协流温度对喷射起升火焰燃烧稳定性的影响

邓 俊，李理光，吴志军

（同济大学 汽车学院，上海201804）

湍流与燃烧是非常复杂的过程，两者之间的相互作用更加剧了湍流燃烧的复杂性，使之成为当今工程研究领域中最复杂的课题之一［1］.

对于湍流起升火焰的稳定机理，相关领域学者进行了不 懈 的 研 究［2－8］，但仍存 在 很 大 的 争 议［2］.文献［3］最早对扩散起升火焰的稳定机理进行了研究，指出火焰高度稳定在化学当量比区域内湍流火焰速率与燃料供应速率平衡的地方.文献［4］和［5］则将轴对称湍流喷射火焰看成是受湍流控制的层流扩散火焰的系综，火焰的稳定与作用于层流扩散火焰面上的拉伸率有关.文献［6］在此基础上发展了三重火焰的概念，认为部分预混小火焰的熄灭对火焰的稳定起着至关重要的作用.文献［7］的试验结果证实起升火焰的稳定高度与雷诺数有关，雷诺数低则火焰稳定在喷口附近且火焰层薄，随雷诺数增加起升高度增加而火焰区域变宽.

Dibble燃烧器的问世将湍流化学动力学从复杂的回流中解耦出来，有利于稳定机理的研究［9－10］，也可用于模拟加力燃烧室中的热氛围和氧氛围，为该燃烧室中的燃烧稳定提供有利参考［11］.利用该类型燃烧器，文献［10］研究了中央喷射气体燃料（CH4）的起升火焰稳定性与自燃的关系.文献［12］研究了中央喷射H2和N2混合气的起升火焰高度，推测不同协流温度下火焰的稳定受控于不同的因素：低温下的自燃或高温下的火焰传播.文献［13］等用联合概率密度函数（PDF）方法对中央射流为H2与N2混合气在活化热氛围中的燃烧现象进行了数值模拟，研究湍流火焰的结构及起升高度.文献［14］利用PDF方法模拟了活化热氛围中H2和N2射流火焰的温度场和H2，O2以及OH基的质量分布.在中央喷射液体燃料燃烧方面，Cabra等［15］和吴志军等［16］分别针对甲醇和柴油燃料在活化热氛围中的燃烧进行了研究.

在前期研究的基础上［16－17］，本文利用活化热氛围燃烧器提供的稳定协流热氛围场，围绕中央喷射液体燃料的起升火焰的基部变化，深入分析协流热氛围对液体燃料起升火焰燃烧稳定性的影响，从而为均质压燃燃烧过程控制提供参考依据.

1 试验装置及研究方法

可控活化热氛围燃烧试验系统详见文献［17］，其主体是可控活化热氛围燃烧器（图1），其协流成分为氧气体积分数在10%～19%可变的氢气／空气稀燃燃烧产物，可为中央喷射燃料提供燃烧所需的氧气和热氛围，在半径为40mm、高为150mm的近似圆柱形区域内沿中心轴线提供700～1 500K的均衡温度场［17］.协流温度仅受协流预混合气当量比控制，并采用快速响应热电偶对协流温度进行实时监控，稳定条件下的协流温度变化约2K［18］.试验过程中协流氧气体积分数为14.7%～15.5%，协流流速为3.8m·s－1，雷诺数约为16 300.

图1 可控活化热氛围燃烧器示意Fig.1 Schematic of the CATA burner

中央射流由连续喷射系统实现.连续喷射系统由氮气瓶、蓄能器、高压管路、喷嘴以及电磁阀等组成，系统简图如图2所示.蓄能器内的液体燃料（本试验中为柴油）在高压氮气瓶内高压气体的作用下以恒定的压力通过喷嘴喷入燃烧器所形成的热氛围中，形成自燃火焰.喷嘴为自制的单孔喷嘴，孔径为0.20mm.由于液体燃料燃烧存在蒸发和扩散过程，并且受燃烧器热氛围稳定高度的限制，蓄能器的压力维持在0.5MPa，液体喷射速率较小（约5m·s－1），以便将着火区域限制在稳定热氛围内，由于喷射时间较短，试验过程中喷射压力保持不变.喷嘴伸出燃烧盘上方45mm，处于燃烧器的预混湍流火焰充分发展的区域，喷雾特性可参考文献［18］.

图2 连续喷射系统Fig.2 Continuous injection system

中央喷射起升火焰使用Photron公司生产的FASTCAM－ultima APX高速摄影系统记录，分辨率设置为512×128，表征600mm×150mm的拍摄范围，帧速率为6 000帧·s－1.液体喷射及着火过程记录控制时序图如图3所示，其中t1为喷油延迟时间，t2为自燃延迟时间，启动喷油电磁阀1的同时触发高速摄影系统.所拍摄的图片通过自行编制的后处理软件作了对比度增强、去噪以及轮廓提取处理，以减少肉眼识别带来的误差.稳定火焰起升高度指可见火焰基部距喷嘴的高度，是通过后处理软件从图像序列中自动提取的.

图3 液体喷射及着火过程记录控制时序Fig.3 Control timing diagram of liquid injection and ignition recording

2 试验结果及讨论

可控活化热氛围燃烧器提供的是高温的稀燃燃烧产物，中央喷射液体燃料进入热协流以后受热蒸发，在高温及氧氛围的共同作用下而发生自燃，从而最终形成湍流起升火焰.然而这种湍流起升火焰的基部高度并不是稳定不变的，而是受协流温度、燃料的供应速率、湍流强度以及部分预混火焰的传播等多因素的共同影响.

图4a为柴油燃料喷入温度为1 022K的热协流中发生自燃后形成的起升火焰基部的高度随时间的变化，表现为火焰升高一定高度后逐渐趋于稳定.将图片中火焰基部高度的变化量定义为跳变长度，其随时间的变化如图4b所示.从图4可以看出，火焰高度起伏比较大，并且在A-E各点火焰的基部发生了明显的向下跳跃，基部高度减小20mm以上，在点D跳变量甚至达到了65mm，远远超过了火焰传播所能达到的距离.以点D附近火焰的发展过程为例，将点D时刻定义为t＝0ms，点D及后续的燃烧图片如图5所示.在点D以前，火焰的基部高度慢慢升高（图4）.在t＝0ms时刻，在主火焰（明亮火焰）的上游较远处出现了燃料的自燃现象，从而将火焰分为上、下两部分（图5a）.此后，围绕着自燃点，下部火焰迅速发展（图5b，5c，5d），并最终与上部火焰连成一片（图5e，5f），从而降低了整个火焰的基部高度.当然，火焰并不会稳定在这一高度，基部位置逐渐升高，直至下一次跳变发生.因此，火焰上游燃料的自燃现象对火焰起升高度的稳定性起着重要作用.从图4中还可看出，自燃发生位置和自燃时间并不固定，存在很大的随机性，这和当地的燃烧温度、湍流强度及燃空比均有直接的关系.

将协流温度适当提高，火焰基部的变化将发生很大的改变.图6是协流温度为1 074K时起升火焰的基部高度及跳变长度随时间的变化.可以看出，基部高度的起伏并不大，但仍存在火焰基部的跳变现象（图中A，B），只是其跳变长度与图4中的相比略小.

将协流温度提高至1 101K，火焰的最大跳变长度相当短（图7），在20mm左右，考虑到此时温度较高，火焰的传播速率较大，可认为跳变现象已基本不发生.此时，火焰的稳定主要受控于湍流火焰的传播速率和燃料的供应速率的平衡.

如果对跳变长度设置一个阈值，认为超过此阈值的基部高度跳变才是一次由于自燃现象而发生的跳变（简称跳变），对250ms内各协流温度条件下跳变的次数进行统计，结果如图8所示.在3个不同的跳变长度阈值（15，20，25mm）下，随温度的升高，跳变的频率明显减小.存在一个温度临界点，协流温度低于此临界点则跳变次数较大，火焰的稳定取决于火焰区上游燃料的自燃.而高于此临界点，则跳变次数很少，且只在火焰稳定的初期发生.如果考虑高温情况下湍流燃烧速率加大，则高温时自燃跳变的阈值要相应提高，从而导致跳变频率更小.

图8 火焰基部跳变次数随温度的变化Fig.8 Jump times of flame base vs.temperature

从图4、图6和图7还可看出，协流温度为1 022 K时，首次可见火焰的位置高度即自燃点高度约120 mm（与纵坐标的交点）.随着温度上升，自燃点位置下降.在超过一定的温度后，该高度值变化不大，在1 074K和1 101K均在50mm左右.

考察火焰的起升高度可以发现，随着协流温度的上升，起升高度变小.协流温度为1 022K时起升高度围绕120mm跳动；1 074K时起升高度约为50 mm；而1 101K时火焰稳定在喷嘴口附近，起升高度只有10mm左右.

由以上分析可知，在不同协流温度时热氛围中液体燃料喷射起升火焰的稳定性受控因素不同.协流温度较低时起升火焰的稳定受控于燃料的自燃现象，而协流温度较高时火焰的稳定受火焰传播主导.Wu等［19］利用激光多普勒测速技术对活化热氛围下H2与N2射流火焰的湍流结构研究结果及试验过程中的强烈自燃噪声现象也表明气体燃料射流火焰稳定受控因素亦符合上述规律.

3 结论

对活化热氛围中液体燃料连续喷射所形成的起升火焰的基部高度进行了分析，得到以下结论：

（1）协流热氛围中火焰基部的频繁跳变是自燃现象作用的结果.

（2）不同协流温度时液体燃料中央喷射起升火焰的稳定性受控因素不同.本试验条件下，存在一个火焰基部稳定受控因素的分界点，低于此温度时起升火焰的稳定受控于燃料的自燃现象，高于此温度时起升高度的稳定受火焰传播主导.

（3）火焰跳变频率及跳变长度与协流温度有关，温度越低则火焰基部跳变越频繁，跳变长度随温度的增加而减小.

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