃整個(gè)外部回流區(qū)反應(yīng)物區(qū)域．在臨界當(dāng)量比以下，其證明了火焰核偶爾仍能達(dá)到外部回流區(qū)，但總是無(wú)法進(jìn)一步發(fā)展．從火焰Ⅲ過(guò)渡到火焰Ⅳ的主要?jiǎng)恿χ皇腔鹧骈g接的旋轉(zhuǎn)由方位角外部回流區(qū)的平流導(dǎo)致，這種運(yùn)動(dòng)可以用一個(gè)同時(shí)考慮渦流和進(jìn)口體積速率影響的渦旋Strouhal數(shù)來(lái)描述．研究中證明了這種轉(zhuǎn)變與外部回流區(qū)邊界處的熱損失水平無(wú)關(guān)，它是由熄滅應(yīng)變率和外部回流區(qū)中火焰旋轉(zhuǎn)頻率之間的平衡所控制的．對(duì)于不同的工況條件(雷諾數(shù)、當(dāng)量比等)，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)足夠快時(shí)，火焰能夠在外部回流區(qū)中存在，點(diǎn)燃它并最終穩(wěn)定在外剪切層上.在外部回流區(qū)中循環(huán)的反應(yīng)物的突然和間歇點(diǎn)火導(dǎo)致總體放熱速率的大波動(dòng)，這是轉(zhuǎn)變的主要后果之一.這表明，這種變化是導(dǎo)致熱聲不穩(wěn)定性的潛在機(jī)制.

由以上學(xué)者研究可以看出，火焰結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定性和耦合振蕩的重要因素．而渦脫落、角回流區(qū)、釋熱面的變化等都是可能導(dǎo)致火焰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化的原因，下文中也將結(jié)合具體模擬計(jì)算工況進(jìn)行分析研究．

為了對(duì)火焰的燃燒不穩(wěn)定性模態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行深入研究，本文對(duì)本課題組自行設(shè)計(jì)的雙級(jí)軸向旋流燃燒器采用DTF模型進(jìn)行了大渦模擬，研究了不同當(dāng)量比對(duì)燃燒不穩(wěn)定性的影響．并捕捉到在當(dāng)量比為0.9附近出現(xiàn)火焰形狀從M型到V型的模態(tài)轉(zhuǎn)換，采用準(zhǔn)則，Tecplot360中數(shù)據(jù)后處理功能，POD(本征正交分解)方法對(duì)M型，V型以及其中間轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行深入分析，找出與其有關(guān)的因素．

1?方法

1.1?DTF模型介紹

DTF火焰增厚模型是在人為增厚火焰(artificial thickened-flame，ATF)模型的思想的基礎(chǔ)上通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)而得到的．火焰的厚度在常溫常壓下處于0.1～0.5mm的范圍，而燃燒化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)劇烈變化及伴隨著放熱的過(guò)程，在如此薄的火焰面內(nèi)發(fā)生時(shí)，CO2、CO、H2O等組分及、等參數(shù)均會(huì)受到影響發(fā)生巨大變化．因此若想得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，準(zhǔn)確捕捉和描述燃燒過(guò)程中出現(xiàn)的組分變化情況，對(duì)網(wǎng)格尺度的要求就是在火焰面內(nèi)沿法線方向上需要覆蓋10個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)以上，即使按火焰厚度區(qū)間最大值0.5mm來(lái)估算，所選取的網(wǎng)格尺寸應(yīng)該小于0.05mm．而通常0.5mm網(wǎng)格在LES中已經(jīng)是比較細(xì)的網(wǎng)格，其網(wǎng)格尺度是0.05mm的10倍不能直接精確在燃燒過(guò)程中描述火焰結(jié)構(gòu)，而進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量的增大．Butler等[9]針對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)發(fā)出火焰增厚模型，主要思想為在模擬計(jì)算過(guò)程中修改化學(xué)反應(yīng)速率指前因子常數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)，人為使火焰的厚度增厚到可被LES網(wǎng)格尺度求解的程度．此方法缺陷在于火焰的厚度改變后火焰的數(shù)(表征湍流時(shí)間與化學(xué)反應(yīng)時(shí)間之比的無(wú)量綱數(shù))會(huì)變?yōu)樵档姆种?，?shù)的改變會(huì)使得火焰與湍流的相互作用關(guān)系出現(xiàn)變化，具體表現(xiàn)為：火焰面運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程中對(duì)于湍流流場(chǎng)的擾動(dòng)作用的影響變得不敏感，相反的對(duì)火焰面的拉伸效應(yīng)方面則變得更為敏感．并且火焰的增厚改變了分子輸運(yùn)與化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用關(guān)系，使得在模擬中有關(guān)化學(xué)反應(yīng)燃燒放熱對(duì)湍流場(chǎng)影響的結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性降低，見(jiàn)表1．為解決和優(yōu)化這些缺陷，Colin等[10]利用直接數(shù)值模擬系統(tǒng)性分析了流場(chǎng)中火焰與渦旋的相互作用，并提出提出了褶皺效能函數(shù)的概念．

表1?火焰各參數(shù)在增厚前后的對(duì)比

Legier等[11]、Kuenne等[12]及張科等[13]認(rèn)為僅在火焰面位置處進(jìn)行增厚有助于提高模型的計(jì)算精確性，因?yàn)榧偃缛衷龊駮?huì)使得流場(chǎng)的物理特性出現(xiàn)改變，其處理辦法為引入火焰面探測(cè)函數(shù)來(lái)在流體域中捕獲火焰面的位置，增厚因子變?yōu)橐粋€(gè)動(dòng)態(tài)可調(diào)整的值，僅在火焰面位置處進(jìn)行增厚，而在遠(yuǎn)離火焰區(qū)域處增厚因子被平滑過(guò)渡為1．新加入的動(dòng)態(tài)增厚因子dyn表達(dá)式如下：

表2?常用的探測(cè)函數(shù)及激活函數(shù)

Tab.2?Commonly used detection functions and activation functions

1.2?燃燒室介紹

本文LES模擬計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)PIV測(cè)量所使用的均為自主設(shè)計(jì)的雙旋流燃燒平臺(tái)裝置，圖2所示為其幾何結(jié)構(gòu)平面示意．裝置基本構(gòu)成包含：進(jìn)氣管道、旋流器、燃燒室和尾氣出口等．其具體幾何尺寸如圖2所示．預(yù)混氣通過(guò)內(nèi)外管道分別經(jīng)過(guò)旋流器作用后，形成有切向速度的旋轉(zhuǎn)入流進(jìn)入燃燒室內(nèi)部．燃燒室在設(shè)計(jì)上采用的4個(gè)不銹鋼支柱支撐，四周用石英玻璃進(jìn)行密封，并且為實(shí)驗(yàn)測(cè)量需要在一個(gè)不銹鋼支柱上開(kāi)兩個(gè)孔．目的是為了安裝儀器用于燃燒過(guò)程中采集測(cè)量燃燒室內(nèi)所需要空間位置點(diǎn)處的溫度分布以及壓力分布，若不需要使用則需將兩口堵住防止漏氣影響流場(chǎng)結(jié)果．

通過(guò)在進(jìn)氣管道末端，燃燒室入口前安裝旋流器來(lái)達(dá)到旋流的狀態(tài)．雙級(jí)軸向旋流器如圖3所示，此旋流器為同向旋流器，內(nèi)外旋流葉片保持一致的旋轉(zhuǎn)角度，其結(jié)構(gòu)形式為扭曲葉片軸向式，采用葉片繞中心線的螺旋角度來(lái)定義其扭曲程度．此旋流器中葉片螺旋線角度為120°，8個(gè)葉片組成，每個(gè)葉片的厚度均為0.6mm，此為3D打印的最小精度．旋流器固定在雙同心管道和燃燒室之間，中心鈍體為直徑2mm.

圖2?雙旋流燃燒器裝置平面圖(單位：mm)

圖3?葉片扭轉(zhuǎn)120°角及中心鈍體為2mm的同向雙旋流器結(jié)構(gòu)

1.3?網(wǎng)格設(shè)置介紹

本文模擬采用的網(wǎng)格為分塊化的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，主要考慮的是以下原因：一是可以有效降低網(wǎng)格的數(shù)量，在重點(diǎn)區(qū)域比如旋流器以及燃燒室上游火焰燃燒部位對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，利于得到更為準(zhǔn)確的旋流區(qū)域以及火焰燃燒位置處的流場(chǎng)，而在次要區(qū)域則對(duì)網(wǎng)格要求沒(méi)有那么高，減少這些位置處網(wǎng)格利于提高計(jì)算速度；二是分塊的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比于整體用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以得到較高的網(wǎng)格質(zhì)量．整個(gè)燃燒室網(wǎng)格分為入流管道、旋流器、燃燒室和尾部四塊生成，通過(guò)3個(gè)交界面(interface)將其融合在一起，見(jiàn)圖4．

為了同時(shí)兼顧計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及模擬計(jì)算的速度和經(jīng)濟(jì)可行性，本文采用大渦模擬方法驗(yàn)證網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性，給出了100萬(wàn)、350萬(wàn)、650萬(wàn)的3種不同網(wǎng)格數(shù)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計(jì)算了同樣一種工況，初始條件和邊界條件都保持一致．使用PIV設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量了同種工況下的速度流場(chǎng)，并將實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，見(jiàn)圖5．

圖4?流體域的ICEM 網(wǎng)格劃分示意

紅色、藍(lán)色和綠色曲線分別對(duì)應(yīng)100萬(wàn)、350萬(wàn)以及650萬(wàn)的網(wǎng)格，黑色曲線則對(duì)應(yīng)相應(yīng)位置直線處在實(shí)驗(yàn)室中所測(cè)得的數(shù)據(jù)．可以看出350萬(wàn)和650萬(wàn)網(wǎng)格在平均徑向速度以及軸向速度上幾乎吻合，兩者結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相比比較接近，唯一有誤差地方在于正方向速度峰值上實(shí)驗(yàn)值略低于模擬值，但可以看出在左側(cè)峰值處是吻合的，所以考慮此處的偏差可能在于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的誤差，因?yàn)榱鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)是正和負(fù)對(duì)稱的，顯然在此基礎(chǔ)上350萬(wàn)和650萬(wàn)模擬的結(jié)果更符合這一對(duì)稱特性．另一誤差位置處在旋流器出口位置，此處偏差是由于在具體工況中保持了內(nèi)外管的流速相同，但由于其管徑的偏差導(dǎo)致內(nèi)外管流速不同，所以在離開(kāi)旋流器進(jìn)入流場(chǎng)時(shí)，在流場(chǎng)的上游也就是靠近旋流器位置處會(huì)存在內(nèi)外速度差引起的剪切層，所以此處模擬值與實(shí)驗(yàn)值略有偏差．但本文研究重點(diǎn)更偏重于研究火焰面及其他現(xiàn)象，對(duì)于火焰根部也就是此剪切層主要影響處涉及不多，所以模擬時(shí)網(wǎng)格能基本達(dá)到研究的要求．徑向速度上350萬(wàn)網(wǎng)格及650萬(wàn)網(wǎng)格與實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到吻合．綜上，350萬(wàn)網(wǎng)格在有效降低計(jì)算速度的前提下在速度場(chǎng)的計(jì)算模擬上也達(dá)到了較好的效果．而100萬(wàn)網(wǎng)格在整體趨勢(shì)上接近另外兩組網(wǎng)格和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是在軸向以及徑向速度峰值處所則出現(xiàn)了明顯的偏差，峰值處在流場(chǎng)中大概對(duì)應(yīng)著中心回流區(qū)與正和負(fù)方向兩個(gè)角回流區(qū)的中間間隔區(qū)域．

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和3種網(wǎng)格下同一軸向位置處的軸向速度和徑向速度分布

2?結(jié)果與分析

燃燒室入口處采用的旋流器其旋流數(shù)＝0.53，內(nèi)外管通入當(dāng)量比為0.9的甲烷與空氣預(yù)混氣體，體積流量相同，因?yàn)閮?nèi)外流道截面積差導(dǎo)致內(nèi)管入口處速度為10m/s，雷諾數(shù)＝7432，外管入口處速度為4.45m/s，雷諾數(shù)＝2406，為無(wú)分層有剪切燃燒情況．其徑向速度分布如圖6所示，可以看到當(dāng)預(yù)混氣經(jīng)由旋流器進(jìn)入燃燒室后向兩側(cè)擴(kuò)張，但是在這一結(jié)構(gòu)旋流器的作用下，其擴(kuò)張角度并不是很大，并且因?yàn)槿紵覍挾葹?20mm，其預(yù)混氣距離兩側(cè)壁面仍有較大距離，受兩側(cè)壁面干擾較?。梢钥闯鲈冢?mm到＝20mm處因靠近旋流器出口處表現(xiàn)出明顯的旋流狀態(tài)，此位置處的徑向速度較大，并且速度呈現(xiàn)正負(fù)兩個(gè)峰值，但速度大小一致呈現(xiàn)出一個(gè)對(duì)稱狀態(tài)．平均徑向速度云圖可以表明，從管道經(jīng)過(guò)旋流器進(jìn)入燃燒室的預(yù)混燃料達(dá)到了很好的旋流入流?狀態(tài)．

圖6?燃燒室內(nèi)平均徑向速度云圖

在＝20mm左右處開(kāi)始，隨著氣流向下游發(fā)展能量出現(xiàn)耗散，旋流狀態(tài)出現(xiàn)減弱，雖然徑向速度依然呈現(xiàn)對(duì)稱狀態(tài)，但是徑向速度在數(shù)值上卻明顯減少，這是因?yàn)槟芰吭谙蛳掠伟l(fā)展中出現(xiàn)衰減，在此位置氣流以軸向速度為主．在＝80mm處往后基本消失，所以接下來(lái)對(duì)燃燒室研究的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)椋?0mm的上游部分．

圖7為3種火焰結(jié)構(gòu)下燃燒室內(nèi)溫度分布，通過(guò)圖7分析其火焰形狀，旋流火焰分為外側(cè)附著火焰和內(nèi)部的抬升火焰，當(dāng)這兩種火焰都存在時(shí)火焰呈現(xiàn)M型，隨著時(shí)間的發(fā)展，首先正側(cè)附著火焰分支逐漸消失，隨后負(fù)側(cè)附著火焰分支也緊接著消失，最后火焰形狀轉(zhuǎn)化為V型，并穩(wěn)定存在．圖7(a)、(b)、(c)分別顯示的是M型火焰、中間轉(zhuǎn)化過(guò)程及V型火焰這3個(gè)不同的狀態(tài)．

圖7?3種火焰結(jié)構(gòu)下燃燒室內(nèi)溫度分布

圖8為3種火焰結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的平均軸向速度分布，通過(guò)圖8的變化情況來(lái)探究其中的轉(zhuǎn)化原因，可以看到在中間的過(guò)渡狀態(tài)下，當(dāng)正側(cè)火焰分支消失過(guò)程中其角回流區(qū)大小較先前的M型時(shí)，正側(cè)的回流區(qū)出現(xiàn)了明顯的增大情況，而此時(shí)負(fù)側(cè)火焰分支還基本沒(méi)有開(kāi)始發(fā)生變化，其所對(duì)應(yīng)的的角回流區(qū)大小也較先前變化不大．當(dāng)火焰完全轉(zhuǎn)變?yōu)閂型時(shí)，其兩側(cè)角回流區(qū)大小相差不大．而對(duì)比中心回流區(qū)的大小，在狀態(tài)a、b時(shí)，中心回流區(qū)大小相似，而狀態(tài)c下，中心回流區(qū)的寬度以及高度都呈現(xiàn)略微的下降趨勢(shì)，高度下降大概為5mm，最大寬度處縮小約為7mm．從圖中可以看出，在3種火焰狀態(tài)的變化過(guò)程中，應(yīng)該是角回流區(qū)相比于中心回流區(qū)其變化情況更大，回流區(qū)中火焰的變化是演化過(guò)程中外部剪切層變化失穩(wěn)的結(jié)果，并且局部湍流火焰燃燒速度和流場(chǎng)速度的平衡程度影響著火焰的穩(wěn)定．

圖8?3種火焰結(jié)構(gòu)下燃燒室內(nèi)平均軸向速度云圖

判定不穩(wěn)定性發(fā)生與否，火焰結(jié)構(gòu)是表現(xiàn)流場(chǎng)脈動(dòng)和火焰熱釋放的耦合中關(guān)鍵的一環(huán)．湍流脈動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以由脈動(dòng)速度值來(lái)反映，了解燃燒室中流場(chǎng)的湍流特性及燃燒室內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)不穩(wěn)定性可通過(guò)計(jì)算和分析脈動(dòng)速度的辦法．本文處理得到燃燒室內(nèi)5個(gè)不同位置高度處軸向和徑向脈動(dòng)速度和平均速度曲線分布圖，見(jiàn)圖9和圖10．為了探究火焰形狀的變化與速度關(guān)系，截取的位置以火焰面位置為主，分別為5mm、15mm、25mm、40mm、60mm處，圖中不同顏色的3條線也對(duì)應(yīng)了之前所提到的截取的3個(gè)不同火焰形狀的時(shí)間狀態(tài)．對(duì)比3種狀態(tài)下的脈動(dòng)速度以及速度平均值，脈動(dòng)速度在速度值較大處也相應(yīng)變大，由于速度梯度大的地方對(duì)應(yīng)于主流與周圍流體交界處是剪切層位置處，這也說(shuō)明了燃燒室流場(chǎng)中旋流強(qiáng)度大的地方不穩(wěn)定的現(xiàn)象更為明顯．速度峰值處在燃燒室內(nèi)大概對(duì)應(yīng)內(nèi)外剪切層位置，隨著入流向流體域下游發(fā)展，兩個(gè)速度峰值的徑向距離逐漸變大．因?yàn)闅饬髟谛鞯淖饔孟拢羟袑拥奈恢秒S著氣流的流動(dòng)向外擴(kuò)散，其脈動(dòng)速度值隨著湍流脈動(dòng)的減弱出現(xiàn)減?。梢钥闯觯谥行幕亓鲄^(qū)以及角回流區(qū)的變化過(guò)程中主要影響的是流場(chǎng)中的軸向速度脈動(dòng)，3種狀態(tài)下不同位置處的徑向速度脈動(dòng)，軸向、徑向速度平均值曲線基本重合，所以接下來(lái)詳細(xì)比較軸向速度脈動(dòng)的變化情況．對(duì)比＝25mm和＝40mm處，可以看到V型與M型火焰相比最明顯的是內(nèi)部剪切層位置向內(nèi)移動(dòng)，而外部剪切層位置向外移動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)外剪切層中的范圍增大，火焰此時(shí)可以穩(wěn)定在其中而受到兩側(cè)內(nèi)外剪切層的影響較少，達(dá)到V型火焰結(jié)構(gòu)．在火焰根部3種曲線徑向速度脈動(dòng)基本相似，但到了火焰上部M型火焰結(jié)構(gòu)曲線明顯不同于另外兩種狀態(tài)，從而可以看出M型向V型火焰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過(guò)程是一個(gè)趨于火焰狀態(tài)的過(guò)程，V型火焰也是相比之下更為穩(wěn)定的一種狀態(tài)，其穩(wěn)定狀態(tài)主要依靠自身而受外剪切層影響很小.

由于旋流湍流流場(chǎng)中包含有旋轉(zhuǎn)、拉伸和膨脹等運(yùn)動(dòng)，十分復(fù)雜且瞬息萬(wàn)變．準(zhǔn)則方法主要就是將旋轉(zhuǎn)速度的變化率和應(yīng)變率的大小進(jìn)行比較判斷的一個(gè)過(guò)程，當(dāng)判斷后當(dāng)大于0時(shí)，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)在流場(chǎng)流動(dòng)中占主導(dǎo)地位，則可以判定并顯示出流場(chǎng)中的大尺度漩渦[14-15]．為了探究流場(chǎng)中的渦結(jié)構(gòu)對(duì)于火焰結(jié)構(gòu)的影響，采用準(zhǔn)則來(lái)對(duì)渦的結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，并以溫度來(lái)進(jìn)行染色，如圖11所示．將內(nèi)剪切層所形成的高溫旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)定義為內(nèi)渦(紅色為主)，而外剪切層形成的低溫旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(藍(lán)色為主)定義為外渦．可以看出不同火焰結(jié)構(gòu)時(shí)的流場(chǎng)渦旋相差很大，隨著渦旋的結(jié)構(gòu)和數(shù)量的變化，火焰結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化．在M型火焰結(jié)構(gòu)向V型轉(zhuǎn)化過(guò)程中，內(nèi)渦從較大較完整的渦旋結(jié)構(gòu)向著變小的方向發(fā)展．M型時(shí)外剪切層脫落形成的外渦很少，隨著時(shí)間的推進(jìn)，外剪切層渦旋脫落的不斷發(fā)展，在達(dá)到V型火焰結(jié)構(gòu)時(shí)形成了非常多較小的外渦均勻地圍繞在內(nèi)渦的外部．因?yàn)閮?nèi)外剪切層脫落頻率不同的影響，在一定的時(shí)間發(fā)展后外渦的數(shù)量要明顯多于內(nèi)渦的數(shù)量．在M型火焰時(shí)，火焰結(jié)構(gòu)主要受到的是高溫內(nèi)渦的影響，而外渦的數(shù)量導(dǎo)致了火焰結(jié)構(gòu)向V型的轉(zhuǎn)化，最終在達(dá)到的穩(wěn)定V型火焰結(jié)構(gòu)同時(shí)受著內(nèi)外渦的作用．空間結(jié)構(gòu)上也是V型火焰結(jié)構(gòu)時(shí)渦旋結(jié)構(gòu)在空間上更均勻和對(duì)稱．由此可見(jiàn)火焰結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變與渦脫落模式有著重要的關(guān)系．

圖9?3種火焰結(jié)構(gòu)下位置x＝5mm，15mm，25mm，40mm，60mm處軸向速度的均方根波動(dòng)值和平均值分布曲線

圖10?3種火焰結(jié)構(gòu)下位置x＝5mm，15mm，25mm，40mm，60mm處徑向速度的均方根波動(dòng)值和平均值分布曲線

圖11?3種火焰結(jié)構(gòu)下Q準(zhǔn)則等值面

POD方法是提取離散數(shù)據(jù)特征的數(shù)學(xué)方法，其主要功能為將多維隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行降維處理，在流場(chǎng)處理中可用來(lái)提取和表征非定常的擬序結(jié)構(gòu)，本質(zhì)是將分解的自身特征確定的基函數(shù)來(lái)表征隨機(jī)量，并且基函數(shù)在每次分解過(guò)程中需要使最低模式能量占比較多[16]．分別將M型和V型火焰結(jié)構(gòu)時(shí)流場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行了POD方法的處理，由Matlab完成，兩種狀態(tài)分別以0.005s為間隔取120個(gè)狀態(tài)．并將分解出的各自的能量占比前3個(gè)流場(chǎng)模態(tài)進(jìn)行了流線圖的繪制處理，如圖12、13所示.

由圖可以看出M和V的能量占比最高的模態(tài)1主要是中心回流區(qū)和剪切層．而模態(tài)2就與模態(tài)1在流線圖上幾乎完全不同，主要為一些脫落的渦旋．到了模態(tài)3則是脫落渦旋在流場(chǎng)中的一個(gè)耗散，渦旋尺寸變小，或者破碎．下面比較M和V在不同模態(tài)下的區(qū)別．從模態(tài)1對(duì)應(yīng)流線圖可以看出，經(jīng)過(guò)POD處理后，其V型火焰結(jié)構(gòu)時(shí)的中心回流區(qū)大小非常明顯地小于M型火焰結(jié)構(gòu)，幾乎只有一半的大小．對(duì)比剪切層M型火焰結(jié)構(gòu)時(shí)剪切成流線圖中表示明顯，而V型火焰結(jié)構(gòu)時(shí)不明顯，可能是由于此時(shí)剪切層位置向遠(yuǎn)離中心回流區(qū)方向移動(dòng)，剪切層大小和強(qiáng)度都有降低，所以經(jīng)過(guò)POD能量重構(gòu)后不再明顯，也說(shuō)明在V型火焰結(jié)構(gòu)時(shí)剪切層對(duì)其的影響應(yīng)該并不大，這也印證了之前的觀點(diǎn)，即V型火焰受兩側(cè)剪切層影響較?。容^模態(tài)2，V型火焰結(jié)構(gòu)時(shí)脫落的渦旋數(shù)量更多，而渦旋則是M型火焰結(jié)構(gòu)時(shí)大小更大．模態(tài)3是POD分析完能量占比比較低的狀態(tài)，流場(chǎng)比較破碎不好比較．由上可見(jiàn)，火焰結(jié)構(gòu)也受著脫落渦旋數(shù)量大小的影響，與渦旋的脫落模式有著重要的關(guān)系．

圖12?M型火焰結(jié)構(gòu)POD分解流場(chǎng)流線

圖13?V型火焰結(jié)構(gòu)POD分解流場(chǎng)流線

3?結(jié)?論

本文采用DTF燃燒模型對(duì)當(dāng)量比0.9的貧燃預(yù)混雙旋流火焰進(jìn)行LES研究，對(duì)比了模擬過(guò)程中出現(xiàn)的M、V以及中間轉(zhuǎn)化過(guò)程3種不同火焰結(jié)構(gòu)，并采用后處理，準(zhǔn)則，POD得出以下結(jié)論：

(1) 對(duì)比了3種火焰結(jié)構(gòu)下的溫度分布、平均徑向軸向速度、脈動(dòng)徑向軸向速度、準(zhǔn)則等值面，可以看出V型火焰是更為穩(wěn)定的一種火焰模態(tài)．

(2) 內(nèi)外剪切層的存在直接影響著火焰結(jié)構(gòu)，V型火焰結(jié)構(gòu)下內(nèi)外剪切層中的范圍要大于M型火焰結(jié)構(gòu)，因此火焰也更容易穩(wěn)定在其中而受到兩側(cè)的剪切影響較小，因此內(nèi)外剪切層的位置直接影響到了火焰結(jié)構(gòu)．

(3) 火焰結(jié)構(gòu)受著內(nèi)渦外渦的雙重作用，并且剪切層中的內(nèi)外渦旋脫落頻率的不同影響了其渦旋數(shù)量的不斷變化，最終導(dǎo)致火焰結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，由此可見(jiàn)火焰結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變與渦脫落模式有著重要的關(guān)系．

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Flame Instability Modal Conversion of Double-Swirl Flame

Xu Xinyu，Wang Ping，Jiang Linsong，Li Weichao，Zeng Haixiang，He Zuqiang，Prashant Shrotriya

(Institute for Energy Research of Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

The modal conversion of combustion instability in a combustion chamber with methane-air lean premixed swirl flame was studied by using a DTF combustion model through large eddy simulation(LES). By calculating the combustion conditions under different equivalent ratios，it is found that when the equivalent ratio gradually increases to around 0.9，there is an obvious modal conversion in the combustion from M-type flame modal to V-type flame modal. Through post-processing the data calculated in this process，the temperature field before and after the modal conversion is analyzed，and the average axial and radial velocity distributions of the combustion chamber are obtained. The axial and radial pulsation speeds at＝5mm，15mm，25mm，40mm，60mm are taken，and thecriterion and POD method are adopted to analyze the flow field in the vortex structure，so as to analyze the combustion instability and the main factors influencing the flame structure. It is found that the average flame is of "M" type before modal conversion and of "V" type after modal conversion. The V-type flame is a more stable flame structure. Flame modal conversion is directly affected by the position of inner and outer shear layers and has an important relationship with vortex shedding mode.

combustion instability；swirl flame；modal conversion；Q criterion；POD

TK16

A

1006-8740(2022)04-0471-10

10.11715/rskxjs.R202206007

2021-04-26.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51576092，91741117）.

徐欣宇（1996—??），男，碩士，675458243@qq.com.

王?平，男，博士，教授，pingwang@ujs.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)