分层比对双旋流预混火焰结构和燃烧不稳定的影响

刘易明，谭建国，高政旺，刘 瑶

分层比对双旋流预混火焰结构和燃烧不稳定的影响

刘易明，谭建国，高政旺，刘 瑶

(国防科技大学空天科学学院，长沙 410073)

基于双旋流预混燃烧实验系统，采用动态压力传感器、ICCD相机等装置，研究了不同分层比对双旋流预混火焰宏观结构和燃烧不稳定的影响．研究结果表明：随着分层比增大，火焰的主释热区由主燃级下游逐渐移向火焰根部，再逐渐向预燃级下游靠近，旋流火焰张角随之增大，火焰中心界面结构有“W”、“V”和“多褶”3种典型结构；随着分层比增大，火焰由稳定转为不稳定，且主频都在60Hz左右，振幅先增大再慢慢下降，且在分层比为1.25和1.50时，有明显的不稳定第二频率出现，其大小约等于2倍的不稳定主频．

双旋流；预混火焰；宏观结构；分层比；燃烧不稳定

随着发动机越来越严格的NO排放要求，贫燃预混燃烧技术成为最受关注的燃烧方式之一[1]，其多采用中心分级的双旋流预混燃烧组织模式，一般分为两级，即中心预燃级和外层主燃级．大部分的燃料和空气从外层主燃级进入，中心预燃级主要用于稳定火焰．双旋流预混燃烧不仅可以显著降低NO排放，而且能够同时满足燃烧效率、点火及熄火等其他燃烧要求[2]．正因为如此，各大航空发动机公司和科研机构均在这方面开展了大量的研究．如GE公司发展的TAPS(twin annular premixing swirled burner)[3-6]，已成功应用于Leap-X发动机，其NO排放相对于CAEP/6标准降低了大约50%；国内如北京航空航天大学提出的TeLESS(technology of low emissions with stirred swirls)[7-13]．

但在实际工程应用中，贫燃预混燃烧有效降低了NO排放的同时也对共振耦合更加敏感．由于燃烧器经常工作于贫燃状态，火焰容易受到扰动，极易发生燃烧不稳定，表现为燃烧室内大幅的压力振荡．这对先进燃气涡轮发动机的发展是个极大的挑战[14]．

火焰的宏观结构不仅表示火焰形状还代表了放热率分布，因此对NO排放和燃烧不稳定有直接的影响．对于旋流火焰结构，最简单的是单旋流预混火焰．如麻省理工学院的Taamallah等[15-16]系统地研究了单层旋流预混火焰的宏观结构以及其与燃烧不稳定的关系，发现随着当量比增加，火焰依次经历了柱状结构、气泡状结构、锥形结构和双层锥形结构，压力振荡由小逐渐增加，最后进入一个准稳态区间．美国宾州州立大学学者Huang和Yang[17]研究燃烧室进口温度和当量比对单旋流火焰燃烧不稳定的影响，发现燃烧室入口温度轻微升高都会导致燃烧室内压力振荡突然增加．

随后，Hochgreb团队针对多旋流预混燃烧开展了一系列研究[18-22]．如Hochgreb团队的Kim等[18]研究了声强迫对分层贫燃预混火焰非线性释热响应，结果表明，总当量比为0.6时，改变分层比对火焰结构和非线性释热响应均有显著的影响．同属Hochgreb团队的Chong等[22]基于双旋反向预混燃烧室，研究了分层比对预混火焰结构和排放特性的影响．实验发现分层比对火焰结构以及燃烧排放都有显著的影响，预燃级流量增大使得主反应区增大，从而火焰强度增强，同时也导致了NO和CO排放升高．密歇根大学的Dhanuka等[23]以航空煤油为燃料，在TAPS燃烧室上研究了分层比对燃烧不稳定的影响，发现分层比超过一定的临界值，就会发生燃烧不稳定．国内关于分层旋流火焰的研究主要以北京航空航天大学林宇震团队为代表，其团队的汤冠琼等[11]针对分层火焰研究了当量比对火焰燃烧不稳定性的影响，结果表明总当量比在一定范围内，压力脉动随当量比的增大而增加．刘泽宇等[12]研究了分层比对分开分层旋流预混火焰结构影响，提出了6种不同的分开分层旋流预混燃烧模式：Y型、V型、对称D型、多褶型、窄W型和宽W型．Han等[9]使用具有隔离台阶的双旋流燃烧器系统地研究了总当量比在0.5、0.6、0.7和0.8下，不同分层比所对应的火焰宏观结构，总结归纳了3种典型的火焰结构，即脱体火焰(L型)、分叉火焰(S型)和驻定火焰(V型)．Han等[24]在其另一篇文章中研究了燃烧室上游扩压器对燃烧不稳定性的影响，研究表明扩压器可改变燃烧系统共振频率，进而避免旋流燃烧室中的热声耦合，有助于稳定燃烧系统．

尽管目前针对单旋流和双旋流火焰的研究已经较为深入，但旋流火焰本身结构复杂，加之双旋流影响参数众多，并且不同的旋流器设计布局对旋流器气动特性也有很大的影响，因此本文设计了带有双文氏管的双旋流预混燃烧器，主、预燃级均使用纯预混甲烷和空气，固定总的当量比，改变分层比，观察火焰的宏观结构，测量燃烧室的压力脉动，进一步加强认识双旋流预混火焰．

1 实验系统与方法

本文以甲烷为燃料，空气为氧化剂，开展对双旋流预混火焰的实验研究．实验中，通过采用10L/min和1000L/min的质量流量控制器(七星华创CS200和七星华创D07-60B)分别调节甲烷和空气流量来改变分层比，并且利用ICCD相机和高频压力传感器获取火焰信息，从而研究火焰结构与压力脉动特性．

1.1 实验装置

研究所设计的双旋流预混燃烧器几何示意图如图1所示．旋流燃烧室主要由外层的主燃级和内层的预燃级两个同心环腔、中心体及燃烧筒组成．

内层预燃级和外层主燃级各包含12个轴向叶片，旋流叶片出口角度都为38°，对应旋流数大小为0.49和0.56．内外层旋流叶片同向，从下游向上游方向看为逆时针，且内层预燃级和外层主燃级都包含文氏管结构，可以有效防止回火．外层文氏管上游与燃烧室入口平面相距16mm．预燃级环腔外径为20mm、内径为16mm，主燃级环腔外径为10mm、内径为8mm．燃烧筒内径为54mm，长度为180mm．

本文中，压力脉动采用动态压力传感器(PCB113b24)测量，3个压力传感器在燃烧筒轴向位置等间距分布，均与燃烧筒内壁面齐平安装，如图1中S1、S2和S3所示．压力脉动采用NI采集卡(NIUSB-6341)进行采集并存入电脑，采集频率为1000Hz，采集时间为20s．

化学发光测量系统如图2所示，主要由两台ICCD相机、镜头、滤波片和计算机组成．拍摄过程中，两台ICCD相机对称放置，分别加装普通镜头和紫外镜头，由于OH*的波长为308nm，故而拍摄时需要在紫外镜头前面加装窄带滤光片(Edmund 34980)，拍摄获得三维旋流火焰在相机方向上的积分投影．拍摄时像增强器增益值设定为750，曝光时间都设为2ms．每个工况下拍摄100幅，之后进行平均和对称化处理．

图1　　双旋流预混燃烧器几何和压力测量布置示意(单位：mm)

1.2 实验工况

为重点考察分层比对旋流火焰结构和燃烧室内压力脉动的影响，选取总当量比为0.7和不同的内外当量比组合，详细的实验工况见表1．实验中，主燃级和预燃级的甲烷分别在预混腔内与空气充分混合，以避免燃烧在自激振荡情况下发生当量比脉动．分层比s(stratification ratio)，即中心预燃级与外层主燃级当量比之比．实验中甲烷总流量为18L/min，其中预燃级为8L/min，主燃级为10L/min．总当量比为0.7，分层比以0.25为间隔从0.5取到2.75，其中分层比为1.00的工况为基准工况，该工况下主燃级和预燃级当量比相同，在燃烧室入口处当量比梯度为零．实验中，燃烧室入口温度为室温310K，压力都为0.3MPa，测压力的燃烧筒出口与大气相通，也是室温310K，压力为常压．

图2 化学发光测量系统示意

表1 双旋流预混火焰实验工况

Tab.1 Experimental conditions for the premixed dual-swirl burner

2 实验结果与分析

2.1 火焰结构

首先对比了分层比为1.00下普通镜头拍摄的可见光和紫外镜头拍摄的OH*化学发光火焰结构，如图3所示．可以发现，可见光和OH*所表征的火焰结构基本相同，都类似于“扫帚”形状，其中采用滤光片拍摄的OH*化学发光过滤掉了其他光的影响，更能凸显出旋流火焰的主体结构，因此本文接下来的讨论都将采用OH*化学发光表征旋流火焰结构，且已有研究表明碳氢燃料中OH*化学发光强度跟火焰的放热率成正比[25]，即OH*化学发光不仅可以表征火焰结构，还可以表示放热率分布．

在不同的分层比情况下记录火焰宏观结构．图4为用ICCD相机配备OH*滤光片拍摄得到的火焰图像．由图可见，火焰释热中心位置发生了变化：分层比为0.5时，中心预燃级火焰脱体，外层主燃级富燃，火焰释热集中在主预燃级喷嘴下游，见图4(a)．分层比在0.75～1.75时，随分层比增大，旋流器喷嘴中心下游释热明显减弱，释热中心区域逐渐从喷嘴下游向上游移动，见图4(b)～(f)，并在分层比为1.25、 1.50和1.75时，火焰释热中心区域移至火焰根部，附着于双旋流器主燃级喷嘴上，这在工程实际中，极易造成回火，因此要尽量避免．当分层比为2.00～2.75时，中心预燃级富燃，外层主燃级贫燃，燃料主要集中在预燃级，因此火焰释热中心向火焰的内层有所移动，并逐渐从附着于旋流喷嘴向下游移动，见图4(g)～(j).

图3　　分层比为1.00时可见光和OH*化学发光表征的火焰结构

图4 配备OH*滤光片的ICCD相机拍摄的火焰宏观结构

由于ICCD相机直接拍摄获得的图像为火焰与相机之间沿线的积分，为了更加直观展示火焰的平面效果，对所有工况下获得的OH*火焰宏观结构进行了Abel逆变换，如图5为不同分层比下经Abel逆变换处理的火焰中心截面结构．由于OH*化学发光强度可用于表示火焰的释热率[25]，因此，在经过Abel逆变换处理过的图像中，认为明亮区域为释热中心区域，所有OH*化学发光强度均通过最强化学发光进行了归一化处理．可以发现，当分层比为0.50和0.75时，火焰释热中心主要在喷嘴出口下游，化学发光强度相对较弱，如图5中的(a)和(b)所示．当分层比为1.00到1.75区间内，随着分层比增大，局部化学发光先增强再减弱，在分层比为1.50时达到最强，且都位于主燃级喷口的外侧．火焰释热区域主要分布在外层主燃级喷嘴下游，如图5中的(c)～(f)所示．当分层比大于2.00时，火焰局部最强化学发光强度明显减弱，主预燃级火焰逐渐出现分层，显示出明显的褶皱，如图5中的(j)所示．并且还可以看出，随着分层比逐渐增大，旋流火焰张角随之增大，以分层比为0.50～1.50最为明显，旋流火焰张角从38°增加到66°，当分层比大于1.75后，旋流火焰张角继续保持了增大这一趋势，只是相对较小．

不同分层比下OH*化学发光Abel逆变换的火焰中心截面结构大体上可以归纳为3种典型的结构，如图6所示，分别为分层比等于0.50为代表的“W”型，火焰有点脱体，如图6(a)所示；分层比等于1.50为代表的“V”型，主预燃级火焰附着在主燃级喷嘴出口的外沿，如图6(b)所示；以及分层比等于2.75为代表的“多褶”型，主预燃级火焰有明显的分层，且主燃级火焰没有附着点，如图6(c)所示．

图5 OH*化学发光的Abel逆变换火焰中心截面结构

图6 3种典型的火焰结构

2.2 压力脉动

燃烧不稳定表现为燃烧室内周期性大幅压力振荡，由于图1中的压力传感器S2和S3离火焰较远，所测得的压力脉动很小，因此本文中的压力脉动均采用S1测得的压力，图7是分层比为1.50时燃烧室内的压力脉动．

本文记录了总当量比为0.7，不同分层比下燃烧室内的压力振荡，通过傅里叶变换处理，获得了对应的压力脉动频谱图，如图8所示．可以发现，分层比为0.50和0.75时，压力脉动主要以低频为主，且没有明显的振荡主频，可以认为此时燃烧室燃烧较为稳定，如图8中的(a)和(b)所示；当分层比在1.00～2.75范围内时，燃烧不稳定主频都在60Hz左右，这主要是因为燃烧不稳定主频跟系统的声学频率密切相关，燃烧不稳定主频振幅呈现先增大再逐渐减小趋势，在分层比为1.25时，燃烧不稳定主频所对应的压力振幅最大，达到5.774kPa，且在分层比为1.25和1.50时，有明显的燃烧不稳定第二频率出现，其大小约等于2倍的不稳定主频，如图8中的(d)和(e)所示.

图7 分层比为1.50时燃烧室内的压力脉动

图8 不同分层比下压力脉动频谱图

3 结 论

本文针对双旋流预混火焰，以甲烷为燃料，空气为氧化剂，通过实验获得了不同分层比条件下的火焰宏观结构，并通过压力传感器测量了燃烧室内的压力脉动，对双旋流预混火焰进一步加强了认识．研究发现分层比对双旋流预混火焰宏观结构和燃烧不稳定有直接的影响，主要得到以下结论：

(1)分层比对双旋流预混火焰的主释热区影响较大．随着分层比增大，火焰的主释热区由主燃级下游逐渐移向火焰根部，再逐渐向预燃级下游靠近，这主要是由于燃料空间分布发生了变化．

(2)分层比对旋流火焰张角有一定的影响．随着分层比增大，旋流火焰张角随之增大，有所不同的是，低分层比条件下旋流火焰张角增长变化较为明显，高分层比条件下旋流火焰张角增大趋势较为缓慢．

(3)分层比对燃烧不稳定的压力脉动幅值影响较为显著．随着分层比增大，燃烧室内压力脉动由稳定转为不稳定，且不稳定主频都在60Hz左右，主频振幅先增大随后逐渐减小，且在分层比为1.25和1.50时，有明显的燃烧不稳定第二频率出现，其大小约等于2倍的不稳定主频．

［1］ Rashwan S S，Nemitallah M A，Habib M A. Review on premixed combustion technology：Stability，emission control，applications，and numerical case study[J].，2016，30(12)：9981-10014.

［2］ Kim Kyu Tae. Combustion instability feedback mechanisms in a lean-premixed swirl-stabilized combustor[J].，2016，171：137-151.

［3］ Dhanuka S K，Temme J E，Driscoll J F，et al. Vortex-shedding and mixing layer effects on periodic flashback in a lean premixed prevaporized gas turbine combustor[J].，2009，32(2)：2901-2908.

［4］ Dhanuka S K，Temme J E，Driscoll J F. Lean-limit combustion instabilities of a lean premixed prevaporized gas turbine combustor[J].，2011，33(2)：2961-2966.

［5］ Dhanuka S K，Temme J E，Driscoll J F. Unsteady aspects of lean premixed-prevaporized gas turbine combustors: Flame-flame interactions[J].，2011，27(3)：631-641.

［6］ Ruan C，Zhang L，Chen F，et al. Thermoacoustic instability characteristics and flame/flow dynamics in a multinozzle lean premixed gas turbine model combustor operated with high carbon number hydrocarbon fuels[J].，2021，35(2)：1701-1704.

［7］ Lin L，Lin Y Z，Fu Z B，et al. Emission characteristics of a model combustor for aero gas turbine application[J].，2016，72：235-248.

［8］ Han X，Lzera D，Morgans A S，et al. Flame macrostructures and thermoacoustic instabilities in stratified swirling flames[J].，2019，37(4)：5377-5384.

［9］ Han X，Laera D，Yang D，et al. Flame interactions in a stratified swirl burner：Flame stabilization，combustion instabilities and beating oscillations[J].，2019，212(2020)：500-509.

［10］ 秦 皓，丁志磊，李海涛，等. LESS燃烧室非定常旋流流动[J]. 航空动力学报，201，30(7)：1566-1575.

Qin Hao，Ding Zhilei，Li Haitao，et al. Unsteady swirling flow in low emissions stirred swirls combustor[J].，2015，30(7)：1566-1575(in Chinese).

［11］ 汤冠琼，秦 皓，林宇震，等. 当量比对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响[J]. 推进技术，2015，36(9)：1355-1360.

Tang Guanqiong，Qin Hao，Lin Yuzhen，et al. Effects of equivalence ratio on combustion instability characteristics of staged swirl flame[J].，2015，36(9)：1355-1360(in Chinese).

［12］ 刘泽宇，张 弛，韩 啸，等. 分层比对分开分层旋流预混火焰结构的影响[J]. 航空学报，2018，39(3)：83-93.

Liu Zeyu，Zhang Chi，Han Xiao，et al. Effects of stratification ratio on structure of separated stratified premixed swirl flame[J].，2018，39(3)：83-93(in Chinese).

［13］ 秦 皓，汤冠琼，林宇震，等. 燃油分级比对LESS燃烧室压力振荡频率的影响[J]. 航空动力学报，2015，30(6)：1337-1343.

Qin Hao，Tang Guanqiong，Lin Yuzhen，et al. Influence of fuel stage ratio on pressure oscillation frequency of LESS combustor[J].，2015，30(6)：1337-1343(in Chinese).

［14］ Kim D，Park S W. Forced and self-excited oscillations in a natural gas fired lean premixed combustor[J].，2010，91(11)：1670-1677.

［15］ Taamallah S，Labry Z A，Shanbhogue S J，et al. Thermo-acoustic instabilities in lean premixed swirl-stabilized combustion and their link to acoustically coupled and decoupled flame macrostructures[J].，2015，35(3)：3273-3282.

［16］ Taamallah S，Labry Z A，Shanbhogue S J，et al. Correspondence between stable flame macrostructure and thermo-acoustic instability in premixed swirlstabilized turbulent combustion[J].，2014，137(7)：1505-1512.

［17］ Huang Y，Yang V. Bifurcation of flame structure in a lean-premixed swirl-stabilized combustor：Transition from stable to unstable flame[J].，2004，136(3)：383-389.

［18］ Kim K T，Hochgreb S. The nonlinear heat release response of stratified lean-premixed flames to acoustic velocity oscillations[J].，2011，158(12)：2482-2499.

［19］ Sweeney M S，Hochgreb S，Dunn M J，et al. The structure of turbulent stratified and premixed methane/air flames(I)：Non-swirling flow[J].，2012，159(9)：2896-2911.

［20］ Sweeney M S，Hochgreb S，Dunn M J，et al. The structure of turbulent stratified and premixed methane/air flames(Ⅱ): Swirling flows[J].，2012，159(9)：2912-2929.

［21］ Zhou R G，Hochgreb S. The behaviour of laminar stratified methane/air flames in counterflow[J].，2013，160(6)：1070-1082.

［22］ Chong C T，Lam S S，Hochgreb S. Effect of mixture flow stratification on premixed flame structure and emissions under counter-rotating swirl burner configuration[J].，2016，105：905-912.

［23］ Dhanuka S K，Temme J E，Driscoll J F，et al. Vortex-shedding and mixing layer effects on periodic flashback in a lean premixed prevaporized gas turbine combustor[J].，2009，32(2)：2901-2908.

［24］ Han X，Xin H，Hao Q，et al. Effect of the diffuser on the inlet acoustic boundary in combustion-acoustic coupled oscillation[C]//：. New York，2016：GT2016-57046.

［25］ Hardalupas Y，Orain M. Local measurements of the time-dependent heat release rate and equivalence ratio using chemiluminescent emission from a flame[J].，2004，139(3)：188-207.

Effect of Stratification Ratio on Structure and Combustion Instability of Double-Swirl Premixed Flame

Liu Yiming，Tan Jianguo，Gao Zhengwang，Liu Yao

(School of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Based on a two-swirl premixed combustion experiment system，the effects of different stratification ratio on the macrostructure and combustion instability of the two-swirl premixed flame were investigated by using a dynamic pressure sensor and an ICCD camera. The results show that with the increase of the stratification ratio，the main heat release zone of the flame gradually moves from the downstream of the main combustion area to the flame root and then to the downstream of the precombustion area，and the vortex flame angle increases accordingly. The central interface of the flame has three typical structures：“W”，“V” and“multi-fold”. With the increase of the stratification ratio，the flame changes from stable to unstable，the main frequency is around 60Hz，and the amplitude increases first and then slowly decreases. Moreover，when the stratification ratio is 1.25 and 1.50，there is an obvious unstable second frequency，which is about twice the unstable main frequency.

double swirl；premixed flame；macro structure；stratification ratio；combustion instability

10.11715/rskxjs.R202305030

TK11

A

1006-8740(2023)04-0444-07

2023-05-15．

国家自然科学基金资助项目(91441121).

刘易明(2000—  )，男，硕士研究生，lym573550@163.com.

谭建国，男，博士，研究员，jianguotan@nudt.edu.cn.

(责任编辑：梁 霞)