王林森，涂曉波，車慶豐，張?俊，陳國柱，陳?爽

基于OH-PLIF技術(shù)貧燃預(yù)混旋流火焰的結(jié)構(gòu)特征研究

王林森1, 2，涂曉波2，車慶豐2，張?俊2，陳國柱2，陳?爽2

(1.中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶 401331；2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)與測試技術(shù)研究所，綿陽 621000)

針對當(dāng)前噴氣式渦輪航空發(fā)動機(jī)的主流穩(wěn)焰方式-旋流火焰的燃燒機(jī)理、火焰構(gòu)型等熱點(diǎn)問題，設(shè)計(jì)加工了一套受限空間下的旋流燃燒器，利用了一種能夠?qū)崿F(xiàn)非侵入式、精細(xì)化、可視化復(fù)雜燃燒流場的OH-PLIF(OH-planar laser-induced fluorescence)測量系統(tǒng)，研究了該燃燒器在空氣流量40L/min時(shí)不同當(dāng)量比的燃燒工況，并重點(diǎn)分析了旋流火焰的極限熄火工況．結(jié)果表明：在受限燃燒室內(nèi)，由于壁面的作用旋流火焰從“V”型火焰發(fā)展成“M”型火焰，在主焰中心兩側(cè)會形成兩個(gè)主漩渦，主漩渦的邊界區(qū)域有較高濃度的OH分布；距離主縱截面的偏移量越大，兩個(gè)主漩渦的形狀逐漸不穩(wěn)直至完全消失，OH也逐漸向靠近壁面的區(qū)域聚集；旋流火焰的橫向截面測量結(jié)果與縱向截面存在較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系，在＝5mm橫截面處，OH高度集中在“中心圓”區(qū)域，隨著測量高度的上升，OH逐漸向燃燒室軸方向兩側(cè)的壁面區(qū)域聚集．

旋流火焰；OH-PLIF；火焰結(jié)構(gòu)；OH分布

旋流燃燒是當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等動力裝置較為主流的穩(wěn)焰方式，燃燒室依靠旋流在主燃區(qū)形成低速回流，借此在高溫環(huán)境下持續(xù)提供新鮮空氣，擴(kuò)大火焰的穩(wěn)定范圍[1-4]．加深對旋流火焰燃燒機(jī)理的認(rèn)識既是研究湍流火焰基礎(chǔ)問題的基本需要，也是解決航空發(fā)動機(jī)工程問題的現(xiàn)實(shí)需求．旋流燃燒是氣動-熱-化學(xué)相互耦合作用的復(fù)雜物理化學(xué)過程[5]，燃燒流場的溫度分布、組分濃度、火焰構(gòu)型等參量信息對于分析其燃燒特性具有重要的研究意義．傳統(tǒng)的侵入式測量技術(shù)(熱電偶、燃?xì)夥治鰞x等)存在破壞燃燒流場、測量響應(yīng)速度慢、測量誤差較大等缺點(diǎn)，隨著激光光譜診斷技術(shù)的發(fā)展，利用激光光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃燒流場的可視化在湍流燃燒基礎(chǔ)研究中發(fā)揮了重要的作用．對于流場結(jié)構(gòu)和燃燒組分的測量一般是基于PLIF技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在多組分同步測量方面最突出的是瑞典Lund大學(xué)燃燒物理系團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了4組分同步測量技術(shù)[6-7]：OH(產(chǎn)物區(qū))、CH2O(預(yù)熱區(qū))、CH(反應(yīng)區(qū)內(nèi)層)和toluene(未燃區(qū))．Meyer等[8]利用OH-PLIF和PIV技術(shù)研究了火焰與渦結(jié)構(gòu)之間相互作用，Donbar等[9]又聯(lián)合了CH-PLIF技術(shù)對非預(yù)混射流火焰熄火特性進(jìn)行了研究，Petersson等[10]應(yīng)用PIV、PLIF以及FRS(濾波瑞利散射)對預(yù)混低旋流火焰進(jìn)行了研究，Tanahashi等[11]利用PLIF以及同步的立體PIV技術(shù)解析了開放環(huán)境下旋流預(yù)混火焰的三維結(jié)構(gòu)．國內(nèi)對于旋流火焰的研究工作也有一些，西安交通大學(xué)多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)利用OH-PLIF技術(shù)探測了CH4/H2/空氣預(yù)混湍流火焰前鋒面結(jié)構(gòu)，研究了摻氫對湍流火焰與流場的耦合作用[12]和湍流燃燒速率[13]；隨后，該團(tuán)隊(duì)又利用OH-PLIF技術(shù)研究了CH4/空氣預(yù)混稀燃臨吹熄火焰的結(jié)構(gòu)特征[14]．中科院力學(xué)所高溫氣體動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)針對不同工況下的CH4/空氣旋流火焰利用CH的化學(xué)自發(fā)光成像技術(shù)進(jìn)行了CH分布的三維重建[15]．劉瑤等[16]對開放式低旋流火焰燃燒器的OH和CH進(jìn)行了觀測，肖隱利等[17]設(shè)計(jì)了幾種不同幾何尺寸的葉片式弱旋流燃燒器，分別利用PIV和PLIF技術(shù)測量了流場的速度場和OH分布．俞森彬等[18]發(fā)展了一種模擬旋流燃燒器臨吹熄火焰和穩(wěn)定火焰的FGM模型．

當(dāng)前國內(nèi)面向旋流燃燒流場的激光光譜診斷技術(shù)尚處于發(fā)展階段，對于旋流火焰的機(jī)理研究主要停留在針對其某一特征參量的分析，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)在前期已經(jīng)開展了針對旋流火焰中心截面位置的PIV、OH-PLIF同步測量實(shí)驗(yàn)，初步探索了旋流火焰速度場、OH濃度場的分布特征[19]，但對于旋流火焰的整體火焰構(gòu)型還缺乏較為基本的認(rèn)識．本文設(shè)計(jì)加工了一種受限空間旋流燃燒器，開展了不同工況下的CH4/空氣貧燃預(yù)混旋流火焰多個(gè)待測截面位置的OH-PLIF測量實(shí)驗(yàn)，獲得了旋流火焰的整體火焰構(gòu)型特征及OH分布概況．

1?實(shí)驗(yàn)方案

1.1?旋流燃燒器

旋流燃燒器由進(jìn)氣段、預(yù)混段、整流段、收縮段、旋流發(fā)生器、受限燃燒室等部段組成，如圖1所示．旋流發(fā)生器配置了中心鈍體以產(chǎn)生穩(wěn)定的、規(guī)則的旋流，其葉片的結(jié)構(gòu)為直葉片式，葉片角度為35°. CH4和空氣分別從各自的管路進(jìn)入后在碰撞板作用下預(yù)混，該燃燒器的旋流數(shù)為0.884．

圖1?旋流燃燒器的結(jié)構(gòu)示意

Fig.1?Structure diagram of swirling burner

1.2?測量截面

燃燒室由4塊高品質(zhì)的熔融石英玻璃組成，尺寸為50mm×50mm×100mm，玻璃厚度為10mm，能夠滿足282nm波長的激發(fā)光低損耗透過．

選取的測量截面有穿過噴嘴中心的主縱截面和平行于主縱截面的偏移縱截面，偏移縱截面距離主縱截面的偏移量為(為5mm、10mm、15mm)；此外，還選取了3個(gè)不同高度的橫截面，橫截面距離燃燒室中心噴嘴的垂直距離為(為5mm、20mm、30mm)，如圖2所示．

1.3?實(shí)驗(yàn)工況

本文的研究對象是CH4/空氣貧燃預(yù)混旋流火焰，空氣的流量恒定為40L/min．而CH4的流量以3.5L/min作為初始值逐漸下降，并記錄下CH4流量為3.2L/min、3.0L/min這兩個(gè)中間工況，最終找到該燃燒器的熄火極限工況為2.8L/min，具體實(shí)驗(yàn)工況如表1中所示，每個(gè)工況條件下的燃燒持續(xù)時(shí)間約為5min(待旋流火焰穩(wěn)定后，每個(gè)工況相機(jī)采集200幀圖像，成像系統(tǒng)的幀頻為1Hz)．

表1?旋流火焰OH-PLIF實(shí)驗(yàn)工況

Tab.1　　OH-PLIF experimental conditions of swirling flame

1.4?PLIF測量系統(tǒng)

PLIF測量系統(tǒng)主要由旋流燃燒器、CH4/空氣/N2配氣及流量控制管路、激光器及片光光路、ICCD相機(jī)和時(shí)序控制電路4個(gè)部分組成．激光器的型號為Comtinuum ND 2000，由3部分組成：YAG激光器，二倍頻后輸出峰值能量為500mJ的532nm脈沖激光(10Hz)；染料激光器(DYE)，使用羅丹明590染料，調(diào)諧到565nm波段的峰值能量輸出為100mJ；紫外倍頻模塊(UVT)，使用KDP二倍頻晶體，輸出峰值能量為15mJ的282nm波段紫外光．通過查詢LIFBASE數(shù)據(jù)庫，根據(jù)熒光激發(fā)譜線的選取原則，確定OH的A-X(1，0)帶的P1(1)譜線為激發(fā)譜線，波長為282.254nm．

從激光器輸出的紫外脈沖激光依次通過擴(kuò)束柱面鏡、平行柱面鏡和壓縮柱面鏡后，整形為高度約40mm、厚度約0.5mm的紫外片光．ICCD相機(jī)的型號為Andor iStar 734，相機(jī)分辨率1024×1024，幀頻為1Hz，選取的濾光片為Semrock FF02-320/40-25.利用延時(shí)發(fā)生器DG535同步觸發(fā)ICCD相機(jī)的拍照時(shí)刻和激光器的出光時(shí)刻以獲取多個(gè)工況條件下的OH-PLIF瞬時(shí)圖像，PLIF測量系統(tǒng)如圖3所示．

圖3?旋流火焰OH-PLIF縱向截面測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

2?結(jié)果與分析

2.1?實(shí)驗(yàn)工況1

該工況是實(shí)驗(yàn)的初始參考工況，預(yù)混氣體中CH4流量為3.5L/min，空氣流量為40.0L/min，當(dāng)量比為0.875，得到的瞬時(shí)抓拍圖像如圖4所示，圖像中的畫幅大小為50mm×50mm，偏移縱截面距離主縱截面的偏移量為．

從圖4中可以看出，OH這一燃燒中間產(chǎn)物近乎分布于火焰的所有位置，其中，在主縱截面位置，旋流火焰中心的主體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“V”型火焰，但在受限空間的壁面作用下，向外擴(kuò)散的火焰在觸及壁面后向下延伸發(fā)展成“M”型火焰．在主焰中心的兩側(cè)形成了兩個(gè)主漩渦，如圖5所示．

主漩渦的邊界區(qū)域都有較高濃度的OH分布，部分小尺度的漩渦因黏性耗散作用發(fā)生膨脹而從主渦脫落．隨著測量截面的平移，從圖4中的(b)、(c)、(d)中可以看出，兩個(gè)主漩渦的形狀逐漸不穩(wěn)直至完全消失，OH也逐漸向靠近壁面的區(qū)域聚集，在＝10mm、＝15mm的縱截面位置已經(jīng)難以觀察到較為穩(wěn)定的火焰結(jié)構(gòu)，除壁面區(qū)域OH分布呈現(xiàn)明顯的“帶狀”結(jié)構(gòu)，在中心區(qū)域則表現(xiàn)為獨(dú)立、無序的“孤島”分布．

圖4?實(shí)驗(yàn)工況1不同縱截面處的瞬時(shí)抓拍圖像

圖5?實(shí)驗(yàn)工況1主縱截面的OH分布

2.2?實(shí)驗(yàn)工況2和工況3

實(shí)驗(yàn)工況2(CH4流量為3.2L/min，當(dāng)量比為0.800)和實(shí)驗(yàn)工況3(CH4流量為3.0L/min，當(dāng)量比為0.750)是臨近熄火極限的過渡工況，得到的瞬時(shí)抓拍圖像如圖6和圖7所示．

實(shí)驗(yàn)工況2和工況3在OH的分布上基本上和實(shí)驗(yàn)工況1保持了一致，都是在主縱截面存在較為清晰的“M”型火焰結(jié)構(gòu)，但在其主旋渦的邊界區(qū)域存在著更多的小尺度渦結(jié)構(gòu)，并且隨著偏移量的逐步增加，火焰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也更加弱化．

2.3?實(shí)驗(yàn)工況4

實(shí)驗(yàn)工況4(CH4流量為2.8L/min，當(dāng)量比為0.700)是該旋流燃燒器在空氣流量為40.0L/min時(shí)的熄火極限工況，對旋流火焰的基礎(chǔ)研究具有重要的意義，瞬時(shí)抓拍圖像如圖8所示．

圖6?實(shí)驗(yàn)工況2不同縱截面處的瞬時(shí)抓拍圖像

圖7?實(shí)驗(yàn)工況3不同縱截面處的瞬時(shí)抓拍圖像

圖8?實(shí)驗(yàn)工況4不同縱截面處的瞬時(shí)抓拍圖像

實(shí)驗(yàn)工況4與前三種工況相比，由于當(dāng)量比的下降OH的濃度急劇下降，旋流火焰的結(jié)構(gòu)也變得不穩(wěn)定，即使在主縱截面也難以觀察到較為穩(wěn)定的“M”型火焰結(jié)構(gòu)．同時(shí)，對于偏移主縱截面的其他縱截面，OH的“孤島”分布現(xiàn)象也更為明顯．

2.4?不同工況的橫向截面

在2.1至2.3節(jié)中，得到了4組工況條件下各縱截面的瞬時(shí)抓拍圖像，接下來改變激光光路和成像系統(tǒng)的布局：激光片光從燃燒室的橫截面進(jìn)入旋流火焰，相機(jī)在側(cè)上方傾斜拍攝，如圖9所示．

圖9?旋流火焰OH-PLIF橫向截面測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

由于相機(jī)是從燃燒室的側(cè)上方布置，直接傾斜拍攝待測橫截面會存在較為明顯的“虛焦”現(xiàn)象，為解決這一技術(shù)難題，引入由奧地利陸軍中尉Theodor Scheimpflug提出的沙姆定律，如圖10所示．沙姆定律指出：當(dāng)待測平面、鏡頭平面和成像平面三者相交于一條直線時(shí)(即Scheimpflug線)，橫截面上所有區(qū)域都能在相機(jī)的靶面上清晰成像．

圖10?斜焦面成像的清晰成像

利用沙姆定律獲得的清晰圖像雖然消除了“虛焦”，但圖像的畸變?nèi)匀淮嬖冢藭r(shí)需要借助標(biāo)定板建立傾斜圖像與校正圖像的映射關(guān)系，由此還原橫截面真實(shí)的熒光圖像．各橫截面獲取的瞬時(shí)抓拍圖像經(jīng)時(shí)均處理后，用等高線畫出的能量分布梯度如圖11所示，圖像中的畫幅大小同樣為50mm×50mm，橫截面距離燃燒室中心噴嘴的垂直距離為．

如圖11所示，在高度＝5mm的橫截面處，OH的梯度分布主體上呈現(xiàn)中間為多個(gè)同心圓，四周以中心圓的圓心為中心的中心對稱分布，“中心圓”是旋流火焰的主體火焰“V”型火焰，分布在四周的“中心對稱區(qū)域”是主體火焰在觸及壁面后倒卷形成的“M”．此時(shí)，該橫截面上OH主要集中在直徑約為12mm的“中心圓”內(nèi)．

隨著激光片光水平位置的上移，在＝20mm橫截面處，集中在“中心圓”的OH逐漸沿著軸方向向兩邊擴(kuò)散．最后，在＝30mm橫截面處，此時(shí)的OH熒光信號已經(jīng)十分微弱，并相對集中在靠近軸方向兩側(cè)的壁面區(qū)域．

對于圖11中的OH梯度分布，選?。?mm線上所有像素點(diǎn)的強(qiáng)度值，歸一化后如圖12所示，圖中橫坐標(biāo)為軸的坐標(biāo)值，縱坐標(biāo)為歸一化后的相對強(qiáng)度值．從圖中可以看出，在＝5mm橫截面處，OH高度集中在“中心圓”區(qū)域；在＝20mm橫截面處，實(shí)驗(yàn)工況1的OH信號相對較弱，但實(shí)驗(yàn)工況4仍相對集中在中心區(qū)域；而在＝30mm橫截面處，兩組工況OH都分布較為均勻．

此外，還選取了＝0mm線上所有像素點(diǎn)的強(qiáng)度值，歸一化后如圖13所示，圖中橫坐標(biāo)為軸的坐標(biāo)值，縱坐標(biāo)為歸一化后的相對強(qiáng)度值．與圖10對比發(fā)現(xiàn)，在＝5mm橫截面處，OH同樣高度集中在“中心圓”區(qū)域；在＝20mm橫截面處，兩組工況均存在多峰分布現(xiàn)象，但實(shí)驗(yàn)工況4的OH分布相對均勻化；而在＝30mm橫截面處的OH都相對聚集在燃燒室的壁面區(qū)域．

圖12　　實(shí)驗(yàn)工況1和實(shí)驗(yàn)工況4在X＝0 mm線上OH的統(tǒng)計(jì)分布

圖13　　實(shí)驗(yàn)工況1和實(shí)驗(yàn)工況4在Y＝0 mm線上OH的統(tǒng)計(jì)分布

3?總?結(jié)

本文設(shè)計(jì)加工了一套受限燃燒室CH4/空氣預(yù)混旋流燃燒器，利用OH-PLIF技術(shù)，針對貧燃條件對OH這一重要燃燒中間產(chǎn)物進(jìn)行測量，得到了旋流火焰在不同縱向截面和橫向截面的OH分布規(guī)律．

(1)在受限燃燒室內(nèi)，由于壁面的作用旋流火焰從“V”型火焰發(fā)展成“M”型火焰，在主焰中心兩側(cè)會形成兩個(gè)主漩渦，且主漩渦的邊界區(qū)域有較高濃度的OH分布，但隨著當(dāng)量比的降低，伴隨著角渦回火現(xiàn)象，主漩渦的邊界區(qū)域產(chǎn)生褶皺，出現(xiàn)了部分塊狀分布的OH“孤島”，且這一現(xiàn)象會隨著偏移量的增大變得更加明顯．

(2)距離主縱截面的偏移量越大，氣流受到周圍干擾的作用越強(qiáng)，速度波動也越大，火焰結(jié)構(gòu)更容易失穩(wěn)，具體表現(xiàn)就是兩個(gè)主漩渦的形狀逐漸不穩(wěn)直至完全消失，OH也由主漩渦的邊界區(qū)域逐漸向靠近壁面的區(qū)域聚集．

(3)旋流火焰的橫向截面與縱向截面測量結(jié)果存在較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系，在＝5mm橫截面處，OH高度集中在“中心圓”區(qū)域，而對應(yīng)于縱向截面就是OH主要聚集在主焰區(qū)域，4個(gè)呈軸對稱分布的塊狀區(qū)域成因就是火焰觸及壁面后發(fā)生“倒卷”現(xiàn)象，而隨著橫向截面測量高度值的上升，OH逐漸向靠近燃燒室軸方向兩側(cè)的壁面區(qū)域聚集，這一點(diǎn)與縱向截面的測量結(jié)果保持了一致．

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Structure Characteristics of Lean-Burn Premixed Swirl Flame Based on OH-PLIF Technology

Wang Linsen1, 2，Tu Xiaobo2，Che Qingfeng2，Zhang Jun2，Chen Guozhu2，Chen Shuang2

(1. Department of Oil，Army Logistical University，PLA，Chongqing 401331，China；2. Facility Design and Instrumentation Institute of CARDC，Mianyang 621000，China)

Aiming at such hot issues concerning the mainstream flame stabilization method of jet turbine engine as the combustion mechanism and flame configuration of swirl flame，a swirl flame burner in confined space was designed and machined. The OH-PLIF(OH-planar laser induced fluorescence)measurement system，which can realize the non-invasive，elaborative and visualization measurement in a complex combustion flow field，was used to study the combustion conditions of the burner with different equivalence ratios at the air flow rate of 40L/min，with its emphasis on the analysis of the extreme flameout condition of swirl flame. The results showed that in the confined flame burner，due to the influence of chamber wall，the V-shaped swirl flame changed into M-shaped one，two main vortices formed on both sides of the flame center，and the OH concentration was rather high in the boundary areas of the two main vortices. With the increase of offset，the two main vortices gradually lost the shape stability and finally disappeared，and the OH distribution gradually moved to the boundary area of chamber wall. Besides，the measurement results of the cross and longitudinal sections of the swirl flame are closely related. In the cross section of＝5mm，OH was highly concentrated in the central circle area. With the increase of the measurement height，the OH distribution gradually moved to the walls of the combustion chamber in the-axis direction.

swirl flame；OH-PLIF；flame structure；distribution of OH

V235.11

A

1006-8740(2023)02-0193-07

10.11715/rskxjs.R202201006

2022-01-13．

火災(zāi)與爆炸安全防護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(LQ21KFJJ05)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2020YFA040070)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91641118).

王林森（1993—??），男，碩士，助理研究員，1729560285@qq.com.

陳?爽，男，博士，研究員，chenshuang827@gmail.com.

(責(zé)任編輯：隋韶穎)