楊延鋒 ，姜根山 ，劉 亮，劉月超

(1.長沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖南 長沙 410114；2.華北電力大學(xué) 數(shù)理學(xué)院,北京 102206；3.河北省物理學(xué)與能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

能源與環(huán)境是當(dāng)今世界持續(xù)關(guān)注的重大問題[1]。根據(jù)《BP 世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒(2021)》[2]，在后疫情時(shí)代經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇利好的驅(qū)動(dòng)下，2020 年中國的一次能源需求增長2.1%，與過去10 a 年均3.8%的增長相比有所降低，其中煤炭在2020 年中國能源結(jié)構(gòu)中占比高達(dá)57%。這表明，燃煤發(fā)電在中國能源結(jié)構(gòu)中仍然占據(jù)十分重要的地位。據(jù)此，《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》明確指出：要立足以煤為主的基本國情，通過實(shí)施節(jié)能改造工程提高燃煤鍋爐的節(jié)能環(huán)保效益，加大淘汰落后產(chǎn)能的退出力度，全面實(shí)現(xiàn)燃煤鍋爐污染防治重點(diǎn)區(qū)域的超低排放。因此，探索清潔高效的新型燃煤燃燒技術(shù)是提高鍋爐綜合熱效率、降低煤耗和污染物排放及碳排放量的主要方向。

近年來，聲學(xué)技術(shù)在燃煤電站鍋爐中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注和研究。例如，基于聲學(xué)方法的爐內(nèi)溫度場[3-4]和流場重建[5-6]、換熱管泄漏檢測定位[7-8]和聲波吹灰[9-10]等。以上聲學(xué)技術(shù)的研究和應(yīng)用均涉及到聲波傳播過程中的聲物理效應(yīng)，如聲波強(qiáng)化傳熱[11-12]、聲波助燃[13-14]等。聲波助燃技術(shù)是利用聲能量激勵(lì)熱源穩(wěn)定、快速和高效燃燒的新型技術(shù)手段。如聲波在燃煤顆粒周圍誘導(dǎo)的周期性振蕩流和時(shí)均非線性聲流效應(yīng)可以有效地剝離覆蓋在煤炭顆粒周圍的二氧化碳層和灰殼層，使煤炭顆粒反應(yīng)表面始終暴露在周圍氧氣的擴(kuò)散環(huán)境中，提高了氧氣擴(kuò)散到煤粒表面的速度，加快了煤炭顆粒燃燒反應(yīng)速度。因此，利用聲波的物理效應(yīng)改善爐膛的燃燒狀況將是提高鍋爐綜合熱效率、降低煤耗及污染物排放的有效方法。

聲波與燃燒是相互耦合作用的[15-16]，即聲波激勵(lì)可以對(duì)燃燒過程產(chǎn)生影響，相反，燃燒產(chǎn)生的壓力波動(dòng)也將對(duì)施加的聲場產(chǎn)生反作用。目前，針對(duì)熱聲耦合燃燒系統(tǒng)的研究是一個(gè)熱門領(lǐng)域，如基于聲學(xué)技術(shù)的熱聲耦合高效低污染脈動(dòng)燃燒技術(shù)[17]。1859 年，Rijke 首次報(bào)道了在底部放置加熱金屬片的垂直開放管中可以產(chǎn)生聲音。1878 年，Rayleigh 對(duì)“Rijke 管”的熱發(fā)聲現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析。Rayleigh 認(rèn)為，熱聲振蕩現(xiàn)象是一個(gè)聲耗散和聲激勵(lì)之間的平衡過程，熱聲振蕩的強(qiáng)弱可由“瑞利準(zhǔn)則”來描述[18]。因此，為了使聲波達(dá)到強(qiáng)化燃燒的目的，在燃燒過程中提供給振蕩的能量必須大于由黏度、傳熱和系統(tǒng)外聲輻射等引起的振蕩所經(jīng)歷的能量。當(dāng)燃燒過程在一個(gè)周期內(nèi)增加的能量等于在同一周期內(nèi)耗散的能量時(shí)，熱聲系統(tǒng)將達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的極限振幅。系統(tǒng)阻尼特性的增加會(huì)使脈動(dòng)幅值減小，當(dāng)阻尼大于某一閾值時(shí)，脈動(dòng)效應(yīng)將消失或不再發(fā)生。黨南南等[19]對(duì)Rijke 管系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性切換現(xiàn)象進(jìn)行了研究。

聲波助燃技術(shù)已被證實(shí)是一種高效節(jié)能、清潔環(huán)保的新型燃燒技術(shù)。聲波輔助燃燒能夠在較低的過量空氣系數(shù)和有限的燃燒空間內(nèi)達(dá)到很高的燃燒效率。研究表明，聲波激勵(lì)燃燒具有以下優(yōu)勢[20]：①燃燒強(qiáng)度高；②高對(duì)流換熱率；③污染物生成量低；④ 粉塵含碳量低等。在已有的工程應(yīng)用實(shí)例中，天津大學(xué)黃強(qiáng)華等[21]研制的低頻強(qiáng)聲(頻率f=100～170 Hz、聲壓級(jí)SPL >120 dB)助燃裝置和遼寧工業(yè)大學(xué)高明旭等[22]研制的高頻聲波(10～15 kHz)助燃除塵器在小型燃煤熱水/蒸汽鍋爐中均得到了實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)利用聲波助燃器改造后燃煤鍋爐的燃燒效率不僅提高了5%，而且還降低了排煙的含塵質(zhì)量濃度和溫度。這表明，新型聲波助燃技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用在促進(jìn)粉煤燃燒熱量的高效轉(zhuǎn)換利用和提高鍋爐熱效率、降低污染物排放等方面存在巨大的潛力，這對(duì)助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

綜上，聲波助燃技術(shù)的研究路線經(jīng)歷了從基礎(chǔ)理論研究到工程領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)性應(yīng)用。針對(duì)燃料本身，開展了聲波作用下氣體、液體和固體燃料燃燒特性的研究。從實(shí)驗(yàn)研究的角度，分析了聲波參數(shù)與燃料燃燒參數(shù)之間的量化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)了聲波助燃技術(shù)的工程應(yīng)用，但對(duì)復(fù)雜燃燒環(huán)境存在經(jīng)驗(yàn)性行為。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺乏基礎(chǔ)理論模型的驗(yàn)證，尤其缺少聲學(xué)效應(yīng)的物理解釋。聲波影響燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，并沒有完善的理論支撐。因此，為了厘清聲波影響燃燒的主要技術(shù)研究路線，筆者依次從聲波激勵(lì)燃燒的作用機(jī)理、聲波對(duì)燃燒特性的影響規(guī)律、聲波對(duì)燃燒火焰的調(diào)控作用及聲波對(duì)燃料燃燒過程的熱質(zhì)傳熱特性等方面進(jìn)行了綜述性，并對(duì)聲波助燃技術(shù)的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 聲波影響煤粉顆粒燃燒的作用機(jī)制

煤粉燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及湍流流動(dòng)、湍流燃燒、顆粒運(yùn)動(dòng)、顆粒燃燒、輻射換熱、傳熱傳質(zhì)等多方面知識(shí)[23]。因此，厘清聲波作用對(duì)上述物理化學(xué)過程的影響規(guī)律是揭示聲波影響燃燒機(jī)理的主要方法。聲波是一種機(jī)械波，即聲波的傳播過程也是能量的傳播過程。在空氣中，聲波是以縱波的形式傳播。聲波對(duì)燃燒煤顆粒的影響可歸納為4 種作用形式：①煤顆粒周圍的振蕩流效應(yīng)。聲波傳播過程中將激勵(lì)傳播路徑上的流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生周期性振動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為交替的往復(fù)振蕩流[24-25]，如圖1 所示，其中，T為聲波振蕩周期；Ua為聲波誘導(dǎo)的速度振幅；KC 為無量綱數(shù)，用來描述一個(gè)在振蕩流場中的物體所受到的黏性力相對(duì)慣性力之間的關(guān)系。②煤顆粒周圍的非線性聲流效應(yīng)。強(qiáng)聲波激發(fā)的振蕩流與煤顆粒發(fā)生相互作用在時(shí)間平均上表現(xiàn)為非線性聲流效應(yīng)[26-27]，如圖2 所示。③煤顆粒受到的聲場力效應(yīng)[28]，如圖3 所示。聲波作用下煤顆粒將受到周期性的激振力和時(shí)均聲流曳力、聲輻射力作用等聲場力的協(xié)同作用。④ 聲輻射效應(yīng)對(duì)煤粉燃燒的影響，即不同參數(shù)聲源具有不同的聲輻射指向性特征[29]。無量綱參數(shù)ka(其中，k為波數(shù)，a為聲源特征尺度)決定了聲源的輻射指向性特征，如圖4 所示。滿足ka?1 的聲源可對(duì)周圍環(huán)境施加均勻的聲場擾動(dòng)；而滿足ka?1聲源，輻射指向性約凸出，一般在在正對(duì)聲源方位上的環(huán)境介質(zhì)受到的聲輻射效應(yīng)作用最強(qiáng)，這就造成了對(duì)周圍空間環(huán)境的不均勻聲擾動(dòng)。因此，空間不同區(qū)域煤粉燃燒受到聲輻射效應(yīng)是不同的。

圖1 聲波誘導(dǎo)往復(fù)振蕩流在t=0 時(shí)刻和t=T/2時(shí)刻的渦量(KC=6)[25]Fig.1 Vorticity diagram of sound-induced oscillatory flow at t=0 and t=T/2 time (KC=6)[25]

圖2 二維球體截面周圍的聲流分布及流速分布(Re=1.42,Sr=10)[27]Fig.2 Acoustic streaming and velocity distribution around a two-dimensional sphere(Re=1.42,Sr=10)[27]

圖3 距聲源不同位置處顆粒及其周圍流體介質(zhì)的振蕩速度曲線(SPL=150 dB,f=1 kHz)[29]Fig.3 Oscillating velocity curves of particles and their surrounding fluid medium at different positions from the sound source (SPL=150 dB,f=1 kHz)[29]

圖4 不同頻率聲源的聲輻射指向性示意Fig.4 Schematic diagram of acoustic radiation directivity of different frequency sources

綜上，聲波影響燃燒的物理機(jī)制正是通過聲波誘導(dǎo)的振蕩流、非線性聲流、聲場力和聲輻射效應(yīng)等4種聲物理效應(yīng)來改善煤顆粒的燃燒狀況。聲波的頻率和強(qiáng)度共同決定了振蕩流和非線性聲流的相對(duì)強(qiáng)弱及聲場力的大小。首先，高頻強(qiáng)聲波產(chǎn)生的快速振蕩流可以強(qiáng)化煤顆粒與熱空氣之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，周期性的振動(dòng)和顆粒表面切應(yīng)力作用可以有效剝離燃燒煤顆粒外層的灰層，促進(jìn)內(nèi)部燃料的快速燃燼。其次，低頻強(qiáng)聲波產(chǎn)生的強(qiáng)聲流效應(yīng)可以改變煤顆粒燃燒的火焰動(dòng)力學(xué)特性，強(qiáng)化燃燒火焰與爐膛環(huán)境的熱交換。但目前針對(duì)非線性聲流效應(yīng)影響火焰動(dòng)力學(xué)特性的研究還鮮有報(bào)道。同時(shí)，具有旋渦形式的聲流流場可強(qiáng)化爐膛內(nèi)熱空氣與煤粉顆粒群的循環(huán)摻混，延長了大顆粒和難燃燼煤粉的燃燒時(shí)間，并能夠消除爐膛局部高溫或低溫區(qū)。在大尺度空間形成的聲流也被稱為“聲風(fēng)”。最后，煤顆粒受到的聲場力作用可以增強(qiáng)煤顆粒的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性，有利于煤粉的脈動(dòng)燃燒。此外，利用聲輻射效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛燃燒區(qū)域的靈活有效調(diào)控。因此，在燃煤電站鍋爐中采用聲波助燃技術(shù)可以有效降低鍋爐的化學(xué)、物理及排煙熱損失，從而提高鍋爐熱效率和降低煤耗及碳排放量。

2 聲波對(duì)煤粉顆粒燃燒特性的影響

如圖5 所示，固體燃料的燃燒過程可分為4 個(gè)階段[30]：水分蒸發(fā)階段、揮發(fā)分逸出及點(diǎn)燃階段、焦炭燃燒階段和燃燼階段(灰渣的形成)。煤粉顆粒燃燒過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象，但通過給定參數(shù)的聲波可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過程進(jìn)行有效調(diào)控。大量研究表明，高強(qiáng)度聲場可以增加氣體與固體燃料之間的質(zhì)量、動(dòng)量和熱量傳遞，從而導(dǎo)致更有效的熱擴(kuò)散和燃燒[31]。

圖5 煙煤著火各階段劃分[30]Fig.5 Division of each stage of bituminous coal ignition[30]

聲波對(duì)煤粉燃燒的作用，早在20 世紀(jì)初人們就已開始進(jìn)行了初步研究。1924 年，Audibert 最早對(duì)流場中煤顆粒的脈動(dòng)燃燒時(shí)間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在聲波作用下，煤顆粒的燃燒時(shí)間可以減少30%。與聲波的擾動(dòng)效應(yīng)類似，SEVERYANIN 等[31]實(shí)驗(yàn)研究了脈動(dòng)流特性對(duì)固體燃料顆粒燃燒速率的影響，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)氣流附加在固體燃料顆粒周圍的流動(dòng)增強(qiáng)可以有效提高燃料的燃燒速率，并能促使顆粒燃燒動(dòng)力學(xué)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。RUDINGER 等[32]認(rèn)為附加的脈動(dòng)流使流體與固體燃料之間的滑移速度Uslip增大是強(qiáng)化氧化劑分子的擴(kuò)散速率和增加對(duì)流換熱速率的主要機(jī)制。LYMAN 等[33]通過實(shí)驗(yàn)測定的方法研究了聲波對(duì)煤顆粒燃燒過程的影響。發(fā)現(xiàn)與無聲情況相比，揮發(fā)分燃燒時(shí)間降低30%～50%，剩余固定碳的燃燒時(shí)間降低20%。SABNIS 等[34]實(shí)驗(yàn)探究了聲頻率為50～190 Hz 時(shí)，煤顆粒直徑(d=1～3 mm)的燃燒時(shí)間隨振蕩流位移振幅與煤顆粒半徑比值的增大而變短。ZINN 等[35]在自行構(gòu)建的Rijke 型燃燒器中進(jìn)行了煤粉的脈動(dòng)燃燒實(shí)驗(yàn)，頻率控制在77～84 Hz，聲壓級(jí)在150～159 dB，當(dāng)空氣/燃料比分別為1.03 和1.22 時(shí)，燃燒效率在89.0%～98.5%，相比無脈動(dòng)情況，煤粉燃燒效率有顯著提升。CARVALHOJR[36]在Rijke 型煤燃燒器種由非脈動(dòng)工況切換到脈動(dòng)工況下，發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)燃燒效率提高了20%，煙氣中粉塵顆粒減少了約58%。進(jìn)而，CARVALHOJR[37]分析了Rijke 型脈動(dòng)燃燒器的燃燒機(jī)理，認(rèn)為脈動(dòng)致使對(duì)流換熱率提高是強(qiáng)化燃燒的主要方式。在相對(duì)較低的過?？諝?<13%)下，脈動(dòng)燃燒效率也可達(dá)到95%以上。圖6 給出Rijke 型燃燒器的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架示意[38]。

圖6 Rijke 型燃燒器熱聲不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)臺(tái)架[38]Fig.6 Thermoacoustic instability test bench for Rijke burner[38]

YAVUZKURT 和HA[39]建立了不同直徑球形煤顆粒在高強(qiáng)度聲場下的燃燒計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)聲參數(shù)為168 dB 和50 Hz 時(shí)，直徑為50、100、150 μm 煤顆粒燃燒時(shí)間分別降低1.4%、18.0%和25.0%。此外，聲波夾帶效應(yīng)可增加煤顆粒燃燒時(shí)間，有夾帶的燃燒時(shí)間比無夾帶的燃燒時(shí)間長3.9%。進(jìn)而，YAVUZKURT和HA[40]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了強(qiáng)聲場(140～160 dB)對(duì)平焰燃燒器種燃燒煤粉流的促進(jìn)作用，發(fā)現(xiàn)低頻(<600 Hz)強(qiáng)聲對(duì)火焰燃燒具有抑制作用，高頻(>2 000 Hz)強(qiáng)聲具有促進(jìn)作用。YAVUZKURT 和HA 的實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于特定燃燒系統(tǒng)，聲波參數(shù)的選擇對(duì)強(qiáng)化燃燒至關(guān)重要。

國內(nèi)許多學(xué)者也對(duì)聲波助燃問題進(jìn)行了的一系列研究。1991 年，馬大猷院士[41]提出將高強(qiáng)聲注入電站鍋爐爐膛可以幫助燃燒的設(shè)想。繼而，黃強(qiáng)華等[21]在10 t/h 熱水鍋爐上進(jìn)行了高頻聲(f=10～15 kHz，p=0.2～0.3 MPa)助燃除塵效果的試驗(yàn)，聲波發(fā)生器安裝在一/二次風(fēng)靠近爐排的進(jìn)口處。與無聲波作用相比，改造后鍋爐熱效率提高了5.59%，排煙含塵質(zhì)量濃度下降了29%，爐膛溫度提高了55 ℃。歐陽昭等[42]實(shí)驗(yàn)對(duì)比了煙煤在有/無聲波作用下燃燒的煙氣組分，發(fā)現(xiàn)在聲波作用下煙煤燃燒產(chǎn)生的煙氣中CO、NOx和SOx相比減少了69.21%、34.69%和31.12%。這表明聲波能夠有效地強(qiáng)化煤的燃燒過程和降低煙氣中可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及有害污染物的體積分?jǐn)?shù)。高明旭等[22]在DHL14-1-27/130180A 型熱水鍋爐的一次風(fēng)道和二次風(fēng)道中加裝低頻強(qiáng)聲(f=100～170 Hz，聲壓級(jí)SPL >120 dB)振蕩裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)改造后的熱水鍋爐耗煤量減少約5%，可燃物燃燒率提高5%～10%。鄭英超[43]在自行搭建的聲波導(dǎo)管中監(jiān)測了不同參數(shù)(50～1 650 Hz、85～115 dB)聲波對(duì)固體燃料燃燒時(shí)質(zhì)量變化的影響，發(fā)現(xiàn)在低頻強(qiáng)聲(50 Hz和115 dB)有利于燃料質(zhì)量變化最大。理論分析認(rèn)為聲波加速了燃料周圍二氧化碳層的擴(kuò)散、氧氣的介入以及灰殼層的脫落等過程，進(jìn)而提高了燃燒效率。沈國清等[44]在自行搭建的聲場耦合滴管爐燃燒系統(tǒng)中對(duì)比了有/無聲場作用下煤粉燃燒產(chǎn)物NOx的質(zhì)量濃度變化，發(fā)現(xiàn)NOx隨聲壓級(jí)的增大而降低，在1 000 Hz、120 dB 的聲場作用下，煤粉燃燒產(chǎn)生的NOx可降低19.3%。王瀛洲等[45]在燃燒裝置中安裝了超聲波發(fā)射器，在有、無超聲波作用2 種環(huán)境中進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。與無超聲作用相比，60 kHz 超聲波可以促使煤粉顆粒產(chǎn)生共振以此提高煤粉與周圍氧的接觸面積，使煤粉燃燼率平均提高9.02%。上述研究結(jié)論充分表明，聲波在控制污染物排放和提高燃燒效率等方面具有的顯著優(yōu)勢。

綜上分析可知，建立聲波影響單顆粒煤粉的數(shù)學(xué)模型是基礎(chǔ)理論研究的主要手段，而聲波耦合燃燒的實(shí)驗(yàn)裝置是研究聲波影響燃燒的主要實(shí)驗(yàn)方法。研究以燃燒時(shí)間、燃燒效率、燃燼率和排放煙氣成分等指標(biāo)來分析聲參數(shù)與燃燒參數(shù)之間的物理規(guī)律是主要研究方法。隨著工程界和學(xué)術(shù)界對(duì)燃燒主動(dòng)控制的興趣日益濃厚，聲波激勵(lì)在燃料燃燒方面中將具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，顯示出了可控性的應(yīng)用前景。然而，目前針對(duì)聲波影響煤顆粒燃燒的實(shí)驗(yàn)研究還處于簡單實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，缺乏對(duì)復(fù)雜燃燒環(huán)境下聲與燃燒耦合的實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，在理論和數(shù)值計(jì)算方面還沒有建立完善的復(fù)雜煤顆粒群燃燒計(jì)算模型，已有的研究結(jié)果大多是在通過建立單顆粒煤粉燃燒數(shù)值計(jì)算模型下得到的，沒有對(duì)復(fù)雜聲場環(huán)境下煤顆粒的燃燒特性進(jìn)行研究，如對(duì)駐波場環(huán)境引起的多模態(tài)共振及不同聲源形式的強(qiáng)化能力，缺乏對(duì)聲傳播特性、聲效應(yīng)等聲物理規(guī)律的深入探討。

3 聲波對(duì)煤顆粒熱質(zhì)傳輸特性的影響

厘清聲波激勵(lì)下煤顆粒燃燒過程的熱質(zhì)傳輸特性是分析聲波影響燃燒機(jī)理的主要方式之一。近年來，聲波強(qiáng)化顆粒物質(zhì)的傳熱傳質(zhì)過程得到了廣泛的關(guān)注和研究[46-48]。已有研究表明，聲場作用可以強(qiáng)化熱源的熱量和質(zhì)量傳遞[49-50]。聲波對(duì)熱質(zhì)傳輸過程的影響可歸結(jié)為3 個(gè)因素：①聲致振蕩流使顆粒與氣相之間的滑移速度增加[51]，這有利于破壞邊界層結(jié)構(gòu)，降低熱阻，提高熱交換效率和燃燒產(chǎn)物的物質(zhì)擴(kuò)散；②聲輻射壓力可使顆粒發(fā)生懸浮，導(dǎo)致顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間增加[52]，提高了燃燒效率，降低了化學(xué)和物理未完全燃燒熱損失；③具有漩渦形式的非線性聲流效應(yīng)加強(qiáng)了顆粒群與周圍流體介質(zhì)的摻混[53]，強(qiáng)化了爐膛熱質(zhì)交換，消除低溫區(qū)和高溫區(qū)。

通過類比煤粉顆粒，對(duì)單顆粒熱源模型的聲波強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)進(jìn)行研究是目前采用的主要研究手段。

聲致振蕩流效應(yīng)對(duì)顆粒熱質(zhì)傳輸過程具有重要影響。BURDUKOV 等[54]為解釋聲振蕩對(duì)熱質(zhì)傳遞的作用機(jī)制，從理論上分析了平面聲波作用下球體的熱質(zhì)傳輸特性。進(jìn)而，BAXI 等[55]研究了正弦振動(dòng)氣流對(duì)銅制球體自由對(duì)流換熱和強(qiáng)迫對(duì)流換熱的影響。結(jié)果表明，當(dāng)振動(dòng)雷諾數(shù)小于200 時(shí)，振動(dòng)對(duì)Nusselt 數(shù)的影響可以忽略不計(jì)；當(dāng)振動(dòng)雷諾數(shù)大于200 時(shí)，振動(dòng)使換熱系數(shù)顯著增加，換熱系數(shù)最高可達(dá)無振動(dòng)時(shí)的7 倍。DRUMMOND 等[56]采用偽普數(shù)值方法求解了球體在平均速度為0 的正弦振蕩流動(dòng)中的Navier-Stokes 方程和質(zhì)量輸運(yùn)方程。在雷諾數(shù)Re=1～150 和斯特勞哈爾數(shù)Sr=1～1 000 的條件下計(jì)算了Nusselt 數(shù)與流動(dòng)頻率和振幅的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)傳質(zhì)速率隨振蕩流幅值的增大而增大，隨振蕩頻率的增大而減小。YAVUZKURT 等[57]建立了強(qiáng)聲場作用下煤燃燒計(jì)算模型。分析認(rèn)為，高強(qiáng)度的聲場對(duì)主氣流中夾帶的煤粉顆粒施加了振蕩速度分量，導(dǎo)致傳熱和傳質(zhì)增加。在聲頻率為1 000 Hz、聲壓級(jí)為160、165和170 dB 時(shí)，100 μm 煤顆粒的Nusselt 數(shù)分別增加了31%、48%和62.5%。HA 等[58]進(jìn)一步研究了不同頻率振蕩流對(duì)顆粒夾有/無夾帶效應(yīng)對(duì)傳熱效果的影響，在球坐標(biāo)下數(shù)值求解了氣相質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳輸?shù)亩S非定常層流守恒方程。在穩(wěn)態(tài)Re0=0、聲雷諾數(shù)Re1=62.9 和振蕩頻率為50 Hz 時(shí)，振蕩流對(duì)顆粒的夾帶作用使平均Nusselt 數(shù)均小于無夾帶時(shí)的Nusselt 數(shù)。當(dāng)振蕩頻率為2 000 Hz 時(shí)，高頻振蕩流對(duì)顆粒的夾帶作用很弱，平均Nusselt 數(shù)與無夾帶的情況幾乎相同。YEONG 和YAVUZKURT[59-60]數(shù)值研究了高強(qiáng)度聲場對(duì)煤粉顆?；蛩簼{燃料液滴傳熱傳質(zhì)速率的影響。局部平均和空間平均努塞爾數(shù)取決于顆粒曲率和流動(dòng)加速度對(duì)振動(dòng)速度的影響。當(dāng)聲雷諾數(shù)約為100 時(shí)，空間和時(shí)間平均Nusselt 數(shù)比無聲場時(shí)增加約290%。在低頻高強(qiáng)場下，顆粒傳熱傳質(zhì)明顯增強(qiáng)。ALASSAR 等[61]在強(qiáng)迫對(duì)流和混合對(duì)流2 種情況下，考慮了球體在振蕩黏性自由流中的對(duì)流換熱問題。通過求解基于普朗特?cái)?shù)為常數(shù)(Pr=0.71)的Boussinesq 流體非定常N-S方程和能量方程。計(jì)算結(jié)果表明，存在傳熱速率最小的臨界振蕩頻率，自由流振蕩與動(dòng)量和熱邊界層之間的相位滯后隨振蕩頻率的降低而減小。2021 年，MISHRA 等[49]對(duì)冪律脈動(dòng)流對(duì)球體傳熱傳質(zhì)特性的影響進(jìn)行了數(shù)值研究。與均勻流動(dòng)條件相比，脈動(dòng)流動(dòng)使流體剪切層中的換熱增強(qiáng)了30% (Re=120,Pr=100)。圖7 給出了振蕩流作用下圓柱周圍的流動(dòng)情況[62]，在周期性的振蕩擾動(dòng)下圓柱體周圍出現(xiàn)了往復(fù)的旋渦脫落和耗散行為。

除了宏觀上聲致振蕩流的作用，強(qiáng)聲場的時(shí)均非線性聲流效應(yīng)對(duì)促進(jìn)邊界層的湍流和持續(xù)加速熱質(zhì)傳遞過程同樣具有重要作用。GOPINATH 和MILLS[63]理論和數(shù)值分析了球體在大流雷諾數(shù)Res下由非線性聲流引起的對(duì)流換熱。研究發(fā)現(xiàn)，低頻強(qiáng)聲波形成的非線性聲流對(duì)傳熱過程有重要影響，并給出了努塞爾數(shù)與流雷諾數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。KIANI 等[64-65]實(shí)驗(yàn)研究了超聲(25 kHz、890 W/m2)輻射對(duì)靜止熱銅球(直徑d=10 mm)冷卻過程的影響，發(fā)現(xiàn)隨著距離不同超聲波輻射可以使傳熱系數(shù)有30%～119%的提升，并在銅球表面附近發(fā)現(xiàn)微聲流現(xiàn)象?；贙IANI 的實(shí)驗(yàn)啟發(fā)，許偉龍等[66-67]研究了熱銅球(d=5 mm)在可聽聲(500～3 000 kHz)作用下的對(duì)流換熱特性，在133 dB、1.5 kHz 的聲場中，銅球傳熱系數(shù)提升了25%，并初次發(fā)現(xiàn)不同頻段聲波對(duì)傳熱過程的影響規(guī)律。但許偉龍等的工作并沒有對(duì)各頻段聲波影響傳熱的作用機(jī)理進(jìn)行理論分析。為此，筆者[11-12]從理論和實(shí)驗(yàn)上區(qū)分了不同頻段聲波影響傳熱的物理機(jī)制：低頻聲流控制區(qū)(<700 Hz)、聲流與自由振蕩流協(xié)同控制區(qū)(700～1 500 Hz)、自由振蕩流控制區(qū)(1 500～2 000 Hz)和穩(wěn)定區(qū)(>2 000 Hz)。關(guān)于聲流引起的對(duì)流換熱問題，在圓柱模型[68-69]和通道模型[70-71]中也得到了廣泛研究。圖8 和圖9 給出了文獻(xiàn)[68]的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，圖中清晰呈現(xiàn)了不同聲壓級(jí)和聲頻率下非線性聲流流場對(duì)溫度場的影響規(guī)律。上述研究充分證實(shí)了時(shí)均非線性聲流效應(yīng)在強(qiáng)化熱質(zhì)傳輸過程中的重要作用。

圖8 聲壓級(jí)對(duì)耦合場特性的影響[68]Fig.8 Effect of sound pressure level on coupled field characteristics[68]

圖10 給出了在有/無背景流情況下駐波聲場在懸浮球形顆粒周圍形成流場結(jié)構(gòu)特征。從圖10(a)可以清晰看到，在無背景流情況下，球形顆粒周圍的時(shí)均流場出現(xiàn)經(jīng)典的非線性聲流漩渦結(jié)構(gòu)；而在圖10(b)，在一定強(qiáng)度的背景流下，強(qiáng)度較弱的聲流外渦結(jié)構(gòu)容易被背景流場淹沒，但顆粒壁面始終受到強(qiáng)內(nèi)渦流擾動(dòng)。這是由于附加流中的速度梯度，對(duì)外渦流和邊界層流的影響是不均勻的。

圖10 具有背景剪切流動(dòng)條件下駐波聲場中懸浮球體周圍的流動(dòng)示意[72]Fig.10 Schematic diagram of flow around a suspended sphere in a standing wave sound field with background shear flow[72]

聲致顆粒振動(dòng)強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)的研究多見于氣固流化床中。聲波擾動(dòng)可以改善床內(nèi)固體燃料顆粒與空氣的混合，使流態(tài)化更加均勻、流暢，從而提高了床層內(nèi)的換熱速率。因此，探究聲輔助條件下顆粒物的傳熱、傳質(zhì)、混合、輸送等特性，對(duì)調(diào)控循環(huán)流化床燃煤鍋爐系統(tǒng)的燃燒狀態(tài)具有重要意義。圖11 給出了聲輔助流化床的簡單實(shí)驗(yàn)示意。

圖11 聲輔助流化床實(shí)驗(yàn)示意[73]Fig.11 Experimental diagram of acoustically assisted fluidized bed[73]

司崇殿[73]對(duì)聲輔助流化床的流化特性特性進(jìn)行了系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)研究。聲場輔助流化主要有兩大優(yōu)點(diǎn)：①聲波可以有效降低顆粒聚團(tuán)的尺寸，有助于流化；②聲激勵(lì)可以降低顆粒最小流化速度，最小流化速度隨聲壓級(jí)的增大而減小。對(duì)于給定聲壓級(jí)，存在一個(gè)最佳頻率范圍使顆粒最小流化速度最小。HERRERA和LEVY[74]實(shí)驗(yàn)研究了聲輔助流化床的鼓泡特性。研究發(fā)現(xiàn)，高聲強(qiáng)破壞了微顆粒的凝聚性，使床內(nèi)均勻流態(tài)化和鼓泡流態(tài)化。數(shù)據(jù)表明，聲壓級(jí)、顆粒密度和顆粒大小對(duì)最小鼓泡速度有影響，聲壓級(jí)會(huì)影響氣泡的大小。CAO 等[75]通過數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究了聲波作用對(duì)流態(tài)化行為的影響。在Syamlal-O’Brien 阻力模型的基礎(chǔ)上，建立了修正后的聲學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該模型的可靠性。計(jì)算結(jié)果表明，修正后的聲學(xué)阻力模型較原模型的徑向顆粒體積分?jǐn)?shù)有所增加，且顆粒溫度隨聲壓級(jí)的增加而升高。WANKHEDE等[47]研究了在有/無聲波條件下，顆粒物浸沒受熱面鼓泡流化床的傳熱特性。研究發(fā)現(xiàn)，足夠的聲強(qiáng)能顯著提高顆粒流化質(zhì)量，顆粒在一定頻率下的振蕩可以提高換熱速率。聲波對(duì)大顆粒的換熱影響很小，而微顆粒的換熱速率有明顯的改善。MANUEL[53]理論和數(shù)值分析了聲波對(duì)氣固流化床中氣體和固體顆粒之間熱質(zhì)傳輸過程的作用機(jī)理。在聲波作用下，固體顆粒表面周圍附加的流體流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致傳質(zhì)和換熱的顯著增加。細(xì)小顆粒容易被聲場卷吸，從而改善密床中的流態(tài)化均勻度，同樣也可以在稀床中誘導(dǎo)顆粒團(tuán)聚。此外，具有漩渦形式的非線性聲流還會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模的流體再循環(huán)，強(qiáng)化了熱質(zhì)傳輸過程。LI 和YANG[76]采用一維雙歐拉模型對(duì)振蕩流動(dòng)中的氣固兩相界面換熱進(jìn)行了數(shù)值研究。研究了流動(dòng)振蕩對(duì)兩相流動(dòng)、顆粒質(zhì)量濃度以及相間換熱的影響。結(jié)果表明，氣體與顆粒團(tuán)簇之間的換熱導(dǎo)致顆粒平均濃度和相應(yīng)的振蕩幅度增加。對(duì)流顆粒聚集是引起兩相混合物平衡溫度振蕩的主要原因，而振蕩頻率的增加有利于顆粒和氣體溫度振蕩幅度的減小。

綜上分析可知，聲波對(duì)固體燃料顆粒熱質(zhì)傳輸特性的研究主要考慮了2 個(gè)方面的影響因素：①顆粒周圍流體力學(xué)特性；②顆粒的運(yùn)動(dòng)特性。這表明，顆粒的運(yùn)動(dòng)特性和周圍流場特性共同決定了顆粒的熱質(zhì)傳輸過程，尤其對(duì)強(qiáng)聲波作用下顆粒的非線性振動(dòng)和流場的非線性響應(yīng)研究較少。然而，考慮到固體燃料燃燒過程的實(shí)際復(fù)雜性，目前針對(duì)聲激勵(lì)固體燃料燃燒狀態(tài)下的熱質(zhì)傳輸過程的研究極少。在實(shí)驗(yàn)上主要是通過高精密儀器監(jiān)測燃燒過程的熱擴(kuò)散和物質(zhì)傳遞過程，缺乏相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。因此，已有的研究成果對(duì)指導(dǎo)工程應(yīng)用還具有一定距離。

4 聲波對(duì)燃燒火焰動(dòng)力學(xué)特性的影響研究

聲波與燃燒火焰的相互作用是近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題，大多數(shù)文章發(fā)表在國際權(quán)威期刊“Combustion and Flame”和“Fuel”上。通過分析火焰的結(jié)構(gòu)特性可以直觀地認(rèn)識(shí)到聲波對(duì)燃燒是起到“助燃”還是“阻燃”作用。因此，探究聲激勵(lì)下燃燒火焰的動(dòng)力學(xué)特性是深入分析聲波影響燃燒的主要方式。在實(shí)際工程中，燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生將會(huì)對(duì)燃燒設(shè)備的安全運(yùn)行帶來極大危害。通常燃燒不穩(wěn)定性是由燃燒室的聲模態(tài)與燃燒場熱釋放波動(dòng)頻率相互作用引起的，可由“瑞利判據(jù)”分析燃燒不穩(wěn)定性強(qiáng)弱[77]。如，不穩(wěn)定性燃燒可能導(dǎo)致過度傳熱和共振現(xiàn)象，導(dǎo)致燃燒室壁面被頻繁的加熱和結(jié)構(gòu)損害。已有研究發(fā)現(xiàn)，火焰的形態(tài)對(duì)聲激勵(lì)頻率和振幅非常敏感[78-79]，在某些激勵(lì)頻率下，強(qiáng)制聲激勵(lì)可以用來控制燃燒，提高熱效率和降低污染物排放[80]。因此，通過可控的聲波來調(diào)節(jié)燃燒狀況將具有良好的工程實(shí)際意義。

就燃燒火焰結(jié)構(gòu)而言，不同燃料燃燒形成的火焰結(jié)構(gòu)具有差異性，但聲波的物理作用機(jī)制是一致的。因此，以下對(duì)聲波作用下的各類燃料火焰動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行綜述分析。

早在1777 年，Higgins 發(fā)現(xiàn)將氫氣擴(kuò)散火焰放在一個(gè)開放的管子中可以發(fā)出聲音，這種現(xiàn)象被稱為“會(huì)唱歌的火焰”[81]。在Byron Higgins 的新奇發(fā)現(xiàn)之后，許多研究者開始對(duì)聲波和燃燒的相互作用進(jìn)行了深入研究。ZIKIKOUT 等[82]介紹了一種利用聲波導(dǎo)管驅(qū)動(dòng)燃燒室腔內(nèi)高頻橫向振蕩燃燒的激勵(lì)方法。該方法依賴于不同參數(shù)聲波經(jīng)導(dǎo)管輻射到燃燒室的聲場特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可用于對(duì)燃燒室中發(fā)生的燃燒動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行空間上的激勵(lì)調(diào)整，對(duì)高頻燃燒振蕩方面具有很大的潛力。POINSOT 等[83]研究了具有傾斜多入口燃燒室的燃燒不穩(wěn)定性。結(jié)果表明，低頻燃燒不穩(wěn)定性具有強(qiáng)聲學(xué)耦合性，并發(fā)生在系統(tǒng)的本征頻率附近。利用圖像平均處理技術(shù)描述了火焰周圍發(fā)生的旋渦脫落、生長、相互作用和燃燒過程，確定了壓力、速度和放熱波動(dòng)之間的相位關(guān)系，并提出了一種低頻渦驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定性的機(jī)制。BERLAD 等[84]在一個(gè)長0.75 m、直徑0.05 m 封閉管中研究了失重條件下聲場中石松顆粒的燃燒火焰行為。利用高速運(yùn)動(dòng)圖像和光學(xué)傳輸探測器記錄了粒子云和火焰的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在聲激勵(lì)下形成了疏密形式“震顫火焰”，證實(shí)了火焰-聲音的相互作用。SAITO 等[85]研究了聲振蕩對(duì)乙炔燃燒擴(kuò)散火焰煙灰的抑制作用，發(fā)現(xiàn)提高聲壓級(jí)和降低聲頻率可以降低煙灰排放，煙灰抑制效率與聲雷諾數(shù)Re有關(guān)。在Re>3 000 的條件下，抑煙效率超過90%。SAITO 認(rèn)為聲振蕩增強(qiáng)了燃料氣體與周圍氣體的混合，提高了火焰溫度，使煤煙顆粒發(fā)生再氧化燃燒。DEMARE 和BAILLOT[86]為解決非預(yù)混射流火焰與燃燒器的再附現(xiàn)象，提出通過聲激勵(lì)的方式來控制射流燃燒火焰行為，以避免對(duì)燃燒器的高溫?fù)p害。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明，聲激勵(lì)產(chǎn)生的軸向速度高于滯后區(qū)最大速度時(shí)，可以迫使火焰升空。與非激勵(lì)情況相比，無聲激勵(lì)下射流火焰誘發(fā)的有序渦系結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)迫波的疊加而變得無序，導(dǎo)致了準(zhǔn)均質(zhì)湍流，從而提供了有效的混合并改善了燃燒狀態(tài)。FARHAT 等[79]研究了聲波對(duì)圓柱形管中丙烷燃燒火焰的激發(fā)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，火焰的動(dòng)力學(xué)特征對(duì)聲激勵(lì)頻率和振幅非常敏感。根據(jù)頻率和聲強(qiáng)的不同，聲場的加入可以嚴(yán)重影響火焰的動(dòng)力學(xué)行為。FARHAT 等[87]進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，外部誘導(dǎo)聲場的存在可以促進(jìn)反應(yīng)物沿火焰反應(yīng)邊界的混合，從而降低NOx等溫度依賴性污染物的排放水平。同時(shí)外部聲學(xué)擾動(dòng)對(duì)燃燒化學(xué)反應(yīng)也有影響，導(dǎo)致各種分子質(zhì)量濃度、排放的變化。WILLIAMS 等[88]研究了施加在燃料側(cè)的不同頻率和幅值的縱向聲波擾動(dòng)對(duì)于射流火焰的影響，通過激光診斷技術(shù)測量了火焰的頻率響應(yīng)和內(nèi)部火焰結(jié)構(gòu)的鎖相圖像發(fā)現(xiàn)，迫使燃料流以接近自然浮力不穩(wěn)定頻率的(低)頻率流動(dòng)會(huì)觸發(fā)高溫反應(yīng)區(qū)空氣側(cè)產(chǎn)生渦流，從而將整體火焰響應(yīng)與強(qiáng)迫頻率耦合起來，且空氣側(cè)旋渦的產(chǎn)生被鎖定在燃料流激勵(lì)頻率的一半。ROCHA 等[89]研究了聲激勵(lì)下天然氣湍流擴(kuò)散火焰的結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明，聲場的存在極大地改變了火焰的結(jié)構(gòu)與燃燒器的固有頻率。在聲場較強(qiáng)的火焰區(qū)域，觀察到了預(yù)混火焰特性，火焰長度隨聲幅值的增大而減小。KIM 等[90]研究了同軸聲激勵(lì)湍流非預(yù)混射流火焰-渦旋的相互作用及混合行為，如圖12 所示。發(fā)現(xiàn)在近場區(qū)域火焰與旋渦相互作用過程中，旋渦附近的卷吸速度和火焰表面積局部增大。這種火焰表面積和卷吸速度的增加被認(rèn)為是聲激勵(lì)同軸射流火焰縮短火焰長度和減少NOx排放的關(guān)鍵因素。

圖12 SiO2 Mie 散射(左半邊)和聲驅(qū)動(dòng)同軸空氣火焰-渦旋相互作用示意(右半邊)[90]Fig.12 SiO2 Mie scattering diagram (left side)and sound driven coaxial air flame-vortex interaction diagram (right side)[90]

LORETRO 等[91]探究了聲激發(fā)對(duì)旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散火焰的影響，得到了聲波激勵(lì)下火焰動(dòng)力學(xué)形態(tài)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聲能量Eexc越小且無量綱頻率Std越大，火焰越細(xì)長；而聲能量越大頻率越低，火焰受到抑制變短，且根部火焰出現(xiàn)較大的間斷容易熄滅。這說明，合適強(qiáng)度和頻率的聲波具有助燃的效果，而高頻強(qiáng)聲不利于燃燒。圖13 給出了不同參數(shù)組合下聲激勵(lì)下火焰的4 種結(jié)構(gòu)形態(tài)。其中，Eexc為聲能量；Std為頻率，即斯特勞哈爾數(shù)。

圖13 不同參數(shù)聲波作用下的火焰模態(tài)[91]Fig.13 Flame modes under the action of sound waves with different parameters[91]

KIM (2010 年)等[92]和DUBEY (1998 年)等[93]證明了聲激勵(lì)下的火焰會(huì)逐漸產(chǎn)生不良的非線性振蕩行為，從而影響預(yù)混火焰的初始流速和混合速率。HUANG 等[94]利用數(shù)字彩色圖像處理技術(shù)研究了外部聲激勵(lì)下擴(kuò)散火焰的響應(yīng)特性。研究發(fā)現(xiàn)，燃燒器施加15～100 Hz 的外部聲激勵(lì)對(duì)改變主導(dǎo)頻率位置的作用不大。WANG 等[95]研究了不同頻率(6～100 Hz)下層流擴(kuò)散火焰對(duì)外部聲激勵(lì)的非線性響應(yīng)模式。實(shí)驗(yàn)觀察到4 種非線性模態(tài)，即分頻、倍頻、激勵(lì)的增減與自然浮力頻率4 種非線性模態(tài)，且頻率幅值隨激勵(lì)信號(hào)增強(qiáng)而增大。AKHMADULLIN 等[96]創(chuàng)建了帶有渦流燃燒器的燃燒室模型，其頻率為100～1 400 Hz。研究發(fā)現(xiàn)，外部周期擾動(dòng)方法可用于控制燃燒不穩(wěn)定性。根據(jù)外部周期擾動(dòng)的頻率，可以觀察到燃燒室內(nèi)振蕩振幅的增加和減少。JU 等[97]利用高速成像技術(shù)，在聲場環(huán)境下對(duì)空間燃油霧化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量。利用多閾值圖像處理，分析燃料霧化各階段高頻振蕩對(duì)燃料破碎、混合機(jī)理的影響，探索燃料液滴大氣環(huán)境的物理描述和熱力學(xué)控制機(jī)理，說明在不同條件下，聲激勵(lì)如何影響燃料的霧化特性，以便找到控制此類噴霧或液滴操作的方法來抑制燃燒的不穩(wěn)定性。FOO 等[98]采用揚(yáng)聲器對(duì)3 種不同直徑燃燒器的層流非預(yù)混乙炔/氮?dú)饣鹧孢M(jìn)行了聲學(xué)控制，利用高空間分辨率激光診斷技術(shù)研究了穩(wěn)定火焰和強(qiáng)制火焰中煙灰演化及其控制參數(shù)的新細(xì)節(jié)。結(jié)果表明，燃燒器直徑和聲波參數(shù)影響煙灰場與溫度分布的空間相關(guān)性。在較低振幅(α=25%)下的層流火焰比中等強(qiáng)度(α=50%)火焰產(chǎn)生的煙灰更少。當(dāng)強(qiáng)度幅值進(jìn)一步增大到α=75%時(shí)，觀察到較低的煙灰體積分?jǐn)?shù)。2019 年，PEREIRA 等[99]通過火焰聲激勵(lì)實(shí)驗(yàn)評(píng)估了氧氣增強(qiáng)燃燒(OEC)技術(shù)與脈動(dòng)燃燒技術(shù)的相互作用對(duì)大氣中CO、NOx、甲醛和乙醛排放的影響。實(shí)驗(yàn)表明，以受控方式同時(shí)應(yīng)用OEC 和聲激勵(lì)技術(shù)可以減少污染物排放，提高熱燃燒設(shè)備的效率。

甄麗[100]進(jìn)行了同軸縱向聲波作用下蠟燭火焰穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究。低頻小振幅聲波對(duì)火焰的影響較小，而隨著聲壓級(jí)的增大，火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象越發(fā)顯著，甚至熄滅；而高頻聲波對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響不明顯。聲波誘導(dǎo)的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度大小是影響火焰穩(wěn)定性的本質(zhì)因素。進(jìn)而，2018 年，魏珠萍[101]采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)不同參數(shù)聲激勵(lì)下的火焰幾何形狀特征參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。隨著聲頻率和聲壓級(jí)的增加，火焰結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷了“先變寬變長，后變窄變短”的過程，外焰較無聲波激勵(lì)時(shí)變得寬而長，而火焰整體面積隨聲壓級(jí)的增加，說明一定頻率及聲壓級(jí)的聲波對(duì)火焰燃燒效率有促進(jìn)作用。宋強(qiáng)等[102]采用高速攝影的方式研究了駐波聲場環(huán)境下層流燃燒火焰的動(dòng)力學(xué)特性。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火焰位置偏離聲壓波節(jié)位置時(shí)將受到聲輻射壓力的作用而發(fā)生火焰偏斜現(xiàn)象。王江濤等[103]基于彩色火焰圖像和火焰紋影圖像研究了橫向聲波激勵(lì)作用下甲烷射流擴(kuò)散火焰的頻率響應(yīng)?；诓噬鹧鎴D像的火焰振蕩頻率云圖可以分析出振蕩主頻出現(xiàn)的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)整個(gè)火焰大部分區(qū)域都表現(xiàn)為10.7 Hz 的振蕩主頻，但是在火焰中心區(qū)域會(huì)表現(xiàn)出20.5 Hz 的振蕩頻率。無聲波激勵(lì)條件下和有聲波激勵(lì)條件下中心20.5 Hz 區(qū)域形狀的不同，可能是由于聲波激勵(lì)在大尺度渦結(jié)構(gòu)撞擊區(qū)域和大尺度渦結(jié)構(gòu)相互作用并最終影響火焰夾斷過程造成的。吳昀輝等[104]實(shí)驗(yàn)研究了聲激勵(lì)下旋流鈍體火焰的非線性響應(yīng)特性，認(rèn)為火焰流場中外回流區(qū)的渦脫落增強(qiáng)現(xiàn)象是誘發(fā)火焰非線性響應(yīng)的主要原因。張玉濤和史學(xué)強(qiáng)等[105-106]實(shí)驗(yàn)研究了橫向低頻(<100 Hz)聲波作用下乙醇池火的火焰結(jié)構(gòu)和振蕩特性，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖14 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比自由火焰，較低聲壓擾動(dòng)使脈動(dòng)火焰更加穩(wěn)定，而較大聲壓會(huì)使火焰失穩(wěn)；低頻聲波容易吹滅火焰，高頻聲波可提高復(fù)燃頻次。指出，聲波對(duì)火焰的沖擊作用、燃燒區(qū)化學(xué)當(dāng)量比的調(diào)節(jié)和燃燒區(qū)溫度的改變是聲波熄滅火焰的主要原因。揭示了不同聲頻率和聲壓組合下聲波助燃和滅火的物理規(guī)律。但對(duì)聲波影響燃燒的聲物理機(jī)理闡述不夠。

圖14 低頻聲波激勵(lì)下乙醇池火燃燒特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意[106]Fig.14 Schematic diagram of experimental system for combustion characteristics of ethanol pool fire excited by low-frequency sound waves[106]

綜上所述，外部聲源激勵(lì)下燃燒火焰的動(dòng)力學(xué)特性隨著聲學(xué)參數(shù)、燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同呈現(xiàn)出豐富的行為特征。然而，已有文獻(xiàn)的研究都是在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行標(biāo)量參數(shù)分析得到的定量結(jié)果，因此，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果不具有一般性指導(dǎo)意義。針對(duì)以上不足，進(jìn)行聲激勵(lì)下火焰動(dòng)力學(xué)特征的無量綱參數(shù)分析更具有普遍意義，如通過燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)、火焰動(dòng)力學(xué)參數(shù)及聲學(xué)參數(shù)來定義可以描述聲激勵(lì)和火焰相互作用的無量綱參數(shù)之間的關(guān)系。

5 展 望

通過以上的文獻(xiàn)分析可知，聲波助燃技術(shù)在燃煤電站鍋爐中具有較大的應(yīng)用潛力。合適參數(shù)聲波的加入可以有效調(diào)制煤粉顆粒的脈動(dòng)燃燒特性、火焰的響應(yīng)特性和熱質(zhì)傳輸過程，從而加速和強(qiáng)化燃燒過程、提高鍋爐綜合熱效率和降低碳排放量。因此，在國家“雙碳”目標(biāo)的能源戰(zhàn)略下，極力開發(fā)研究適用于燃煤電站鍋爐的聲波助燃技術(shù)將具有重要意義。針對(duì)燃煤電站鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)和組織燃燒方式，應(yīng)當(dāng)開展具有工程實(shí)際應(yīng)用背景下聲波影響燃燒的研究。

在實(shí)驗(yàn)方面，隨著實(shí)驗(yàn)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，利用先進(jìn)圖像處理技術(shù)和物理場監(jiān)測技術(shù)對(duì)燃燒狀態(tài)進(jìn)行研究是當(dāng)前重要有效的手段。實(shí)驗(yàn)研究主要分析了聲激勵(lì)下火焰結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性及燃燒溫度場、流場和燃燒產(chǎn)物的變化規(guī)律，以此獲得聲波激勵(lì)燃燒的一般物理規(guī)律。但通過實(shí)驗(yàn)手段得到的結(jié)果是宏觀意義上的，無法厘清聲波影響燃燒的微觀機(jī)理。因此，建立聲波影響燃燒的數(shù)學(xué)物理模型十分重要。在燃燒理論模型上，已經(jīng)建立了較為完善的單顆粒數(shù)學(xué)物理模型。但實(shí)際面臨的主要問題在于有限空間中聲波影響燃燒的物理模型過于復(fù)雜，難以充分考慮空間駐波聲場對(duì)燃燒的影響。如燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)、聲參數(shù)、聲源形式及位置等因素都會(huì)對(duì)有限空間中的聲場分布產(chǎn)生重要影響。因此，對(duì)有限空間中聲波影響燃燒的物理模型還鮮有研究。在數(shù)值模擬上，缺乏對(duì)有限空間燃燒室中聲場分布的研究，且邊界條件、環(huán)境參數(shù)和燃煤顆粒形狀的設(shè)置與工程實(shí)際不相符?，F(xiàn)有的數(shù)值模擬工作主要對(duì)聲激勵(lì)下煤顆粒周圍的流場、溫度場和熱傳遞特性以及燃燒火焰的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，但并未考慮燃煤顆粒本身的振動(dòng)特征。然而，純粹的數(shù)值仿真研究太過單一，需要與實(shí)驗(yàn)、理論結(jié)果相印證。

綜上，雖然以往的研究取得了一些有意義的結(jié)果，但對(duì)聲波助燃的研究還需進(jìn)一步深入開展如下工作：

(1)特定燃燒室環(huán)境下的聲場分布特性研究?？刹捎脭?shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究聲源類型、聲源位置和聲源參數(shù)對(duì)室內(nèi)聲場分布特性的影響規(guī)律，這對(duì)于聲波助燃器安裝位置和聲參數(shù)的選擇具有重要指導(dǎo)意義。同時(shí)，需要分析燃燒室的特征頻率，這對(duì)避免聲激勵(lì)下的燃燒不穩(wěn)定性具有重要意義。

(2)建立聲激勵(lì)下考慮顆粒燃燒脫揮過程、揮發(fā)分和焦炭燃燒的完整數(shù)學(xué)模型。描述聲波影響煤顆粒燃燒的完善理論模型是推動(dòng)基礎(chǔ)理論發(fā)展和厘清內(nèi)在物理作用機(jī)理的重要內(nèi)容。

(3)綜合考慮強(qiáng)聲波作用下煤顆粒的非線性振蕩特性、顆粒周圍流場的即時(shí)流動(dòng)特性和時(shí)均流動(dòng)特性。在以往的研究中對(duì)強(qiáng)聲波的非線性作用討論極少，如非線性聲場力對(duì)燃煤顆粒運(yùn)動(dòng)特性的影響、非線性聲流效應(yīng)對(duì)燃燒煤顆?；鹧娼Y(jié)構(gòu)的影響和周期性振蕩流對(duì)燃煤顆粒熱質(zhì)傳輸特性的影響等。從聲學(xué)物理效應(yīng)的角度分析上述影響規(guī)律是厘清聲波助燃機(jī)制的主要手段。

(4)討論不同組織燃燒方式產(chǎn)生的火焰與聲波的相互作用機(jī)制，如四角切向燃燒、前后墻對(duì)沖旋流燃燒和W 型火焰等。聲波的有效調(diào)控對(duì)拓寬煤種的適應(yīng)性和提高低負(fù)荷穩(wěn)燃性能、預(yù)防結(jié)焦和高溫腐蝕、消除熱偏差、提高鍋爐經(jīng)濟(jì)性和降低污染少排放具有重要作用。

(5)需要建立聲波助燃耗能與提高燃燒效率所增加能量利用之間的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型，指導(dǎo)挖掘聲波助燃技術(shù)的節(jié)能潛力。

(6)在聲波助燃技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，還需要重點(diǎn)解決：聲波助燃器安裝位置與所需臺(tái)數(shù)的合理布置、聲波助燃器作用頻率范圍及聲強(qiáng)的選擇與靈活調(diào)控、聲波助燃器號(hào)角的安裝方位角與耐高溫腐蝕等重要問題。上述問題的有效解決將有利于聲波助燃器的高效、長壽命運(yùn)行。

6 結(jié)論

(1)聲波傳播過程中誘導(dǎo)的振蕩流、時(shí)均非線性聲流、聲場力及輻射指向性等聲效應(yīng)是改變?nèi)济侯w粒燃燒狀態(tài)、熱質(zhì)傳輸過程及火焰動(dòng)力學(xué)行為的主要作用形式。

(2)聲波振蕩效應(yīng)使煤粉顆粒與周圍流場滑移速度的提高及燃燒區(qū)域湍流旋渦的產(chǎn)生是加速燃料揮發(fā)分析出，提高燃燒強(qiáng)度，降低燃燒時(shí)間，降低煙氣中的粉塵質(zhì)量濃度和降低SOx/NOx等污染物排放的主要作用機(jī)制。

(3)對(duì)于給定聲頻率，熱源的平均努塞爾數(shù)隨著聲壓級(jí)的增大呈指數(shù)形式提高。不同頻段聲波影響傳熱機(jī)理不同，低頻強(qiáng)聲波形成的強(qiáng)聲流效應(yīng)是加速熱質(zhì)傳輸?shù)闹鲗?dǎo)機(jī)制；高頻強(qiáng)聲波誘導(dǎo)的快速往復(fù)振蕩流產(chǎn)生的邊界層分離及渦脫落現(xiàn)象是影響傳熱傳質(zhì)的主要機(jī)制。聲激勵(lì)下的可控脈動(dòng)燃燒顯著加速了熱質(zhì)傳輸過程。

(4)聲波與火焰呈現(xiàn)出強(qiáng)的非線性相互作用。聲阻抗不匹配是發(fā)生相互作用的主要物理機(jī)制，火焰界面上是發(fā)生強(qiáng)相互作用的主要位置。低頻強(qiáng)聲波對(duì)火焰具有抑制作用，形成的強(qiáng)聲流效應(yīng)(或“聲風(fēng)”)可使火焰發(fā)生偏斜甚至熄滅，但對(duì)燃料顆粒本身具有顯著助燃效果；而高頻強(qiáng)聲波對(duì)火焰具有較強(qiáng)的調(diào)制作用，合適的聲強(qiáng)可以使燃燒火焰維持穩(wěn)定脈動(dòng)燃燒狀態(tài)，有助燃的效果。

綜上，為提高燃煤機(jī)組發(fā)電效率，降低煤耗和碳排放量，促進(jìn)燃煤的清潔高效利用，新型聲波助燃技術(shù)的發(fā)展研究和應(yīng)用推廣在未來應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶銐虻闹匾?。隨著實(shí)驗(yàn)科學(xué)技術(shù)和仿真技術(shù)的高速發(fā)展，符合實(shí)際工程環(huán)境下聲波助燃技術(shù)的應(yīng)用研究將得到有效推進(jìn)。同時(shí)，結(jié)合聲學(xué)測溫、聲學(xué)測流和燃燒產(chǎn)物聲學(xué)反演等先進(jìn)聲學(xué)技術(shù)手段對(duì)燃煤電站鍋爐爐膛燃燒環(huán)境進(jìn)行協(xié)同實(shí)時(shí)監(jiān)測，與聲波助燃形成反饋機(jī)制，幫助聲波助燃的有效調(diào)控。因此，聲波助燃技術(shù)在燃煤電站鍋爐中的推廣應(yīng)用將進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)聲波助燃過程深入、全面的認(rèn)識(shí)。

致謝本研究得到河北省物理學(xué)與能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助（HBKLPET2023_02），在此致以謝意。