史 挺, 金 明, 葛 冰, 臧述升

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)

天然氣摻氫燃燒技術(shù)由于燃燒效率高、燃燒速率快、貧燃極限寬、碳排放性能好[1-2],得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注.但是氫氣燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁翘烊粴獾?倍[3],并且燃燒溫度比天然氣更高,燃燒流場(chǎng)與火焰結(jié)構(gòu)存在差異[4-5],天然氣摻氫燃燒隨著摻氫比例的增加,容易出現(xiàn)回火、振蕩[6-7],并且會(huì)改變火焰的吹熄極限速度[8].因此,使用天然氣摻氫燃料的燃燒器需要克服一系列問題,尤其是燃燒不穩(wěn)定性問題.

針對(duì)天然氣摻氫燃燒不穩(wěn)定性問題,國內(nèi)外學(xué)者利用光學(xué)可視化測(cè)試技術(shù)開展了大量研究.賈亮等[9]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高摻氫比會(huì)增強(qiáng)火焰的不穩(wěn)定性.Figura等[10]的研究表明隨著氫氣濃度的增加,火焰自激振蕩的模態(tài)和頻率發(fā)生變化,火焰的振蕩特性受到火焰形狀和火焰位置的影響.Davis等[11]在相同的進(jìn)氣流速下,通過試驗(yàn)比較了純甲烷火焰和富氫甲烷火焰的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),結(jié)果表明,火焰長度越短,富氫火焰的波動(dòng)越大.Giezendanner等[12]以及Ge等[13]也通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了火焰的燃燒不穩(wěn)定與火焰結(jié)構(gòu)變化的強(qiáng)相關(guān)性.為了研究摻氫燃燒不穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)機(jī)理,研究人員也開展了受迫振蕩研究.Yilmaz等[14]通過簡(jiǎn)單旋流火焰的受迫振蕩試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著氫氣濃度的增加,火焰的熱聲耦合和壓縮顯著增加,這種效應(yīng)會(huì)增強(qiáng)非激勵(lì)頻率下的火焰響應(yīng),但降低了激勵(lì)頻率下的耦合強(qiáng)度.

雖然針對(duì)天然氣摻氫燃燒開展了大量研究,但是目前研究工作主要集中在單旋流燃燒上,針對(duì)具有實(shí)際工業(yè)結(jié)構(gòu)的中心分級(jí)燃燒器的研究較少.在中心分級(jí)燃燒器中,值班級(jí)火焰與主燃級(jí)火焰存在強(qiáng)烈干涉,火焰間的相互作用非常復(fù)雜,在燃燒穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出與單旋流燃燒器完全不同的特性,因此摻氫比對(duì)中心分級(jí)燃燒的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及火焰耦合的影響還需要進(jìn)一步研究.本文通過試驗(yàn)研究中心分級(jí)天然氣摻氫火焰的受迫振蕩特性,在中心分級(jí)燃燒器入口上游施加軸向速度擾動(dòng),探究不同摻氫比例下的火焰結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,從火焰干涉角度分析了分級(jí)摻氫火焰的受迫振蕩機(jī)理.

1 試驗(yàn)裝置及研究方法

1.1 試驗(yàn)裝置與工況

試驗(yàn)采用的中心分級(jí)摻氫燃燒不穩(wěn)定性可視化試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示,主要由供氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、阻抗管、中心分級(jí)燃燒器、模型燃燒室和揚(yáng)聲器組成.阻抗管長270 mm,內(nèi)徑43.5 mm.在阻抗管中設(shè)置兩個(gè)軸向距離為60 mm的傳聲器PA和PB,中心分級(jí)燃燒器安裝在阻抗管末端.模型燃燒室橫截面為方形,尺寸為140 mm×140 mm.燃燒室側(cè)壁上有兩個(gè)石英窗口,用于光學(xué)測(cè)量.本文所使用的中心分級(jí)燃燒器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示,由1級(jí)值班旋流器、2級(jí)值班旋流器與主燃旋流器組成,其旋流數(shù)分別為0.73、0.58和0.73.值班級(jí)采用非預(yù)混燃燒的方式,產(chǎn)生擴(kuò)散火焰,以保證燃燒的穩(wěn)定性;主燃級(jí)采用貧預(yù)混燃燒方式.

圖1 火焰受迫振蕩試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Diagram of experimental platform of flame forced oscillation

燃燒器入口速度擾動(dòng)由揚(yáng)聲器提供,擾動(dòng)幅值采用雙傳聲器法測(cè)量[15],將傳聲器PA與PB測(cè)量的壓力波動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣让}動(dòng),傳聲器型號(hào)為PCB 130F20,靈敏度為12 mV/Pa.燃燒室動(dòng)態(tài)壓力采用Kulite XTL-190M動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量.由于OH*的光輻射信號(hào)和熱釋放強(qiáng)度有線性關(guān)系[16],全局火焰熱釋放率通過HAMAMATSU H10723-210光電倍增管(PMT)和波長范圍為(307±10) nm的OH*帶通濾光片測(cè)得.上述參數(shù)采樣頻率均為 5 000 Hz,并基于NI-DAQ 6284同步采集卡和LabView軟件實(shí)現(xiàn)同步采集.瞬態(tài)火焰結(jié)構(gòu)通過VEO 710L互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)高速照相機(jī)和波長范圍為(432±10) nm的CH*帶通濾光片拍攝,拍攝頻率為 1 000 Hz,拍攝的范圍為 70 mm×80 mm,如圖2所示.

圖2 中心分級(jí)燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of central staged burner

圖3 不同頻率激勵(lì)下的燃燒室火焰?zhèn)鬟f函數(shù)幅值變化Fig.3 Amplitude change of combustor FTF at different frequency excitations

為研究摻氫比的影響,改變主燃級(jí)燃料的摻氫體積比Rv=0%, 10%, 20%, 30%,試驗(yàn)工況如表1所示.

表1 變Rv試驗(yàn)工況Tab.1 Experimental scheme of variable Rv

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

利用本征正交分解(POD)方法對(duì)試驗(yàn)中高速照相機(jī)采集到的CH*熒光圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,提取火焰脈動(dòng)的主要特征,考察火焰結(jié)構(gòu)的變化.POD法是一種用于提取高頻瞬態(tài)物理場(chǎng)中主要特征結(jié)構(gòu)的方法,如湍流流場(chǎng)和旋流火焰中的大尺度相干結(jié)構(gòu)[17].使用Classical POD的方法處理瞬態(tài)火焰結(jié)構(gòu).POD方法將時(shí)間序列的CH*熒光強(qiáng)度場(chǎng)I(x,t) 分解為特征函數(shù)ψi(x)和時(shí)間系數(shù)ai(t):

(1)

POD分解需要建立相關(guān)矩陣:

(2)

式中:M為時(shí)間維度上的采樣個(gè)數(shù).

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 火焰結(jié)構(gòu)變化

在155 Hz的激勵(lì)頻率下,天然氣摻氫火焰呈現(xiàn)強(qiáng)周期性的脈動(dòng),為了研究摻氫比對(duì)于火焰脈動(dòng)規(guī)律的影響,提取了在上述入口擾動(dòng)頻率下,不同摻氫比火焰的CH*熒光強(qiáng)度ICH*分布在1個(gè)振蕩周期內(nèi)的變化情況,如圖4所示,圖中φ為脈動(dòng)的相位.結(jié)果表明,不同摻氫比的火焰瞬態(tài)脈動(dòng)的模式較為相似,均為火焰被吹向下游—火焰脫落—上游再次點(diǎn)燃這一周期性過程.

圖4 不同摻氫比火焰的CH*熒光強(qiáng)度分布在一個(gè)振蕩周期內(nèi)的變化情況及時(shí)均火焰結(jié)構(gòu)Fig.4 Time-averaged flame structure and change of CH* fluorescence intensity distribution of flame with different hydrogen doping ratios in an oscillation period

此外,分析了火焰結(jié)構(gòu)隨摻氫比的變化特性,如圖5所示.圖中:h為火焰高度;l為兩級(jí)火焰質(zhì)心間距.將時(shí)均圖像進(jìn)行維納濾波與二值化處理,提取了值班級(jí)與主燃級(jí)火焰非干涉區(qū)的火焰邊界,獲取了不同摻氫比下的h變化規(guī)律,如圖6所示;并提取了值班級(jí)火焰和主燃級(jí)火焰的質(zhì)心,得到了l隨Rv變化的規(guī)律,如圖7所示.從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),隨著Rv的增大,火焰高度減小,火焰前沿向上游移動(dòng),火焰根部的反應(yīng)加強(qiáng),并且值班級(jí)與主燃級(jí)火焰質(zhì)心的距離明顯縮短,導(dǎo)致了兩級(jí)火焰之間的干涉更加強(qiáng)烈.

圖5 火焰結(jié)構(gòu)特征量提取方法Fig.5 Extraction method of flame structure feature

圖6 火焰高度h隨Rv變化Fig.6 Flame height h versus Rv

圖7 兩級(jí)火焰質(zhì)心距離l隨Rv變化Fig.7 Mass center distance l of two staged flames versus Rv

為了詳細(xì)研究摻氫比對(duì)于火焰脈動(dòng)的影響機(jī)理,對(duì)每個(gè)摻氫比下采集到的700 張CH*熒光信號(hào)分布照片進(jìn)行POD分解,提取其主要的脈動(dòng)模態(tài),得到各工況的前3階模態(tài)Mode 1、Mode 2、Mode 3及對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)ai如圖8所示,以及火焰POD一階模態(tài)的能量占比εModel隨Rv的變化趨勢(shì),如圖9所示.

圖8 不同摻氫比下的火焰POD模態(tài)及對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)Fig.8 Flame POD modes and time coefficient at different hydrogen doping ratios

圖9 火焰POD一階模態(tài)能量占比隨Rv的變化Fig.9 First order mode energy ratio of flame POD versus Rv

對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析,一階模態(tài)的波峰處于主燃級(jí)火焰與值班級(jí)火焰的干涉區(qū),因此一階模態(tài)由值班級(jí)和主燃級(jí)火焰間的干涉控制;二階模態(tài)的波峰波谷在兩級(jí)火焰的非干涉區(qū),表征的是入口空氣擾動(dòng)直接引發(fā)的火焰軸向脈動(dòng),并且可以發(fā)現(xiàn)Rv的變化對(duì)于模態(tài)本身的波峰波谷分布影響不大.另外,時(shí)間系數(shù)變化曲線顯示,不同摻氫比下的一階模態(tài)和二階模態(tài)的相位差均為0.6π,摻氫比對(duì)于火焰脈動(dòng)相位變化的影響很小.

分析Rv對(duì)于能量最高的一階模態(tài)能量占比εModel的影響,可以發(fā)現(xiàn),隨著Rv的增大,εModel逐漸增大.這是由于燃料中摻氫使得主燃火焰向燃燒室上游收縮,主燃火焰與值班火焰間的干涉加強(qiáng),最終導(dǎo)致由火焰干涉主導(dǎo)的脈動(dòng)模態(tài)即εModel增強(qiáng).

2.2 壓力與熱釋放響應(yīng)特性

為研究燃燒室內(nèi)壓力對(duì)上游速度擾動(dòng)的響應(yīng)特性,對(duì)不同摻氫比的火焰采集了燃燒室內(nèi)的壓力脈動(dòng)p,并進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),結(jié)果如圖10所示,當(dāng)Rv>20%時(shí),燃燒室內(nèi)出現(xiàn)310 Hz的倍頻壓力脈動(dòng),并且隨著Rv的增大,倍頻壓力脈動(dòng)的幅值逐漸增大.

為了比較不同摻氫比下的燃燒室內(nèi)壓力響應(yīng)大小,提取了激勵(lì)頻率155 Hz下的燃燒室內(nèi)壓力脈動(dòng)主頻幅值,如圖11所示.結(jié)果顯示,隨著Rv的增大,燃燒室內(nèi)壓力脈動(dòng)主頻幅值呈現(xiàn)增大趨勢(shì);Rv=30%的工況相比不摻氫的工況,壓力脈動(dòng)主頻幅值增大了9%.

圖11 155 Hz激勵(lì)下燃燒室內(nèi)壓力脈動(dòng)主頻幅值隨Rv的變化Fig.11 Main frequency amplitude of pressure pulsation in combustor changing with Rv in 155 Hz excitation

同時(shí)也與壓力信號(hào)同步采集了不同摻氫比下的燃燒室內(nèi)的全局OH*光輻射信號(hào)脈動(dòng)來表征全局熱釋放脈動(dòng)H,并進(jìn)行快速傅里葉變換,結(jié)果如圖12所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn),所有工況除受迫頻率下的響應(yīng)外,均存在310 Hz的倍頻熱釋放響應(yīng),并且隨著Rv的增大其幅值逐漸增大.

圖12 155 Hz激勵(lì)下燃燒室內(nèi)熱釋放脈動(dòng)FFT結(jié)果Fig.12 FFT result of heat release pulsation in combustor in 155 Hz excitation

為了比較不同摻氫比下的燃燒室內(nèi)熱釋放響應(yīng)大小,提取了激勵(lì)頻率155 Hz下的燃燒室內(nèi)熱釋放脈動(dòng)主頻幅值,如圖13所示.結(jié)果顯示,Rv=30%的工況相比不摻氫的工況,熱釋放脈動(dòng)主頻幅值增大了37%;且隨著Rv的增大,燃燒室內(nèi)熱釋放脈動(dòng)主頻幅值變化趨勢(shì)與壓力脈動(dòng)以及火焰POD一階模態(tài)的能量占比相同,均呈現(xiàn)增大趨勢(shì),這也表明燃燒室內(nèi)的壓力受迫響應(yīng)與火焰熱釋放及火焰形態(tài)響應(yīng)間存在強(qiáng)相關(guān)性.

圖13 155 Hz激勵(lì)下燃燒室內(nèi)熱釋放脈動(dòng)主頻幅值隨Rv的變化Fig.13 Main frequency amplitude of heat release pulsation in combustor changing with Rv in 155 Hz excitation

最后為分析受迫振蕩增強(qiáng)的原因,計(jì)算了不同摻氫比下的全局瑞利因子,如圖14所示.瑞利因子r是揭示燃燒穩(wěn)定性問題基本機(jī)理的重要手段[18],其定義如下:

(4)

式中:p′為燃燒過程的壓力脈動(dòng);T為壓力脈動(dòng)周期.瑞利因子的大小表示燃燒過程的壓力波動(dòng)和熱釋放波動(dòng)相互耦合疊加的強(qiáng)度,是燃燒過程發(fā)生熱聲振蕩的主要驅(qū)動(dòng)原因.結(jié)果顯示,隨著Rv的增大,燃燒室內(nèi)的全局瑞利因子逐漸增大,說明此時(shí)壓力與熱釋放的耦合不斷加強(qiáng),最終導(dǎo)致了受迫振蕩幅值的增大.

圖14 155 Hz激勵(lì)下燃燒室全局瑞利因子隨Rv的變化Fig.14 Global Rayleigh index in combustor changing with Rv in 155 Hz excitation

3 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)研究中心分級(jí)天然氣摻氫火焰的受迫響應(yīng)特性,在中心分級(jí)燃燒器入口上游施加不同頻率的速度擾動(dòng),探究不同摻氫比對(duì)中心分級(jí)天然氣摻氫燃燒的火焰結(jié)構(gòu)變化、壓力脈動(dòng)特性及熱釋放率脈動(dòng)特性的影響.結(jié)論如下:

(1) 隨著Rv的增大,火焰高度減小,火焰前沿向上游移動(dòng),值班級(jí)火焰與主燃級(jí)火焰質(zhì)心的距離縮短,導(dǎo)致兩級(jí)火焰干涉加強(qiáng).

(2) 隨著Rv從0%增大到30%,燃燒室內(nèi)熱釋放響應(yīng)幅值增大了37%,壓力響應(yīng)幅值增大了9%.

(3) 火焰的脈動(dòng)主要由值班級(jí)和主燃級(jí)火焰間的干涉主導(dǎo)的火焰脈動(dòng)和空氣擾動(dòng)直接引發(fā)的火焰軸向脈動(dòng)兩者組成,并且Rv的增加,會(huì)增強(qiáng)值班級(jí)和主燃級(jí)火焰間的干涉引發(fā)的火焰脈動(dòng),加強(qiáng)了壓力與熱釋放的耦合,從而增強(qiáng)了燃燒室內(nèi)的壓力與熱釋放響應(yīng).