吉龍娟，王金華，胡光亞，吳鳳榮，張瑋杰，林文雋，黃佐華

(1.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，廊坊 131000)

碳達(dá)峰和碳中和是能源領(lǐng)域的重大變革[1]，氨(NH3)作為一種無碳、清潔的氫載體燃料，其相比于氫氣具有成本低、易于液化儲(chǔ)存、安全運(yùn)輸、能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，因此氨氣成為一種極具發(fā)展前景的綠色能源載體.但與傳統(tǒng)的碳?xì)淙剂舷啾龋睔獾膶恿骰鹧嫠俣萐L低[2](在化學(xué)當(dāng)量比下，氨氣/空氣火焰的層流火焰速度7 cm/s，僅為甲烷/空氣火焰的1/5)、放熱率小、輻射傳熱低[3]、最小點(diǎn)火能量高以及火焰穩(wěn)定極限范圍較窄等特點(diǎn)阻止其被廣泛應(yīng)用在實(shí)際燃燒室中.因此，研究氨氣的燃燒穩(wěn)定性對(duì)推廣其應(yīng)用具有較高的理論價(jià)值.

此外，預(yù)混稀燃是一種可降低NOx排放的燃燒方式[4].然而預(yù)混稀燃容易存在吹熄、回火、振蕩等不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象[4-6].本文研究了相對(duì)緊湊的NH3/空氣預(yù)混稀燃火焰的臨吹熄動(dòng)力學(xué)特征，該緊湊火焰可通過強(qiáng)化的內(nèi)回流區(qū)(inner recirculation zone，IRZ)獲得.這種火焰相對(duì)較短[7]，火焰的吹熄常歸因于內(nèi)回流區(qū)火焰的冷卻.Yamaguchi 等[8]對(duì)丙烷/空氣火焰臨吹熄機(jī)理開展研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)回流區(qū)火焰根部過度拉伸導(dǎo)致的局部吹熄是觸發(fā)火焰最終吹熄的關(guān)鍵原因.Chaud-huri 等[9]認(rèn)為火焰前緣和剪切層渦重疊產(chǎn)生了較高的局部拉伸率使剪切層附近的火焰出現(xiàn)局部吹熄，未燃混合物通過剪切層侵入內(nèi)回流區(qū)促使火焰整體熄火.Dawson 等[7]和Kariuki 等[10]對(duì)稀燃預(yù)混甲烷/空氣火焰研究表明，在低當(dāng)量比下，下游冷氣的回流可導(dǎo)致內(nèi)回流區(qū)溫度降低和整體熄火.最近，Kobayashi 等[2,11]也研究了氨氣/空氣預(yù)混火焰的吹熄極限，其目標(biāo)是在燃?xì)廨啓C(jī)上使氨氣/空氣火焰穩(wěn)定燃燒，結(jié)果表明，不需添加任何活性燃料，即使氨氣層流火焰速度SL非常低，火焰也可穩(wěn)定燃燒，但缺乏具體穩(wěn)焰機(jī)理.Zhang 等[12]研究了受限燃燒室內(nèi)氨氣/空氣火焰的宏觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變以及吹熄特性，數(shù)值模擬結(jié)果表明，過量拉伸是導(dǎo)致火焰局部吹熄的主要因素.然而相關(guān)的流動(dòng)-火焰動(dòng)力學(xué)特性并沒有深入研究，本研究進(jìn)一步探究回流區(qū)、流體拉伸及湍流渦對(duì)預(yù)混稀燃火焰穩(wěn)定性的影響機(jī)制.

為了保證火焰的穩(wěn)定燃燒，一個(gè)解決的方案是將氨氣與其他活性燃料如甲烷(CH4)或氫氣(H2)混合來提高混合燃料的燃燒速度、絕熱火焰溫度Tad以及極限拉伸率Kext等，從而拓寬稀燃極限，提高燃燒穩(wěn)定性[13-16].氨與甲烷具有相似的密度、黏度和熱容等特性，使其在混合燃燒應(yīng)用中相對(duì)容易實(shí)現(xiàn).在本研究中，氨燃料中添加甲烷，在臨吹熄工況下，對(duì)比分析氨氣/空氣火焰和甲烷/氨氣/空氣火焰的宏觀結(jié)構(gòu)，以及流體拉伸和剪切層渦的影響，進(jìn)而較為全面地揭示臨吹熄過程中的流動(dòng)-火焰耦合特征，及摻混甲烷的穩(wěn)焰機(jī)理.此研究對(duì)實(shí)際燃燒室設(shè)計(jì)中規(guī)避氨燃料熄火、拓寬穩(wěn)定工作窗口具有指導(dǎo)意義.

本實(shí)驗(yàn)基于鈍體加旋流穩(wěn)焰方式，采用OH 基平面激光誘導(dǎo)熒光(hydroxyl planar laser induced fluorescence，OH-PLIF)技術(shù)和數(shù)碼相機(jī)對(duì)火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，通過OH-PLIF 結(jié)果提取火焰面.采用粒子圖像測(cè)速(particle imaging velocimetry，PIV)技術(shù)捕獲流場(chǎng).并且本研究采用OH-PLIF 和PIV 同步測(cè)量技術(shù)對(duì)臨吹熄火焰面和流動(dòng)耦合機(jī)制進(jìn)行深入研究.

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 旋流鈍體燃燒器和實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)采用不銹鋼旋流鈍體燃燒器去穩(wěn)定火焰，旋流器結(jié)構(gòu)如圖1 所示.燃燒室上游由一個(gè)緩沖腔和一個(gè)文丘里管組成.大量的壓縮空氣首先從燃燒室底部側(cè)壁進(jìn)入緩沖腔，進(jìn)而通過文丘里管收縮段加速、減壓后進(jìn)入預(yù)混段，該結(jié)構(gòu)可減輕上游氣流對(duì)下游燃燒的干擾.燃料通過在文丘里管直徑為20 mm的喉部噴入燃燒室，與空氣混合并被快速帶出，從而預(yù)防潛在的回火對(duì)上游管路系統(tǒng)造成危害.混合物在文丘里管80 mm 長(zhǎng)的擴(kuò)張段減速預(yù)混，并配合湍流板增強(qiáng)燃空混合.燃料和空氣經(jīng)長(zhǎng)200 mm，內(nèi)徑為35 mm 的預(yù)混段進(jìn)一步充分混合，最終混合物經(jīng)旋流器和鈍體組成的環(huán)形噴嘴噴出，形成具有較強(qiáng)內(nèi)回流區(qū)的緊湊火焰.燃燒器上方60 mm×60 mm 的紅色虛線區(qū)域?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)PIV/OH-PLIF 的測(cè)量區(qū)域，此區(qū)域火焰較為緊湊，因而該范圍能夠捕捉火焰的主體結(jié)構(gòu).旋流器如圖1 所示，其旋流數(shù)的計(jì)算公式為

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of the swirl burner

式中：θ 為葉片角度；Dh為中心體直徑；Dv為旋流器直徑.旋流器的參數(shù)可參考表1，其中DB如圖1 中所示.經(jīng)估算得旋流數(shù)S≈0.73.

表1 旋流器參數(shù)Tab.1 Parameters of the swirler

實(shí)驗(yàn)采用NH3/CH4/空氣混合物，其中甲烷占比ZCH4分別為0、50%和100%.ZCH4定義為：

表2 實(shí)驗(yàn)工況Tab.2 Experimental conditions

測(cè)量了3 種火焰的稀燃極限(吹熄當(dāng)量比Φb).考慮到火焰穩(wěn)定于燃燒器鈍體之上會(huì)有熱損失，并且會(huì)對(duì)吹熄極限造成影響，因此為了盡量減少熱損失的影響，在每次正式實(shí)驗(yàn)之前都需將燃燒器預(yù)熱約10 min，使其溫度基本穩(wěn)定.Φb與每種混合物的燃燒室進(jìn)口速度U 高度相關(guān)[17].因此吹熄極限具體測(cè)量方式為固定空氣的質(zhì)量流量不變，然后逐漸降低燃料的質(zhì)量流量直到火焰熄滅，記錄空氣和燃料的流量以獲得吹熄當(dāng)量比Φb，然后增加空氣的質(zhì)量流量重復(fù)上述步驟，最終分別得到3 種火焰的吹熄極限，如圖2 所示，可明顯看出NH3火焰與CH4火焰相比具有較高的稀燃極限，且NH3火焰在較大出口速度U 下也無法持續(xù)穩(wěn)定燃燒.而氨氣燃料中加入＝50%和＝100%的甲烷，可將出口速度U＝4 m/s 的NH3火焰的稀燃極限分別降低了16.9%和32.1%，即顯著拓寬了預(yù)混稀燃火焰的穩(wěn)定燃燒范圍，增強(qiáng)了火焰穩(wěn)定性.本實(shí)驗(yàn)中燃料和空氣的質(zhì)量流量用七星流量計(jì)(CS230，CS200)精確控制，相對(duì)誤差小于測(cè)量范圍的±1.5%.

圖2 3種火焰的吹熄極限Fig.2 The blow-off limits for the three flames

1.2 PIV/OH-PLIF 同步控制

PIV/OH-PLIF 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖3 所示，其中包括可捕獲詳細(xì)火焰結(jié)構(gòu)的OH-PLIF 測(cè)量系統(tǒng)、可測(cè)量冷熱態(tài)流場(chǎng)的PIV 系統(tǒng)以及供氣系統(tǒng).OH-PLIF系統(tǒng)如圖3 藍(lán)色虛線框部分，主要由Nd：YAG 激光器(QuantaRay Pro-190)、染料激光器(SirahPRSC-G-3000)、片光元件(高反鏡、片光鏡組和濾波片等)及ICCD 相機(jī)(LaVision Image Prox)等組成.YAG 激光器首先發(fā)出波長(zhǎng)為532 nm 的激光束，單脈沖能量約300 mJ.該激光束傳播至染料激光器，波長(zhǎng)被頻率倍增器調(diào)諧倍頻至約283 nm，單脈沖能量可維持約20 mJ；隨后又經(jīng)透鏡組，激光束被擴(kuò)展至高度約60 mm，厚度約0.5 mm 的片光，該片光通過旋流火焰中軸線激發(fā) OH 基并產(chǎn)生 308 nm 左右的熒光.ICCD 相機(jī)鏡頭配備OH 帶通濾波鏡片(LaVision VZ08-0222)，對(duì)OH 基進(jìn)行采集.相機(jī)快門速度約200 ns，最終拍攝的OH-PLIF 圖像大小為1 200×1 600 像素，空間分辨率約0.136 mm/pixel.火焰的直觀圖由帶有定焦鏡頭(EF 50 mm，f/1.4 USM)的Cannon Kiss X5 相機(jī)記錄.

圖3 PIV/OH-PLIF同步測(cè)量系統(tǒng)Fig.3 PIV/OH-PLIF synchronous measurement system

本實(shí)驗(yàn)使用的PIV 系統(tǒng)如圖3 紅色虛線框所示，主要包括雙幀雙曝光相機(jī)(Lavision Imager LX 2M)和雙脈沖Nd：YAG 泵浦激光器(Litron).泵浦激光器可發(fā)出兩束激光束，其波長(zhǎng)為532 nm，脈沖能量約2×300 mJ，工作頻率為10 Hz.隨后激光束經(jīng)透鏡組被擴(kuò)展為片光并通過燃燒器中軸線.本實(shí)驗(yàn)采用0.5～1 μm 的TiO2示蹤粒子，可通過控制空氣流量來調(diào)節(jié)流出燃燒器的粒子密度.片光照射在示蹤粒子后產(chǎn)生米氏散射信號(hào).捕捉米氏散射信號(hào)的CCD 相機(jī)配備尼康長(zhǎng)焦鏡頭(80 mm，f/2.8)，鏡頭上裝(532±10)nm 窄帶通濾波片.兩個(gè)PIV 激光脈沖之間的時(shí)間間隔設(shè)置為100 μs 左右.采集的圖片空間分辨率約為0.091 mm/pixel.進(jìn)一步通過Lavision 公司Davis 10.1 軟件內(nèi)置PIV 后處理模塊得到速度場(chǎng)分布，處理窗口尺寸為32×32 pixels，50%重疊率，計(jì)算得速度向量空間間隔為1.324 mm.

上述OH-PLIF 和PIV 兩套系統(tǒng)的工作頻率都為10 Hz，由同一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集.并由可編程時(shí)間控制單元(LaVision PTU)對(duì)同步的激光、數(shù)據(jù)采集觸發(fā)進(jìn)行控制.同步測(cè)量過程中，OH-PLIF 激光觸發(fā)設(shè)置在PIV 兩幀激光觸發(fā)信號(hào)之間.經(jīng)透鏡組擴(kuò)束后形成的兩個(gè)平面激光經(jīng)燃燒器中心并相互重合.PIV 和OH-PLIF 相機(jī)垂直于激光平面并對(duì)置安裝.對(duì)于表2 的每個(gè)工況，同時(shí)拍攝OH-PLIF 圖像與PIV 速度矢量場(chǎng)各100 張.此樣本的數(shù)量可開展火焰以及流場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)分析.對(duì)獲得的OH-PLIF 圖像進(jìn)行背景光去除和中值濾波去噪，之后可用于火焰面的提取和分析.

鈍體旋流火焰面的提取過程如圖4 所示.本文簡(jiǎn)述了火焰前緣的提取過程，其詳細(xì)說明可參考文獻(xiàn)[18].圖4(a)為減去背景光的OH-PLIF 原始圖像，由于OH 基主要分布在已燃區(qū)和反應(yīng)區(qū).從未燃區(qū)到已燃區(qū)端的OH-LIF 信號(hào)會(huì)急劇增加，因此可通過OH 分布邊界提取預(yù)混火焰面.首先將圖4(a)原始的RGB 圖像首先轉(zhuǎn)化為灰度圖，再使用Otsu[19]全局閾值的方法轉(zhuǎn)化為圖4(b)所示的二值圖.此過程中，OH-LIF 強(qiáng)度高于閾值的區(qū)域被設(shè)定為1(白色)，代表已燃區(qū)，其進(jìn)展變量c＝1；OH-LIF 強(qiáng)度低于閾值的區(qū)域被設(shè)定為0，代表未燃區(qū)，其進(jìn)展變量c＝0[18].此外，圖4(a)中燃燒器上方OH 強(qiáng)度較低的孤島區(qū)域也應(yīng)為已燃區(qū)，填充為“1”，見圖4(b).通過對(duì)圖4(b)已燃區(qū)和未燃區(qū)的分界面進(jìn)行提取得圖4(c)所示的火焰面，將表2 中每種火焰提取的100 張瞬時(shí)火焰面疊加可得到火焰刷.同樣，將每個(gè)工況所獲得的100 個(gè)瞬時(shí)進(jìn)展變量結(jié)果進(jìn)行時(shí)間平均，則可以獲得平均進(jìn)展變量＜c＞，如圖4(d)所示，將＜c＞＝0.1、＜c＞＝0.5 和＜c＞＝0.9 表征為火焰刷的未燃區(qū)側(cè)、平均火焰面以及已燃區(qū)側(cè)，并利用3 次樣條插值對(duì)原始輪廓進(jìn)行平滑處理，圖4(d)給出了＜c＞＝0.5 輪廓的樣本結(jié)果.

圖4 火焰前鋒面提取方法Fig.4 Flame front extracting method

2 結(jié)果及討論

2.1 火焰燃燒特性

火焰燃燒特性對(duì)其宏觀結(jié)構(gòu)以及吹熄行為具有很大的影響.圖5 比較了表2 所示3 種火焰在300 K、0.1 MPa 下采用Okafor 等[20]發(fā)展的機(jī)理計(jì)算所得的極限拉伸率Kext、層流火焰速度SL、絕熱火焰溫度Tad、層流火焰厚度δL及最大放熱率.采用CHEMKIN Pro 中對(duì)沖火焰模型對(duì)火焰的極限拉伸率Kext進(jìn)行模擬.由圖5 可知NH3火焰的極限拉伸率Kext以及層流火焰速度SL都遠(yuǎn)低于CH4火焰，說明氨氣火焰更容易猝熄.此外，從一維層流火焰計(jì)算所得的NH3火焰的最大熱釋放率遠(yuǎn)低于CH4火焰，這表明NH3火焰熱損失對(duì)燃燒強(qiáng)度，即層流火焰速度的影響更為明顯[3].甲烷摻混時(shí)絕熱火焰溫度Tad較高，這有利于內(nèi)回流區(qū)火焰溫度提高，使火焰不易被吹熄.綜上，NH3火焰緩慢而微弱的燃燒將給旋流燃燒室火焰的穩(wěn)定燃燒帶來巨大的挑戰(zhàn).甲烷與氨氣混合燃燒可有效改善氨燃料的燃燒性能，提高了火焰的燃燒穩(wěn)定性，即對(duì)氨氣火焰的特性具有一定的調(diào)控作用，這將在接下來的章節(jié)進(jìn)一步討論和闡明.

圖5 3種火焰特性Fig.5 Three flames properties

2.2 火焰宏觀結(jié)構(gòu)

圖6 所示為燃燒器出口流速U＝4 m/s，當(dāng)量比Φ＝0.8 時(shí)3 種火焰的直觀圖以及OH-PLIF 圖像.氨氣火焰黃色化學(xué)發(fā)光是由NH2α 帶和過熱的H2O 蒸氣光譜引起的.由于NH3具有較低的層流火焰速度SL，因此在燃燒器上駐留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致火焰較高.此外，從OH-PLIF 圖像可以看出，在同一當(dāng)量比下，CH4火焰和50%NH3火焰整體燃燒強(qiáng)度較高，火焰下游張角較大，火焰呈V 形.而NH3火焰的OH 強(qiáng)度較低，燃燒強(qiáng)度較弱，火焰呈倒V 形結(jié)構(gòu)，且火焰前緣褶皺較少.NH3火焰前緣褶皺的最小尺度也更大，即火焰前緣較鈍.

圖6 3種火焰的宏觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Three flame macrostructure

2.3 平均流場(chǎng)

圖7 給出了Φ＝0.8 時(shí)熱態(tài)火焰刷(＜c＞為0.1、0.5 和0.9)和平均速度場(chǎng)的疊加，以及燃燒器環(huán)形出口速度U＝4 m/s 時(shí)的冷態(tài)流場(chǎng).圖中速度矢量顏色標(biāo)尺代表軸向平均速度v，v 為負(fù)值的區(qū)域?yàn)閮?nèi)回流區(qū)，內(nèi)剪切層(inner shear layer，ISL)和外剪切層(outer shear layer，OSL)從平均速度場(chǎng)中也可清晰看到.圖中有位于鈍體上方y(tǒng)＝23 mm 處的虛線標(biāo)識(shí)，該線位于冷態(tài)流場(chǎng)內(nèi)回流區(qū)的末端，與熱態(tài)流場(chǎng)相比，冷態(tài)流場(chǎng)內(nèi)回流區(qū)較小.由圖可知，對(duì)于NH3火焰，火焰整體燃燒強(qiáng)度較低，燃燒速度較小，僅鈍體上方回流區(qū)附近火焰起主要的穩(wěn)焰作用，因燃燒產(chǎn)物聚集于此并持續(xù)點(diǎn)燃由環(huán)形出口噴出的預(yù)混反應(yīng)物.若繼續(xù)降低當(dāng)量比，燃燒強(qiáng)度將進(jìn)一步減弱，內(nèi)回流區(qū)收縮，其末端將越過y＝23 mm 的虛線，內(nèi)回流區(qū)火焰核被冷卻、熄滅，無法再次點(diǎn)燃未燃物，火焰將整體吹熄.如圖7 所示，可看出NH3火焰的火焰刷更傾向與內(nèi)回流區(qū)重疊.

圖7 火焰刷和平均流場(chǎng)同步測(cè)量結(jié)果Fig.7 Synchronous measurement results of flame brushes and the mean flow field

摻混甲烷對(duì)內(nèi)回流區(qū)的影響較為明顯.對(duì)比3種火焰，甲烷的加入使內(nèi)回流區(qū)速度略有降低但尺寸增大.內(nèi)回流區(qū)速度的降低或許是由于甲烷的摻混使火焰刷燃燒速度增大，其向外擴(kuò)張并呈現(xiàn)出更大的擴(kuò)張角，此時(shí)，主流預(yù)混燃料很快被消耗，因此未燃冷氣的回流強(qiáng)度降低.內(nèi)回流區(qū)尺寸增大或許可歸因于摻混甲烷火焰中大量的燃燒產(chǎn)物回流并聚集到內(nèi)回流區(qū)，使得內(nèi)回流區(qū)尺寸增大.此外，可以看出50%NH3火焰的內(nèi)回流區(qū)大于NH3火焰和CH4火焰，這或許是由于Φ＝0.8 時(shí)的NH3火焰主要是未燃物回流至內(nèi)回流區(qū)，而此當(dāng)量比下的50%NH3火焰中少量的未燃物和大量的燃燒產(chǎn)物回流至內(nèi)回流區(qū)，致使內(nèi)回流區(qū)尺寸變大，而對(duì)于CH4火焰主要是已燃物回流到內(nèi)回流區(qū).結(jié)合圖5 可知，摻混甲烷會(huì)使絕熱火焰溫度Tad升高，這將促使了已燃區(qū)溫度升高.此外，由圖7 可觀察到甲烷摻混時(shí)，已燃區(qū)側(cè)軸向平均速度明顯提升.這與摻混甲烷后已燃區(qū)高溫所致的熱膨脹使流體加速的結(jié)果相吻合.可以看出摻混甲烷使火焰刷駐留在內(nèi)剪切層和外剪切層之間的入口射流中，火焰依賴于內(nèi)剪切層/外剪切層穩(wěn)定.接下來將進(jìn)一步分析流體拉伸和剪切層渦與火焰的耦合特征.

2.4 火焰中流體拉伸的影響

2.4.1 過量拉伸率

火焰面局部流體拉伸率(Ks)的計(jì)算公式如式(2)所示.

式中：nx和ny分別為火焰面法向量沿徑向x 和軸向y的兩個(gè)分量.當(dāng)Ks大于燃料的極限拉伸率(Kext)(見圖5)，可認(rèn)為火焰發(fā)生局部熄滅，本研究采用過量拉伸率(Ks-Kext)來揭示流體拉伸作用可能造成的火焰局部吹熄.圖8 給出了3 種火焰的過量拉伸率與火焰刷疊加后的分布，如果Ks-Kext小于0，則將過量拉伸率設(shè)為0.如圖所示，相比于50%NH3火焰和CH4火焰，NH3火焰的過量拉伸率較大，這將導(dǎo)致火焰整體的穩(wěn)定性較差.摻混甲烷可顯著降低過量拉伸率，但與NH3火焰不同的是，摻混甲烷火焰的過量拉伸率最先出現(xiàn)在火焰根部，并逐漸向火焰下游延伸.綜上，NH3火焰前緣整體將因過量拉伸而發(fā)生局部吹熄，而摻混甲烷火焰根部是最先可能因過量拉伸而導(dǎo)致局部熄火，這是火焰整體吹熄過程的開始，如文獻(xiàn)[18]所述.

圖8 平均過量拉伸率分布Fig.8 Distribution of time-averaged excess stretch rate

2.4.2 過量拉伸率的組成

公式(2)中流體拉伸率可分為3 部分，即

前兩項(xiàng)即公式(3)和(4)與x、y 方向流體線變形率有關(guān)，而第3 項(xiàng)即公式(5)為流體剪切變形.

因此，對(duì)3 種火焰的過量拉伸率中此3 項(xiàng)的貢獻(xiàn)百分比進(jìn)行評(píng)估，即可得到拉伸率的主要來源.統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示，表中也給出了統(tǒng)計(jì)百分比的標(biāo)準(zhǔn)偏差.可知，其中剪切變形Kshear占比最大，即Kshear為過量拉伸的主要來源.因此圖8 中火焰前緣及根部的過量拉伸主要是由剪切變形引起的.鑒于公式(5)中的剪切變形與角變形率εs有關(guān)，可直接用角變形率的分布來探究剪切拉伸情況[21-22]，εs的計(jì)算公式如下：

表3 流體拉伸率分量貢獻(xiàn)百分比Tab.3 Contribution percentage of the flow stretch ratecomponents %

平均角變形率的分布如圖9 所示.若εs＜0，則表示流體拉伸方向朝左上-右下方向；εs＞0，則拉伸方向朝右上-左下方向，變形方向見圖9(CH4火焰).

圖9 平均角變形率分布Fig.9 Distribution of mean angular-deformation rate

由圖9 可知，對(duì)于NH3火焰，火焰刷受到明顯的左上-右下方向的剪切拉伸作用(針對(duì)左半邊火焰刷).這應(yīng)該主要導(dǎo)致了過量拉伸并出現(xiàn)局部熄火，這種剪切拉伸即使是在CH4火焰中依然存在，且主要分布在火焰根部，但由于摻混甲烷會(huì)提高極限拉伸率，火焰的剪切拉伸減弱，火焰更為穩(wěn)定.另外，可觀察到在NH3火焰刷向內(nèi)回流區(qū)縮進(jìn)的位置所受剪切拉伸方向被改變，這可能是由于此處兩翼與未燃?xì)饬髦g相互“沖擊”導(dǎo)致所受的方向被改變.并且可看到摻混甲烷時(shí)，下游火焰刷所受的剪切拉伸方向也被改變；這或許是由于此時(shí)燃燒速度較高，火焰刷向外擴(kuò)展，而高速主流流體向火焰刷的“撞擊”造成了流體變形方向的改變.

2.5 剪切層渦對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響

流體微團(tuán)除拉伸作用外，其本身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即所形成的湍流渦也作用于火焰面.本文采用Q 準(zhǔn)則來識(shí)別流體渦，即

式中：? 為速度梯度場(chǎng)分解后的旋轉(zhuǎn)張量，S 為速度梯度場(chǎng)分解后的拉伸張量.一般認(rèn)為Q＞0 可作為流體渦的代表，而Q 本身則為渦量大小.對(duì)于二維速度場(chǎng)，Q 可由式(8)計(jì)算：

圖10 為瞬時(shí)剪切層渦和火焰面同步測(cè)量結(jié)果.可清晰地觀察到內(nèi)剪切層渦和外剪切層渦.圖11 為平均剪切層渦和火焰面同步測(cè)量結(jié)果，能反映火焰面和渦作用的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.對(duì)于圖11 中的NH3火焰，y＝23 mm 黃色虛線以下的平均渦強(qiáng)度很低，這是由于其小而緊湊的內(nèi)回流區(qū)，如圖7 所示.從圖10 和圖11中可以觀察到一個(gè)明顯的特征，即對(duì)于50%NH3火焰以及CH4火焰，火焰刷大致分布在內(nèi)剪切層和外剪切層渦之間，而NH3火焰的火焰刷與內(nèi)剪切層渦略有重疊，因此內(nèi)剪切層渦作用于火焰面，造成其明顯褶皺(見圖中紅色圓圈部分).此外，外剪切層渦的作用相對(duì)較小.

圖10 瞬時(shí)渦量場(chǎng)和火焰刷同步測(cè)量結(jié)果Fig.10 Synchronous measurement results of instantaneous vorticity fields and flamelet

圖11 平均渦量場(chǎng)Fig.11 Mean vorticity field

可推測(cè)，內(nèi)剪切層渦在NH3火焰以及摻混甲烷火焰中有著不同的作用.對(duì)于50%NH3和CH4火焰，內(nèi)剪切層渦主要處于已燃區(qū)側(cè)；此時(shí)，內(nèi)剪切層渦對(duì)已燃?xì)馀c內(nèi)回流區(qū)內(nèi)產(chǎn)物起促進(jìn)均勻混合的作用.而對(duì)于NH3火焰，內(nèi)剪切層渦主要處于未燃區(qū)，因而會(huì)促進(jìn)未燃?xì)庀蚧鹧婷娴妮斶\(yùn)；此時(shí)由內(nèi)剪切層渦帶來的未燃?xì)馕F(tuán)，很可能并不能被直接點(diǎn)燃，這是由于火焰面附近過量拉伸較大，并且NH3火焰內(nèi)回流區(qū)整體溫度也較低，從而不利于對(duì)主流持續(xù)點(diǎn)火.如此，未燃?xì)馕F(tuán)可能直接進(jìn)入內(nèi)回流區(qū)，造成其溫度降低，進(jìn)而促進(jìn)吹熄，如文獻(xiàn)[23-24]所述.部分微團(tuán)也可能被點(diǎn)燃，但也可能隨即受到流體拉伸作用而猝熄，最終造成整體燃燒不充分.實(shí)際上，Severin 等[25]基于5 kHz 的PIV 和OH*高頻同步測(cè)量結(jié)果，即揭示了射流火焰根部剪切層附近出現(xiàn)的點(diǎn)火、熄滅和重點(diǎn)火過程.本文激光測(cè)量頻率較低，但基于以上統(tǒng)計(jì)分析，可預(yù)期有相似的過程.

3 結(jié)論

本文研究了旋流鈍體穩(wěn)定的 NH3/空氣及NH3/CH4/空氣預(yù)混稀燃火焰的宏觀結(jié)構(gòu)及火焰和流場(chǎng)耦合特性.利用PIV 和OH-PLIF 同步技術(shù)測(cè)量了流場(chǎng)和詳細(xì)火焰宏觀結(jié)構(gòu).探究了流體拉伸以及剪切層渦對(duì)緊湊火焰穩(wěn)定性的影響.

(1)與CH4火焰相比，NH3火焰的燃燒強(qiáng)度較弱，貧吹熄極限較窄，火焰前緣的最小尺度較大.并且NH3火焰前緣的過量拉伸率較大，火焰整體的不穩(wěn)定性較高.摻混甲烷，可極大提高極限拉伸率進(jìn)而增強(qiáng)稀燃火焰的穩(wěn)定性，但火焰根部也出現(xiàn)過量拉伸，導(dǎo)致局部熄火，這可能成為火焰整體吹熄的開始.

(2)過量拉伸主要來源是剪切變形.內(nèi)剪切層渦的脫落可促使未燃?xì)馕F(tuán)進(jìn)入內(nèi)回流區(qū)，造成其溫度降低，促進(jìn)吹熄，摻混甲烷可提高已燃?xì)馀c內(nèi)回流區(qū)產(chǎn)物的均勻混合程度，抵抗吹熄的能力增強(qiáng).同時(shí)，摻混CH4火焰具有較高的層流火焰速度、熱釋放率、絕熱火焰溫度，這些特征都有助于火焰穩(wěn)定.