基于火焰OH自发光技术的贫燃旋流预混燃烧吹熄机理

赵晓敏，葛宏达，王俊懿，徐 维，周一卉



基于火焰OH自发光技术的贫燃旋流预混燃烧吹熄机理

赵晓敏，葛宏达，王俊懿，徐 维，周一卉

(大连理工大学化工机械与安全学院，大连 116024)

利用火焰OH自发光技术研究了湍流状态下贫燃旋流预混燃烧的吹熄过程，获取了不同当量比下的平均火焰图像、瞬时火焰图像、二维火焰表面密度和OH平均强度．将当量比从0.90降低至0.46，即由火焰的稳定燃烧状态转变至临界吹熄状态，火焰由中间凹陷的紧缩形变为柱状．当量比位于0.90～0.55时，火焰表面密度下降约10%，可以认为此时火焰处于稳定燃烧状态．当量比位于0.55～0.50时，进度变量最大值从1.0变为0.5，说明火焰锋面处于强烈脉动中，且OH强度骤降约为67%．通过观察OH强度突变区域内的瞬时火焰图像，发现火焰锋面经历了脱离钝体、向燃烧室下游移动，再燃的往复过程．最后比较了不同旋流数(0.45、0.61和0.90)对于OH强度突变区间的影响，结果表明旋流数对于该区间的影响并不明显．

OH自发光；贫燃旋流预混燃烧；火焰不稳定性；火焰表面密度；进度变量

贫燃预混燃烧作为一种清洁燃烧方式，可有效降低氮氧化物的排放量，因而广泛应用于燃气轮机等燃烧室系统中．但是与常规的扩散火焰相比，由于贫燃预混燃烧是在偏离正常化学当量比下进行的反应，因此常会产生火焰吹熄的问题．为保证火焰燃烧的稳定性，通常利用钝体和旋流器来制造回流区，回流的高温产物作为持续的点火源不断点燃未燃气体来实现稳定燃烧．针对火焰的吹熄问题，国内外学者给出了较多解释，其中比较主流的说法有两种[1]：一种是火焰燃烧速度和流场速度之间的失衡，即火焰燃烧速率达不到燃气供给速率，导致火焰温度过低，无法提供足够的热量以维持燃气的持续燃烧；另一种是火焰面会由于过高的拉伸率发生断裂，导致局部熄火，从而引发全面熄火，无法实现持续燃烧．

目前对于吹熄机理的研究主要集中在利用钝体稳焰的射流燃烧室．Chaudhuri等[2]利用PIV、PLIF及OH自发光技术研究了湍流状态下钝体稳定的预混火焰吹熄过程．发现临近吹熄时，火焰锋面和剪切层附近的漩涡相互交叠，促使局部拉伸率高于临界熄灭拉伸率，导致剪切层火焰的局部熄灭，最终未燃气体穿过剪切层进入回流区，造成火焰的全局熄灭．Kariuki等[3]研究了非受限空间内钝体稳定的预混火焰在吹熄过程中热释放的变化．结果表明，稳定燃烧时热释放主要位于边界层附近，而临近吹熄热释放位于回流区并伴随着OH和CH2O，说明低温反应物从下游进入到回流区内，导致火焰吹熄．Santosh等[4]研究了钝体稳定的预混火焰吹熄机理，认为火焰的吹熄分为两个阶段：第1阶段火焰剪切层会由于局部应变率过高出现大量孔洞；第2阶段燃烧流场的尾涡冷却和收缩，最终造成火焰吹熄．Kariuki等[5]研究了非受限空间内钝体稳定的贫燃预混燃烧的吹熄机理，结果表明，临近吹熄时，二维火焰表面密度逐渐减小，曲率变大．当火焰无法在剪切层处持续燃烧、火焰驻点被破坏，就会造成火焰的完全吹熄．Kushal等[6]采用数值模拟的方法研究了钝体稳定的层流预混燃烧的吹熄机理．文中考虑了火焰与壁面之间的热交换，结果表明，火焰与钝体的热交换不会对吹熄造成影响，只有满足以下两个条件时燃烧才能稳定进行：①火焰面位移速度等于来流速度；②火焰面法向位移速度的梯度高于相同方向来流速度的梯度．Dawson等[7]量化分析了受限和非受限空间内钝体稳定的预混燃烧吹熄过程．结果表明，临界吹熄时，新鲜反应物从后滞止点进入回流区中，并伴随着破碎的火焰出现，吹熄过程的吹熄时间约为15/bs．

相比射流燃烧室，对旋流燃烧室中火焰的吹熄问题研究还比较少．Cavaliere等[8]比较了旋流预混和旋流非预混燃烧的吹熄行为．结果表明，临近吹熄时，旋流预混火焰的角回流区回火消失，火焰面向燃烧室中轴线附近移动；非预混火焰在剪切层附近可以观察到较多孔洞，且火焰脱离钝体的现象会随机发生．Stöhr等[9]研究了贫燃旋流预混燃烧的吹熄过程．结果表明，涡核进动一方面增强了热释放，有助于点燃新鲜反应物；另一方面又加剧了火焰面的拉伸，容易造成火焰的熄灭．临近吹熄时，火焰根部变得不稳定，频繁地发生熄灭和再燃．当涡旋附近的燃烧不能维持时就会发生吹熄．随后Stöhr等[10]研究了不同Damköhler数(后文表示为)对贫燃旋流燃烧室的影响．研究发现，＝1时，涡核进动可以加强热释放，此时拉伸率较低，不会影响反应过程．＝0.5时，涡核进动引起的拉伸率会开始影响火焰的稳定；＝0.3时，涡核进动引起的拉伸率对火焰面的影响超过热释放对于火焰的影响，导致火焰的熄灭．

目前国内外学者已研究了不同化学参数(如燃料类型、当量比、反应物温度)和物理参数(如压力、反应物进气速度、钝体形状)对燃烧状态的影响[11-17]，然而，对于旋流燃烧室还需考虑旋流数的影响[18]．且由于化学反应动力学和气体动力学之间的相互作用关系比较复杂[19]，湍流状态下旋流燃烧室中火焰结构的变化缺少定量分析，因此，对于深入理解旋流火焰不稳定仍需进一步研究．

本文的研究目的是获取旋流火焰在不同当量比下的瞬时和平均OH发光图像、火焰表面密度、OH信号强度以给出火焰结构转变的定量分析，进一步观察火焰在临界转变过程中发生的变化，解释造成不稳定性的原因，提出贫燃旋流预混火焰的稳定燃烧区间.

1 实验装置及图像处理

1.1 实验装置

1.1.1 燃烧室及预混段

图1为实验装置．预混段由气体管路、整流盘、旋流器和钝体组成．甲烷进气管内径1＝6mm，侧壁开有3排孔供燃料喷出．空气从环隙通道进入后与甲烷进行掺混，掺混后的气体再依次经过喷管、整流盘和旋流器，进入燃烧室．旋流器的主要作用是使空气和甲烷混合更加充分并保持火焰稳定，本实验采用轴流式旋流器，其结构如图2所示．

图1 实验装置

图2 旋流器(Sn＝0.45)

旋流数是表征旋流强度的参数，计算公式[20-22]为

(1)

式中：为旋流器轮毂和外直径之比；为叶片与轴线的夹角．本实验采用4种旋流数，对应的叶片角和旋流数如表1所示．旋流数关系着燃烧室的旋流强度：当旋流数小于0.4时，为弱旋流，即燃烧内不会有回流区存在；旋流数介于0.4～0.6之间时，为中等旋流；旋流数大于0.6时，为强旋流．旋流强度的大小影响着回流区的大小和位置，从而影响火焰稳定燃烧的位置．主燃烧室为内径80mm、高127mm的圆柱形筒体，其入口直径为25mm，钝体位于燃烧室入口中心，其作用是防止回火．钝体直径为14mm．主燃烧室上方装有收缩段．

表1 旋流器叶片角及对应的旋流数

Tab.1 Swirler blade angle and swirler number

1.1.2 OH自发光火焰成像系统

火焰OH自发光系统由拍摄相机、像增强器及其控制系统和滤波片组成．拍摄相机的型号为Lavision公司的Imager MX2M，其分辨率为1920×1280．像增强器及其同步控制系统的型号为Lavision公司的Image Intensifier v9，能够处理的光谱范围为190～900nm．为保证火焰的光线不受自然光的影响，故在像增强器的镜头前装有滤波片，滤波片的滤光波长为308nm．为清晰捕捉到火焰在临近吹熄时的亮度，像增强器的Gain设置为85%，Gate设置为100000ns．图像分辨率约为0.06mm/pixel，拍摄速率为50Hz．

1.2 图像处理过程

(2)

式中：()和()分别表示火焰面积和火焰面长度，二者均为进度变量的函数；f为用于分析的火焰图像的数量．进度变量表明了火焰锋面位置在燃烧室中某一位置出现的概率，表达式[25]如下：

(3)

式中：(，)为燃烧室内局部区域的温度；u和b分别表示未燃区域和已燃区域的温度．由于温度的变化和OH含量的变化趋势相同，且想要测量燃烧室每一点的温度极为困难，所以可以通过探测OH含量来估算进度变量．本文参照张锰等[26]采用的方法计算得到了火焰表面密度和进度变量．

2 实验结果与讨论

2.1 不同当量比下平均火焰结构的变化

实验中采用的当量比范围是0.90～0.46．以旋流数为0.61时为例，平均火焰形态的转变如图3(a)～3(e)所示．其中，3(a)和图3(b)分别对应当量比为0.90和0.60的时刻．在该当量比区间内，火焰明亮且紧缩，中间呈凹陷状，说明此处存在回流区．高强度的OH信号位于剪切层附近，表明此处反应更加剧烈．值得注意的是，当量比为0.60时，角回流区已经出现了回火的趋势(如图3(b)中圆圈所示)，说明随着当量比的继续降低，角回流区内将会出现火焰的周期性脉动．但在当量比高于0.60的区间内，火焰形态并未发生太多改变，基本可以认为火焰能够稳定燃烧．当量比由0.60变化到0.55的过程中，火焰高度增加，燃烧过程向下游发展，且角回流区发生回火，火焰形状呈“M”型，如图3(c)所示．当量比为0.50时，可以明显看到火焰的主要反应区向燃烧室下游移动，火焰根部OH信号强度微弱，火焰呈“V”型，如图3(d)所示．这意味着燃料供给速度已大于燃料燃烧的消耗速度，原本驻扎在钝体上燃烧的火焰在该当量比下出现脉动，导致火焰锋面位置的变化．当量比为0.50～0.46时，火焰的宽度已明显减小，火焰呈“柱”状，原本在剪切层附近稳定燃烧的火焰锋面已消失不见，且OH信号强度已十分微弱，最大值约为60，火焰接近吹熄，如图3(e)所示．可见，随着当量比降低，火焰形态和OH信号强度均发生了明显变化，由稳态进入过渡态，直至达到非稳态．在该变化过程内，火焰的主要反应区逐渐向下游移动，且反应强度下降明显．

2.2 不同当量比下的火焰表面密度

利用500张瞬时火焰OH发光图像，利用式(2)和式(3)可得到不同当量比下火焰表面密度及进度变量的分布(见图4)．火焰表面密度的分布与OH信号的分布几乎一致，说明火焰表面密度越大的地方，火焰锋面越褶皱，反应速率越高，OH信号强度越强．

图4 火焰表面密度和进度变量的分布(Sn＝0.61，φ＝0.60)

由图5可以看出，同一当量比下对应的火焰表面密度是呈线性减小的，这是因为进度变量为1的地方，表示火焰锋面常驻在此处，即火焰可以在此处稳定燃烧．相反，进度变量为0.1的地方，表示火焰锋面出现在该处的概率很低，无法停驻在此处长时间燃烧．随着当量比降低，相同进度变量下的火焰表面密度呈下降趋势．如进度变量0.90对应的火焰表面密度在当量比由0.90变化至0.60时，下降了0.549mm-1，约为10%．可见，当量比在0.90～0.60区间内时，基本可认为火焰在稳定燃烧．然而，当量比由0.55变化至0.50时，进度变量的最大值为0.5左右，火焰表面密度为2.5mm-1，说明此时火焰锋面处于强烈的脉动中，无法在某一位置稳定燃烧．当量比降低至0.46时，进度变量最大值只有0.3左右，燃烧室内已充满燃尽产物和未燃物，火焰达到了临界吹熄状态．

图5 不同进度变量对应的火焰表面密度

从以上分析可知，当量比在0.55～0.50区间内时，火焰锋面由稳定燃烧状态转变到强烈脉动状态，其中火焰结构的转变还需通过瞬时火焰图像进行分析．

2.3 火焰结构转变的瞬态分析

为观察当量比由0.55降低至0.50过程中，火焰结构的瞬时变化，采用以下方法：保持空气流量250nL/min不变，每隔相同的时间步长降低燃料流量，使得当量比每隔10s降低0.01．图6和图7分别为OH信号强度的变化曲线和瞬时火焰OH发光图像．由于原始数据噪声较大，故利用高斯函数进行了数据平滑处理．

从图6中可以看到在0～30s时，在匀速降低当量比的过程中，平均OH信号强度是逐渐减小的．然而，在30～35s时，平均OH信号强度发生了突变，下降约68%，此时当量比位于0.52～0.51区间内．为了探究平均OH信号强度的突变原因，按时间顺序选取该当量比区间内的瞬时火焰OH发光图像进行分析，第1张图片所在时刻记为0．

图6 平均OH信号强度(Sn＝0.61)

从图7(b)中可看出，原本驻扎在钝体燃烧的火焰于燃烧室中部首先发生断裂，说明此时下游燃料含量较低．上游正在燃烧的火焰逐渐传播到下游，甚至脱离钝体，说明此时燃烧室无法平衡燃料消耗速率和进气速率，导致进入燃烧室的未燃气体来不及被高温回流产物点燃就向下游移动．又因此时未达到完全吹熄状态，虽然火焰脱离钝体，但后续又发生了再燃，说明火焰锋面在燃烧室内处于“窜动”的状态，无法稳定在某一位置，从而导致进度变量最大值的下降.

图7 转变区间内的瞬时火焰结构

2.4 不同旋流数对火焰稳定燃烧区间的影响

由于旋流数的大小表征着旋流作用的强弱，进而影响着回流区结构，甚至火焰燃烧稳定性．故本文比较了不同旋流数对OH信号强度突变区间的影响．旋流数为0.34，即弱旋流作用时，实验中发现OH信号强度不具有突变区间，故不用来进行比较．图8(a)、8(b)分别为旋流数0.45、0.90时平均OH信号强度发生突变的区间．

图8 平均OH信号强度

可见，旋流数为0.45和0.90时，OH信号强度转变区间均在40～45s间，对应的当量比为0.51～0.50．由此表明，旋流数的改变对于OH信号发生突变的当量比区间影响并不大．

3 结 论

本文利用火焰OH自发光技术研究了贫燃旋流预混燃烧的吹熄过程，利用火焰表面密度等参数定量分析了当量比降低过程中火焰结构的变化，给出了该系统火焰稳定燃烧的当量比区间，具体结论如下：

(1) 随当量比降低，平均后的火焰结构依次呈现紧缩状、M形、V形、柱状．当量比为0.60时，平均火焰结构出现角回流区回火的趋势．

(2) 当量比由0.90降到0.60过程中，火焰表面密度约降低了10%，意味着火焰燃烧速率并未发生太大改变，可认为火焰处于稳定燃烧状态．然而当量比从0.55变化至0.50的过程中，进度变量的最大值约为0.50，说明火焰锋面处于强烈脉动中，无法在某一位置持续燃烧．结合瞬时火焰图像分析可知，在该当量比区间内，火焰会经历脱离钝体和反复再燃的 过程.

(3) 不同旋流数(0.45，0.61，0.90)对于火焰稳定燃烧的当量比区间影响并不明显．3种旋流数下，OH信号强度突变的当量比区间均位于0.52～0.50之间．当旋流数为0.34时，实验中并未出现OH信号强度的突变区间．

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Blow-Out Mechanism of Lean-Premixed Swirl Flame Combustion Based on Flame OH Chemiluminescence Technology

Zhao Xiaomin，Ge Hongda，Wang Junyi，Xu Wei，Zhou Yihui

(School of Chemical Machinery and Safety，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

Using the OH chemiluminescence technology，we conducted an experiment to study the blow-out process of lean-premixed swirl combustion in a turbulent state．The average flame image，instantaneous flame image，two-dimensional flame surface density and average OH intensity were obtained at different equivalent ratios．When the equivalent ratio was reduced from 0.90 to 0.46，the flame transformed from a stable combustion state to being close to blow-off，during which the flame changed from a compression in the middle to a columnar shape．When the equivalent ratio was between 0.90 and 0.55，the flame surface density decreased by about 10%，indicating that the flame was in a stable combustion state．When the equivalent ratio was between 0.55 and 0.50，the maximum of the progress variable changed from 1.0 to 0.5，indicating that the flame front was under strong pulsation. Moreover，the OH intensity dropped to about 67% suddenly．By observing the instantaneous flame image in the transition interval of OH intensity，we found that the flame front experienced a reciprocating process of breaking away from the bluff body，moving to the downstream of the combustion chamber，and reburning．Finally，the effects of different swirl numbers(i．e.，0.45，0.61 and 0.90)on the transition interval of OH intensity were compared，showing that the influence of swirl number on this interval was not obvious．

OH chemiluminescence；lean-premixed swirl combustion；flame instability；flame surface density；progress variable

TK16

A

1006-8740(2019)03-0244-07

2018-09-19.

中央高校基本科研业务费资助项目(DUT17GJ205).

赵晓敏（1989—），女，博士研究生，xiaomin_in8903@126.com.

周一卉，女，博士，副教授，zflower@dlut.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201809012