锥形旋流器贫熄实验点测量与外推

赵梦梦，姚 俊，袁怡祥,，梁 晶，申小明,

(1.北华航天工业学院，廊坊 065000；2.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 100049)

随着降低排放的要求，氮氧化物和一氧化碳等污染物的排放标准也越来越严苛.这些年降低污染物排放主要是利用预混或部分预混的方法来对头部、主燃区域、分级区域进行调控，约束不同工况下的高温火焰区域、整体温度水平以及流场结构.同时，逐渐重视过渡工况、低工况、近贫熄状态的研究[1].

预混程度的提高会带来燃烧稳定性问题[2-5]，特别是在低工况条件下，很难在保证燃烧具有相同稳定边界的同时提高预混程度[6].此外，装置结构、燃料种类等因素也对燃烧稳定性和燃烧完全性产生影响.各种热值燃料燃烧容易出现回火或吹熄等现象，影响燃烧完全性和稳定性[7-10].

低工况下的近贫熄测量，也容易存在较大误差，这是因为：①贫熄点测量位置，是否真的在贫熄时刻；②即使是在理想的测量位置，但是贫熄时刻，或者是扩散火焰，此时不完全燃烧程度很高，各产物量程跨度大，或者是预混或半预混燃烧，此种伴随有强烈的振荡甚至共振，很难进行或在短时间内实时准确测量各种成分或组分含量.

为了研究相关问题，会考虑几种典型的头部结构，而它们各有优缺点.一种典型头部由轴向旋流器和径向旋流器组合构成.对于多个旋流器组成的头部结构，由于旋流器之间的相互影响，形成的流场比较复杂.因此当开展针对单个因素对低工况性能影响的研究时，会造成困难.对于锥形旋流燃烧器，一般采用两侧供应燃气，而锥体中轴线上无燃气供应的方式.这种锥形燃烧器结构的缺点是不能调节预混合程度.

为了研究低工况下不同预混合程度对近贫熄燃烧测量点的影响，本文实验使用的燃烧器采用结构相对简单、能区分影响因素、燃料分配比可调的头部结构.在该旋流器结构中，燃料喷射分成两部分：一部分在锥体侧表面喷射进入空气；另一部分燃料通过旋流器中心顶部注入锥形旋流器内部，然后与空气混合.由于由中心顶部注入的这部分加入控制，燃烧室的低工况性能和稳定边界都将发生变化.这种变化受此两部分的燃料分配比例的影响.本文中燃料分配比是特指近贫熄状态下燃料在头部不同区域的分布比例，容易与分级比混淆.

1 实验系统

为方便实验中对实验现象的观察，采用透明石英玻璃作为火焰筒材料，锥形旋流器与石英玻璃火焰筒配合，组合成燃烧室.本实验选择甲烷为燃料替代燃油，以便流量调控更容易、更准确，减少了其他因素的影响.

实验系统主要由燃料配气系统、空气供给系统、电加热系统、实验段和采集/控制系统等组成，见图1.其中，气体燃料采用质量流量控制器进行控制与采集，精度等级0.25%，可多路独立供应和分别控制.图中，Part 1 为通过旋流器中心顶部注入的燃料，Part 2 为锥体侧面喷射进入的燃料.

图1 实验台Fig.1 Test platform

2 实验测量结果

实验中火焰现象和压力波动等表明近贫熄时刻的效率、振动、焰色等会有很大不同.图2 所示为近贫熄时刻的火焰，图2(a)预混程度较高，燃烧室中出现压力波动，有的状态下会有共振.火焰主体呈现出浅蓝色，火焰形态稳定.图2(b)预混程度较低，直至贫熄状态，火焰形状大小不断变化，火焰以亮黄色夹杂为主.

图2 近贫熄前的火焰Fig.2 Flame near lean blowout

近贫熄工况中，典型测点的数据如表1 和表2 所示.其中表1 为进气流量150 m3/h 的贫熄数据实验点，所取得的贫熄点Case 1、Case 2、Case 3 所处的位置见图3所示，图3表明3 个测点的位置为较容易测量位置(测量物种成分、含量、脉动压力等相关参量都较易).

表1 进气流量150 m3/h时贫熄实验点Tab.1 Lean blowout experimental points at air inlet flow rate of 150 m3/h

表2 为进气流量200 m3/h 的贫熄数据实验点，所取得的贫熄点Case 4、Case 5、Case 6 所处的位置见图3 所示，图3 表明该3 个测点的位置也是较为容易测量位置.

表2 进气流量200 m3/h时贫熄实验点Tab.2 Lean blowout experimental points at air inlet flow rate of 200 m3/h

图3 上标记了两个长方形区域：区域Ⅰ和区域Ⅱ，这两个区域是不便于测量的位置.区域Ⅰ是预混程度较低的贫熄点区域，这区域的实验点的测量可能面临着燃烧完全程度很低、各种中间产物成分浓度很高等问题，容易损坏测量仪器；而区域Ⅱ是预混程度很高的贫熄点区域，可能面临着振荡甚至共振等问题，也同时有燃烧完全程度飘忽不定、各种中间产物成分浓度跨度很大等问题，在振荡开始以后，判断贫熄点的位置都可能成为实验中的一大难题，甚至根本就无法判断.从而，导致区域Ⅰ和区域Ⅱ内的测点不便测量.

图3 不同进气流率下两部分燃气稳定取值范围Fig.3 Value range of two parts of fuel at different air inlet flow rates

3 外推与验证

如图4 所示，对图3 中的少数实验较易得到的参数点进行拟合.S 代表开始(start)，E 代表结束(end).

图4 取值范围的曲线拟合Fig.4 Curve fitting of value range

图4 中，拟分线1 是针对实验进气条件150 m3/h下吹熄前一刻所用的两种注入方式下的燃料气流率相互关系的一种拟合，发现其遵循规律为：

式中：Y 为吹熄前一刻所用的Part 1 燃料气流率，X为吹熄前一刻所用的Part 2 燃料气流率.其物理意义为：在对于给定的空气流率，曲线上方的任意坐标(Y，X)取值都能使得燃烧不至于熄灭，而曲线下方的任意取值都会被吹熄.

同时，由此得到：

图4 中，拟合线2 是针对实验条件进气流率为200 m3/h 下吹熄前一刻所用的Part 1 和Part 2 燃料气流率相互关系的一种拟合，发现其遵循规律为

由此得到：

如此，则可根据这些拟合曲线，推知图4 所示拟合线1、拟合线2 两端的区域的值，这种曲线的首段和尾段区域的值，通过做实验来获取往往不容易(往往伴随着强烈的不稳定，包括空气和燃料气的流量不稳定)，或者误差很大，拟合式为此提供了很大的便利.

同理，针对任意一个进气流率实验条件下，只要知道该实验条件下的3 个以上易测区域实验参数点，就可以得到整条函数曲线，就可以推知吹熄前一刻所用的Part 1 和Part 2 的燃料气流率.

这样，用少量的实验较易获得的数据点就可以完成整个稳定工作图谱，为类似工作提供了参考方法.特别是用少量的实验数据点可推知图3 所示区域Ⅰ和区域Ⅱ两个不便测量区域的参数.

例如表3 中的Case 7 就是Part 2 不供给燃料情况下的贫熄点，此时只要对式(1)中的X 取0，就可以求得预测的Part 1 应供给的量为5 L/min；同理，Case 8 就是Part 1 不供给燃料情况下的贫熄点，此时只要对式(2)中的Y 取0，就可以求得预测的Part 2 应供给的量为60 L/min.随后，通过对外推点的验证实验，结果如表3 中的实验点Test 7(也即图4 中的点S150)和Test 8(也即图4 中的点E150)所示，与拟合估计值误差很小.

表3 进气流量150 m3/h时贫熄数据Tab.3 Lean blowout data at air inlet flow rate of 150 m3/h

同理，表4 中的Case 9 就是Part 2 不供给燃料情况下的贫熄点，此时只要对式(3)中的X 取0，就可以求得预测的Part 1 应供给的量为11.1 L/min.同理，Case 10 就是Part 1 不供给燃料情况下的贫熄点，此时只要对式(4)中的Y 取0，就可以求得预测的Part 2 应供给的量为445 L/min.随后，实验结果如表4 中的实验点Test 9(也即图4 中的点S200)所示，与拟合估计值误差很小.由于Case 10 需要实验中的流量计的量程很大，超出了实验条件的能力范围，所以没有测值(但应与图4 中的点E200 比较接近).这也说明拟合曲线可提前知道各种实验任务中应具备的实验仪器的能力.

表4 进气流量200 m3/h时贫熄数据Tab.4 Lean blowout data at air inlet flow rate of 200 m3/h

4 结语

本文采用了燃料分配比可调的锥形旋流器头部结构.测量了近贫熄状态燃料分配比对近贫熄测点的影响.得到了实验条件下近贫熄时能够维持燃烧稳定的锥形旋流器头部两部分燃料的取值范围；建立了在有限实验数据点的情况下，通过外推法取得极端条件下的贫熄实验点的方法，并进行了初步实验验证，这对于处于振荡或低燃烧效率的近贫熄状态取得较好的相关数据有参考意义.本文的工作有助于提供给低工况研究人员以清晰的认识，可为低工况下燃调逻辑设计提供参考.