稳焰器结构对贫燃预混燃烧火焰不稳定性的影响

段润泽， 赵若霖， 刘联胜， 田 亮， 王兴益

(河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401)

随着现代社会的发展，NOx的环境污染问题越来越受到关注，大量研究[1-2]发现贫燃预混燃烧能够很好地控制NOx排放，但是当贫燃预混燃烧的控制参数接近熄火极限时，在一个相对封闭的燃烧室内容易发生热声振荡现象，降低了火焰的动力学稳定性，导致火焰锋面动力学失稳。

Steinberg等[3]认为火焰动力学失稳是由燃烧室结构、流场、压力、化学反应以及火焰热释放之间的相互作用引起的。Weigand等[4]认为诱发火焰动力学失稳的主要因素是气体动力学波动和火焰的周期性热释放，前者主要包括气体流动过程中大尺度黏性漩涡的形成和耗散，燃烧室本身的声压振荡以及其他的一些流动现象。Hwang等[5]对2个切向旋转喷嘴火焰的稳定性进行了实验研究，发现切向旋流预混火焰是相对稳定的。

Stöhr等[6]发现中心回流区是由旋转射流内涡团的周期性形成和衰减造成的，是涡旋进动(Precessing vortex core，PVC)的结果。PVC是一种由中心回流区剪切边界层内的三维非对称涡团以一定的频率形成和破碎的过程，与雷诺数大小有关。在较低旋流数下，PVC会产生涡团破碎并诱发出中心回流区，中心回流区面积减小。Weigand等[4]在研究小尺度涡团的PVC时发现PVC有利于已燃气体与未燃气体混合，促进燃烧，可以明显提高火焰稳定性。中心回流区与PVC也有很大关系，PVC越强，中心回流区越明显；而PVC螺旋结构也与反应速度及火焰的热释放有关，这是因为：一方面，螺旋结构可以增大未燃气体与已燃气体之间的接触面积，有利于提高整个燃烧速率；另一方面，反应速率提高将导致火焰热释放增大，热释放的能量促使PVC结构由环状发展为螺旋状。Huang等[7]发现PVC取决于燃烧室结构、燃料的进入方式及当量比。

王勇等[8-9]认为火焰不稳定性是热声振荡的一种体现，而热声振荡的机理符合瑞利准则。周昊等[10-11]指出涡核之间的相互作用在实际燃烧过程中起着重要作用。还有研究者[12-13]针对双旋流稳焰器，甚至三旋流稳焰器火焰的稳定性进行了研究。

以上研究主要针对旋流火焰的不稳定性，也有学者针对多孔介质的燃烧稳定性进行了大量研究。王恩宇等[14]针对多孔介质的燃烧特性进行了实验研究，发现多孔介质的孔直径小于猝熄直径时，预混气在燃烧过程中不易出现回火现象，保证了燃烧过程的安全性。张俊春[15]通过数值方法研究了低热值条件下多孔介质的燃烧稳定性问题，发现火焰锋面分裂现象与预混气的当量比以及入口气体速度等有关。

多孔介质对预混气有梳理、整流作用，使火焰的稳定性比其他稳焰器好，这是由多孔介质本身的特点决定的，多孔介质稳焰器具有燃烧效率高、可燃极限宽、污染物排放低等特点，但是针对多孔介质的稳定性研究理论上还不完善。因此，笔者对旋流稳焰器和多孔介质稳焰器在贫燃预混条件下的火焰燃烧不稳定性进行了研究。

1 实验系统

实验系统包括气源、实验装置、燃气供应系统以及数据采集系统，如图1所示。空气气源由空气压缩机供应，气源经过减压阀进入稳压阶段(0.6 MPa)，经过冷却、除油、过滤和干燥后进入实验段。

图1 实验系统图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

实验装置由预混室和燃烧室两部分组成(见图2)。预混室为高度500 mm、直径100 mm的圆柱形通道，为了使空气与燃气预混较好，预混室入口安装有切向旋流叶片。燃烧室由直径为170 mm、高度为250 mm的圆柱形石英玻璃构成。燃烧过程中使用切向旋流、径向旋流以及多孔介质3种结构的稳焰器。

图2 实验装置Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

切向旋流稳焰器结构如图3所示，其中4个叶片与中心轴逆时针成45°，外圆直径为20 mm，轴的直径为5 mm，叶片厚度为2 mm。径向旋流稳焰器结构如图4所示，旋流角度为45°，内直径为25 mm，轴的直径为20 mm。多孔介质(见图5)的主要成分是碳化硅10PPI，平均孔径为2 mm，厚度为17 mm，直径为55 mm，孔隙率为86.2%，流通面积为1 080 mm2。

图3 切向旋流稳焰器Fig.3 Tangential swirl flame stabilizer

图4 径向旋流稳焰器Fig.4 Radial swirl flame stabilizer

图5 多孔介质稳焰器Fig.5 Porous medium flame stabilizer

燃气采用瓶装甲烷，纯度为99.9%，甲烷在常温下经减压、干燥后，以旋流形式进入实验装置，用质量流量控制器来控制甲烷体积流量。

实验过程中采集的数据主要有甲烷体积流量、空气体积流量和燃烧室的压力振荡频谱。甲烷质量流量计CS200的量程为5SLM(即标准状况下5 L/min)，精度是0.1FS；空气质量流量计9E量程为200SLM(即标准状况下200 L/min)，精度是0.2FS；燃烧室压力振荡通过SQlabⅡ振动噪声分析仪来得到，该振动噪声分析仪频率范围为20～20 000 Hz，声压量程为200 dB，对预混室内的冷态流动过程及燃烧室内的反应过程进行同步声压频谱特性分析。

实验过程中，甲烷体积流量控制在2 L/min，当量比的调节范围为0.54～2.4。采用TESTO454多功能测试仪进行流速测量，采用CANON E50相机进行火焰图像分析。

2 结果与分析

对不同结构稳焰器的熄火极限、燃烧室火焰稳定性以及火焰结构进行实验研究。

2.1 不同结构稳焰器熄火极限

图6和图7给出了烟囱高度为360 mm时，3种稳焰器在贫燃、贫氧预混燃烧的熄火极限图。从图6可以看出，多孔介质稳焰器在贫燃预混燃烧熄火极限的当量比最低，其次是径向旋流稳焰器，而切向旋流稳焰器熄火时的当量比最高；图7中，多孔介质稳焰器在贫氧预混燃烧熄火极限的当量比最高，其次是径向旋流稳焰器，而切向旋流稳焰器熄火时的当量比最低。这是因为切向旋流稳焰器工作过程中，火焰锋面在旋流片的作用下会出现不封闭现象，而径向旋流稳焰器对火焰锋面的封闭性更好，因此径向旋流稳焰器的熄火极限要比切向旋流稳焰器好。相对旋流燃烧来说，多孔介质燃烧的稳焰机理截然不同。多孔介质对预混气具有整流、梳理作用，且流向一致。多孔介质的燃烧方式是蓄热式燃烧，当当量比非常低时火焰出现吹脱现象，导致熄火；当当量比过高时，火焰会在稳焰器内部继续燃烧，导致稳焰器表面没有明显的火焰，因此多孔介质的熄火极限最好。

图6 贫燃熄火极限Fig.6 Limit of lean premixed combustion

图7 贫氧熄火极限Fig.7 Limit of lean oxygen combustion

2.2 不同结构稳焰器火焰稳定性

图8给出了甲烷体积流量为2 L/min，预混气当量比为0.65时，3种稳焰器在燃烧室和预混室的声压频谱图，其中f为频率。从图8可以看出，预混室和燃烧室的压力频率一致；3种稳焰器燃烧室的火焰振荡频率差别不大，但是切向旋流稳焰器燃烧室火焰振荡幅值最大，径向旋流稳焰器燃烧室火焰振荡其次，而多孔介质稳焰器燃烧室火焰振荡幅值最小。这是因为切向旋流稳焰器使火焰锋面的封闭性变差，导致火焰有较大的不稳定性；而径向旋流稳焰器的火焰相对封闭较好；多孔介质稳焰器对气流的扰动相对较小，其火焰稳定性最好。

(a)切向旋流稳焰器

(b)径向旋流稳焰器

(c)多孔介质稳焰器图8 3种稳焰器在预混室和燃烧室的频谱图Fig.8 Spectrum in premixed reactor and combustion chamber of three flame stabilizers

2.3 不同结构稳焰器火焰结构

图9给出了甲烷体积流量为2 L/min，预混气当量比为0.7时，预混气通过不同稳焰器燃烧时的火焰结构图。从图9(a)可以看出，燃烧时火焰出现了分叉现象，导致火焰的封闭性较差；从图9(b)可以看出，此时火焰封闭性比切向旋流稳焰器好，由于旋转作用，在火焰锋面中心形成了一个空心核；图9(c)中，多孔介质各个小孔的出口流速基本相同，且流向一致。各小孔出口都会形成一个小尺度的锥形火焰，这些小尺度的锥形火焰将进一步组合成大尺度的锥形火焰，因此锥形火焰能否稳定在多孔介质表面，完全取决于多孔介质表面出口的瞬时流速与当地火焰传播速度之间的动态平衡。由于点火过程中多孔介质尚处于冷态，温度较低，火焰传播速度较小。若预混气流速过大，将会导致火焰吹脱，因此利用多孔介质稳焰装置时，须在燃气流量较小，热负荷较低的情况下点火启动。而且多孔介质的孔径很小，壁面有强烈的猝熄效应，不易发生回火现象。但当多孔介质被加热之后，正常燃烧时，高温多孔介质本身就是一个稳定的点火源，预混气在流经多孔介质过程中被预热、点燃，燃气被高温多孔介质预热后，火焰传播速度显著增大，预混火焰可在较高的热负荷下保持稳定。

(a)切向旋流稳焰器(b)径向旋流稳焰器(c)多孔介质稳焰器

图9 当量比0.7时不同稳焰器的火焰结构

Fig.9 Flame structure with different stabilizers for an equivalent ratio of 0.7

2.4 预混气通过多孔介质稳焰器时非反应流和反应流振荡

图10和图11给出了甲烷体积流量为2 L/min，预混气当量比为0.65时，预混气通过多孔介质稳焰器时非反应流和反应流的压力频谱。

图10 预混气通过多孔介质时非反应流在预混室和燃烧室的频谱图Fig.10 Spectrum of non-reacting flow in premixed reactor and combustion chamber with premixed gas passing through porous medium

图11 预混气通过多孔介质时反应流在预混室和燃烧室的频谱图Fig.11 Spectrum of reacting flow in premixed reactor and combustion chamber with premixed gas passing through porous medium

从图10可以看出，燃烧室内非反应流的压力扰动主要是100 Hz以下的低频扰动；而预混室内压力扰动频率与燃烧室中截然不同，这说明预混室的声压主要来自2种气体流动过程中的气体扰动，燃烧室内的压力扰动是预混气流经切向旋流叶片时诱发的，两者都是纯粹的气体流动造成的。

从图11可以看出，燃烧室内反应流的压力扰动频谱发生了显著变化，这说明火焰热释放对燃烧室的压力振荡起到一定的激励作用，从而使燃烧室内压力振荡的振幅和基频都发生变化。主要表现为：在基频 125 Hz下，振幅很高；250 Hz和375 Hz 频率下，也存在较高的压力振荡；同时还存在30 Hz、60 Hz下的分谐频振荡，分谐频振荡是典型的非线性混沌现象。从图11还可以看出，燃烧室内的压力振荡对预混室内的压力振荡有一定影响，即预混室和燃烧室内的压力振荡是同频的，只是幅值低于燃烧室内的压力振荡，说明燃烧室内一部分振荡产生的能量通过稳焰器传递到预混室，引起预混室内的压力发生谐振。火焰不稳定振荡是一种激励振荡，而火焰的周期性热释放就是不稳定振荡的激励源。同时，燃烧室内压力振荡对火焰热释放也存在反作用。

3 结 论

(1)实验研究了3种结构稳焰器的熄火极限，其中多孔介质稳焰器的熄火极限最好，其次是径向旋流稳焰器，切向旋流稳焰器的熄火极限最差。

(2)燃烧室火焰不稳定性研究结果发现，多孔介质稳焰器的火焰稳定性最好，其次是径向旋流稳焰器，切向旋流稳焰器的火焰稳定性最差。且多孔介质稳焰器的火焰封闭性最好，其次是径向旋流稳焰器，切向旋流稳焰器的火焰封闭性最差。

(3)对预混气通过多孔介质稳焰器时非反应流和反应流在燃烧室和预混室内的压力振荡进行了研究，反应流频谱图中燃烧室的不稳定性对预混室有一定影响。