声波对煤粉燃烧特性的影响：研究进展与展望

杨延锋 ，姜根山 ，刘 亮，刘月超

(1.长沙理工大学 能源与动力工程学院,湖南 长沙 410114；2.华北电力大学 数理学院,北京 102206；3.河北省物理学与能源技术重点实验室，河北 保定 071003)

能源与环境是当今世界持续关注的重大问题[1]。根据《BP 世界能源统计年鉴(2021)》[2]，在后疫情时代经济复苏利好的驱动下，2020 年中国的一次能源需求增长2.1%，与过去10 a 年均3.8%的增长相比有所降低，其中煤炭在2020 年中国能源结构中占比高达57%。这表明，燃煤发电在中国能源结构中仍然占据十分重要的地位。据此，《“十四五”节能减排综合工作方案》明确指出：要立足以煤为主的基本国情，通过实施节能改造工程提高燃煤锅炉的节能环保效益，加大淘汰落后产能的退出力度，全面实现燃煤锅炉污染防治重点区域的超低排放。因此，探索清洁高效的新型燃煤燃烧技术是提高锅炉综合热效率、降低煤耗和污染物排放及碳排放量的主要方向。

近年来，声学技术在燃煤电站锅炉中的应用得到了广泛关注和研究。例如，基于声学方法的炉内温度场[3-4]和流场重建[5-6]、换热管泄漏检测定位[7-8]和声波吹灰[9-10]等。以上声学技术的研究和应用均涉及到声波传播过程中的声物理效应，如声波强化传热[11-12]、声波助燃[13-14]等。声波助燃技术是利用声能量激励热源稳定、快速和高效燃烧的新型技术手段。如声波在燃煤颗粒周围诱导的周期性振荡流和时均非线性声流效应可以有效地剥离覆盖在煤炭颗粒周围的二氧化碳层和灰壳层，使煤炭颗粒反应表面始终暴露在周围氧气的扩散环境中，提高了氧气扩散到煤粒表面的速度，加快了煤炭颗粒燃烧反应速度。因此，利用声波的物理效应改善炉膛的燃烧状况将是提高锅炉综合热效率、降低煤耗及污染物排放的有效方法。

声波与燃烧是相互耦合作用的[15-16]，即声波激励可以对燃烧过程产生影响，相反，燃烧产生的压力波动也将对施加的声场产生反作用。目前，针对热声耦合燃烧系统的研究是一个热门领域，如基于声学技术的热声耦合高效低污染脉动燃烧技术[17]。1859 年，Rijke 首次报道了在底部放置加热金属片的垂直开放管中可以产生声音。1878 年，Rayleigh 对“Rijke 管”的热发声现象进行了理论分析。Rayleigh 认为，热声振荡现象是一个声耗散和声激励之间的平衡过程，热声振荡的强弱可由“瑞利准则”来描述[18]。因此，为了使声波达到强化燃烧的目的，在燃烧过程中提供给振荡的能量必须大于由黏度、传热和系统外声辐射等引起的振荡所经历的能量。当燃烧过程在一个周期内增加的能量等于在同一周期内耗散的能量时，热声系统将达到一个稳定的极限振幅。系统阻尼特性的增加会使脉动幅值减小，当阻尼大于某一阈值时，脉动效应将消失或不再发生。党南南等[19]对Rijke 管系统存在的稳定性切换现象进行了研究。

声波助燃技术已被证实是一种高效节能、清洁环保的新型燃烧技术。声波辅助燃烧能够在较低的过量空气系数和有限的燃烧空间内达到很高的燃烧效率。研究表明，声波激励燃烧具有以下优势[20]：①燃烧强度高；②高对流换热率；③污染物生成量低；④ 粉尘含碳量低等。在已有的工程应用实例中，天津大学黄强华等[21]研制的低频强声(频率f=100～170 Hz、声压级SPL >120 dB)助燃装置和辽宁工业大学高明旭等[22]研制的高频声波(10～15 kHz)助燃除尘器在小型燃煤热水/蒸汽锅炉中均得到了实际应用，发现利用声波助燃器改造后燃煤锅炉的燃烧效率不仅提高了5%，而且还降低了排烟的含尘质量浓度和温度。这表明，新型声波助燃技术的实际应用在促进粉煤燃烧热量的高效转换利用和提高锅炉热效率、降低污染物排放等方面存在巨大的潜力，这对助力“双碳”目标的实现具有重要意义。

综上，声波助燃技术的研究路线经历了从基础理论研究到工程领域的经验性应用。针对燃料本身，开展了声波作用下气体、液体和固体燃料燃烧特性的研究。从实验研究的角度，分析了声波参数与燃料燃烧参数之间的量化关系。实验结果指导了声波助燃技术的工程应用，但对复杂燃烧环境存在经验性行为。同时，实验结果缺乏基础理论模型的验证，尤其缺少声学效应的物理解释。声波影响燃烧是一个复杂的物理化学过程，并没有完善的理论支撑。因此，为了厘清声波影响燃烧的主要技术研究路线，笔者依次从声波激励燃烧的作用机理、声波对燃烧特性的影响规律、声波对燃烧火焰的调控作用及声波对燃料燃烧过程的热质传热特性等方面进行了综述性，并对声波助燃技术的未来发展方向进行了展望。

1 声波影响煤粉颗粒燃烧的作用机制

煤粉燃烧是一个复杂的物理化学过程，涉及湍流流动、湍流燃烧、颗粒运动、颗粒燃烧、辐射换热、传热传质等多方面知识[23]。因此，厘清声波作用对上述物理化学过程的影响规律是揭示声波影响燃烧机理的主要方法。声波是一种机械波，即声波的传播过程也是能量的传播过程。在空气中，声波是以纵波的形式传播。声波对燃烧煤颗粒的影响可归纳为4 种作用形式：①煤颗粒周围的振荡流效应。声波传播过程中将激励传播路径上的流体质点发生周期性振动，宏观上表现为交替的往复振荡流[24-25]，如图1 所示，其中，T为声波振荡周期；Ua为声波诱导的速度振幅；KC 为无量纲数，用来描述一个在振荡流场中的物体所受到的黏性力相对惯性力之间的关系。②煤颗粒周围的非线性声流效应。强声波激发的振荡流与煤颗粒发生相互作用在时间平均上表现为非线性声流效应[26-27]，如图2 所示。③煤颗粒受到的声场力效应[28]，如图3 所示。声波作用下煤颗粒将受到周期性的激振力和时均声流曳力、声辐射力作用等声场力的协同作用。④ 声辐射效应对煤粉燃烧的影响，即不同参数声源具有不同的声辐射指向性特征[29]。无量纲参数ka(其中，k为波数，a为声源特征尺度)决定了声源的辐射指向性特征，如图4 所示。满足ka≪1 的声源可对周围环境施加均匀的声场扰动；而满足ka≫1声源，辐射指向性约凸出，一般在在正对声源方位上的环境介质受到的声辐射效应作用最强，这就造成了对周围空间环境的不均匀声扰动。因此，空间不同区域煤粉燃烧受到声辐射效应是不同的。

图1 声波诱导往复振荡流在t=0 时刻和t=T/2时刻的涡量(KC=6)[25]Fig.1 Vorticity diagram of sound-induced oscillatory flow at t=0 and t=T/2 time (KC=6)[25]

图2 二维球体截面周围的声流分布及流速分布(Re=1.42,Sr=10)[27]Fig.2 Acoustic streaming and velocity distribution around a two-dimensional sphere(Re=1.42,Sr=10)[27]

图3 距声源不同位置处颗粒及其周围流体介质的振荡速度曲线(SPL=150 dB,f=1 kHz)[29]Fig.3 Oscillating velocity curves of particles and their surrounding fluid medium at different positions from the sound source (SPL=150 dB,f=1 kHz)[29]

图4 不同频率声源的声辐射指向性示意Fig.4 Schematic diagram of acoustic radiation directivity of different frequency sources

综上，声波影响燃烧的物理机制正是通过声波诱导的振荡流、非线性声流、声场力和声辐射效应等4种声物理效应来改善煤颗粒的燃烧状况。声波的频率和强度共同决定了振荡流和非线性声流的相对强弱及声场力的大小。首先，高频强声波产生的快速振荡流可以强化煤颗粒与热空气之间的相对运动，周期性的振动和颗粒表面切应力作用可以有效剥离燃烧煤颗粒外层的灰层，促进内部燃料的快速燃烬。其次，低频强声波产生的强声流效应可以改变煤颗粒燃烧的火焰动力学特性，强化燃烧火焰与炉膛环境的热交换。但目前针对非线性声流效应影响火焰动力学特性的研究还鲜有报道。同时，具有旋涡形式的声流流场可强化炉膛内热空气与煤粉颗粒群的循环掺混，延长了大颗粒和难燃烬煤粉的燃烧时间，并能够消除炉膛局部高温或低温区。在大尺度空间形成的声流也被称为“声风”。最后，煤颗粒受到的声场力作用可以增强煤颗粒的振动运动特性，有利于煤粉的脉动燃烧。此外，利用声辐射效应可实现对炉膛燃烧区域的灵活有效调控。因此，在燃煤电站锅炉中采用声波助燃技术可以有效降低锅炉的化学、物理及排烟热损失，从而提高锅炉热效率和降低煤耗及碳排放量。

2 声波对煤粉颗粒燃烧特性的影响

如图5 所示，固体燃料的燃烧过程可分为4 个阶段[30]：水分蒸发阶段、挥发分逸出及点燃阶段、焦炭燃烧阶段和燃烬阶段(灰渣的形成)。煤粉颗粒燃烧过程是一个复杂的物理化学现象，但通过给定参数的声波可以实现对燃烧过程进行有效调控。大量研究表明，高强度声场可以增加气体与固体燃料之间的质量、动量和热量传递，从而导致更有效的热扩散和燃烧[31]。

图5 烟煤着火各阶段划分[30]Fig.5 Division of each stage of bituminous coal ignition[30]

声波对煤粉燃烧的作用，早在20 世纪初人们就已开始进行了初步研究。1924 年，Audibert 最早对流场中煤颗粒的脉动燃烧时间进行了实验研究，发现在声波作用下，煤颗粒的燃烧时间可以减少30%。与声波的扰动效应类似，SEVERYANIN 等[31]实验研究了脉动流特性对固体燃料颗粒燃烧速率的影响，发现脉动气流附加在固体燃料颗粒周围的流动增强可以有效提高燃料的燃烧速率，并能促使颗粒燃烧动力学状态发生转变。RUDINGER 等[32]认为附加的脉动流使流体与固体燃料之间的滑移速度Uslip增大是强化氧化剂分子的扩散速率和增加对流换热速率的主要机制。LYMAN 等[33]通过实验测定的方法研究了声波对煤颗粒燃烧过程的影响。发现与无声情况相比，挥发分燃烧时间降低30%～50%，剩余固定碳的燃烧时间降低20%。SABNIS 等[34]实验探究了声频率为50～190 Hz 时，煤颗粒直径(d=1～3 mm)的燃烧时间随振荡流位移振幅与煤颗粒半径比值的增大而变短。ZINN 等[35]在自行构建的Rijke 型燃烧器中进行了煤粉的脉动燃烧实验，频率控制在77～84 Hz，声压级在150～159 dB，当空气/燃料比分别为1.03 和1.22 时，燃烧效率在89.0%～98.5%，相比无脉动情况，煤粉燃烧效率有显著提升。CARVALHOJR[36]在Rijke 型煤燃烧器种由非脉动工况切换到脉动工况下，发现瞬时燃烧效率提高了20%，烟气中粉尘颗粒减少了约58%。进而，CARVALHOJR[37]分析了Rijke 型脉动燃烧器的燃烧机理，认为脉动致使对流换热率提高是强化燃烧的主要方式。在相对较低的过剩空气(<13%)下，脉动燃烧效率也可达到95%以上。图6 给出Rijke 型燃烧器的实验台架示意[38]。

图6 Rijke 型燃烧器热声不稳定性实验台架[38]Fig.6 Thermoacoustic instability test bench for Rijke burner[38]

YAVUZKURT 和HA[39]建立了不同直径球形煤颗粒在高强度声场下的燃烧计算模型，发现声参数为168 dB 和50 Hz 时，直径为50、100、150 µm 煤颗粒燃烧时间分别降低1.4%、18.0%和25.0%。此外，声波夹带效应可增加煤颗粒燃烧时间，有夹带的燃烧时间比无夹带的燃烧时间长3.9%。进而，YAVUZKURT和HA[40]通过实验验证了强声场(140～160 dB)对平焰燃烧器种燃烧煤粉流的促进作用，发现低频(<600 Hz)强声对火焰燃烧具有抑制作用，高频(>2 000 Hz)强声具有促进作用。YAVUZKURT 和HA 的实验研究表明，对于特定燃烧系统，声波参数的选择对强化燃烧至关重要。

国内许多学者也对声波助燃问题进行了的一系列研究。1991 年，马大猷院士[41]提出将高强声注入电站锅炉炉膛可以帮助燃烧的设想。继而，黄强华等[21]在10 t/h 热水锅炉上进行了高频声(f=10～15 kHz，p=0.2～0.3 MPa)助燃除尘效果的试验，声波发生器安装在一/二次风靠近炉排的进口处。与无声波作用相比，改造后锅炉热效率提高了5.59%，排烟含尘质量浓度下降了29%，炉膛温度提高了55 ℃。欧阳昭等[42]实验对比了烟煤在有/无声波作用下燃烧的烟气组分，发现在声波作用下烟煤燃烧产生的烟气中CO、NOx和SOx相比减少了69.21%、34.69%和31.12%。这表明声波能够有效地强化煤的燃烧过程和降低烟气中可燃物质量分数以及有害污染物的体积分数。高明旭等[22]在DHL14-1-27/130180A 型热水锅炉的一次风道和二次风道中加装低频强声(f=100～170 Hz，声压级SPL >120 dB)振荡装置进行试验研究，发现改造后的热水锅炉耗煤量减少约5%，可燃物燃烧率提高5%～10%。郑英超[43]在自行搭建的声波导管中监测了不同参数(50～1 650 Hz、85～115 dB)声波对固体燃料燃烧时质量变化的影响，发现在低频强声(50 Hz和115 dB)有利于燃料质量变化最大。理论分析认为声波加速了燃料周围二氧化碳层的扩散、氧气的介入以及灰壳层的脱落等过程，进而提高了燃烧效率。沈国清等[44]在自行搭建的声场耦合滴管炉燃烧系统中对比了有/无声场作用下煤粉燃烧产物NOx的质量浓度变化，发现NOx随声压级的增大而降低，在1 000 Hz、120 dB 的声场作用下，煤粉燃烧产生的NOx可降低19.3%。王瀛洲等[45]在燃烧装置中安装了超声波发射器，在有、无超声波作用2 种环境中进行燃烧试验。与无超声作用相比，60 kHz 超声波可以促使煤粉颗粒产生共振以此提高煤粉与周围氧的接触面积，使煤粉燃烬率平均提高9.02%。上述研究结论充分表明，声波在控制污染物排放和提高燃烧效率等方面具有的显著优势。

综上分析可知，建立声波影响单颗粒煤粉的数学模型是基础理论研究的主要手段，而声波耦合燃烧的实验装置是研究声波影响燃烧的主要实验方法。研究以燃烧时间、燃烧效率、燃烬率和排放烟气成分等指标来分析声参数与燃烧参数之间的物理规律是主要研究方法。随着工程界和学术界对燃烧主动控制的兴趣日益浓厚，声波激励在燃料燃烧方面中将具有广泛的应用领域，显示出了可控性的应用前景。然而，目前针对声波影响煤颗粒燃烧的实验研究还处于简单实验环境下，缺乏对复杂燃烧环境下声与燃烧耦合的实验研究。同时，在理论和数值计算方面还没有建立完善的复杂煤颗粒群燃烧计算模型，已有的研究结果大多是在通过建立单颗粒煤粉燃烧数值计算模型下得到的，没有对复杂声场环境下煤颗粒的燃烧特性进行研究，如对驻波场环境引起的多模态共振及不同声源形式的强化能力，缺乏对声传播特性、声效应等声物理规律的深入探讨。

3 声波对煤颗粒热质传输特性的影响

厘清声波激励下煤颗粒燃烧过程的热质传输特性是分析声波影响燃烧机理的主要方式之一。近年来，声波强化颗粒物质的传热传质过程得到了广泛的关注和研究[46-48]。已有研究表明，声场作用可以强化热源的热量和质量传递[49-50]。声波对热质传输过程的影响可归结为3 个因素：①声致振荡流使颗粒与气相之间的滑移速度增加[51]，这有利于破坏边界层结构，降低热阻，提高热交换效率和燃烧产物的物质扩散；②声辐射压力可使颗粒发生悬浮，导致颗粒在炉内停留时间增加[52]，提高了燃烧效率，降低了化学和物理未完全燃烧热损失；③具有漩涡形式的非线性声流效应加强了颗粒群与周围流体介质的掺混[53]，强化了炉膛热质交换，消除低温区和高温区。

通过类比煤粉颗粒，对单颗粒热源模型的声波强化传热传质进行研究是目前采用的主要研究手段。

声致振荡流效应对颗粒热质传输过程具有重要影响。BURDUKOV 等[54]为解释声振荡对热质传递的作用机制，从理论上分析了平面声波作用下球体的热质传输特性。进而，BAXI 等[55]研究了正弦振动气流对铜制球体自由对流换热和强迫对流换热的影响。结果表明，当振动雷诺数小于200 时，振动对Nusselt 数的影响可以忽略不计；当振动雷诺数大于200 时，振动使换热系数显著增加，换热系数最高可达无振动时的7 倍。DRUMMOND 等[56]采用伪普数值方法求解了球体在平均速度为0 的正弦振荡流动中的Navier-Stokes 方程和质量输运方程。在雷诺数Re=1～150 和斯特劳哈尔数Sr=1～1 000 的条件下计算了Nusselt 数与流动频率和振幅的关系。发现传质速率随振荡流幅值的增大而增大，随振荡频率的增大而减小。YAVUZKURT 等[57]建立了强声场作用下煤燃烧计算模型。分析认为，高强度的声场对主气流中夹带的煤粉颗粒施加了振荡速度分量，导致传热和传质增加。在声频率为1 000 Hz、声压级为160、165和170 dB 时，100 µm 煤颗粒的Nusselt 数分别增加了31%、48%和62.5%。HA 等[58]进一步研究了不同频率振荡流对颗粒夹有/无夹带效应对传热效果的影响，在球坐标下数值求解了气相质量、动量和能量传输的二维非定常层流守恒方程。在稳态Re0=0、声雷诺数Re1=62.9 和振荡频率为50 Hz 时，振荡流对颗粒的夹带作用使平均Nusselt 数均小于无夹带时的Nusselt 数。当振荡频率为2 000 Hz 时，高频振荡流对颗粒的夹带作用很弱，平均Nusselt 数与无夹带的情况几乎相同。YEONG 和YAVUZKURT[59-60]数值研究了高强度声场对煤粉颗粒或水煤浆燃料液滴传热传质速率的影响。局部平均和空间平均努塞尔数取决于颗粒曲率和流动加速度对振动速度的影响。当声雷诺数约为100 时，空间和时间平均Nusselt 数比无声场时增加约290%。在低频高强场下，颗粒传热传质明显增强。ALASSAR 等[61]在强迫对流和混合对流2 种情况下，考虑了球体在振荡黏性自由流中的对流换热问题。通过求解基于普朗特数为常数(Pr=0.71)的Boussinesq 流体非定常N-S方程和能量方程。计算结果表明，存在传热速率最小的临界振荡频率，自由流振荡与动量和热边界层之间的相位滞后随振荡频率的降低而减小。2021 年，MISHRA 等[49]对幂律脉动流对球体传热传质特性的影响进行了数值研究。与均匀流动条件相比，脉动流动使流体剪切层中的换热增强了30% (Re=120,Pr=100)。图7 给出了振荡流作用下圆柱周围的流动情况[62]，在周期性的振荡扰动下圆柱体周围出现了往复的旋涡脱落和耗散行为。

除了宏观上声致振荡流的作用，强声场的时均非线性声流效应对促进边界层的湍流和持续加速热质传递过程同样具有重要作用。GOPINATH 和MILLS[63]理论和数值分析了球体在大流雷诺数Res下由非线性声流引起的对流换热。研究发现，低频强声波形成的非线性声流对传热过程有重要影响，并给出了努塞尔数与流雷诺数的经验公式。KIANI 等[64-65]实验研究了超声(25 kHz、890 W/m2)辐射对静止热铜球(直径d=10 mm)冷却过程的影响，发现随着距离不同超声波辐射可以使传热系数有30%～119%的提升，并在铜球表面附近发现微声流现象。基于KIANI 的实验启发，许伟龙等[66-67]研究了热铜球(d=5 mm)在可听声(500～3 000 kHz)作用下的对流换热特性，在133 dB、1.5 kHz 的声场中，铜球传热系数提升了25%，并初次发现不同频段声波对传热过程的影响规律。但许伟龙等的工作并没有对各频段声波影响传热的作用机理进行理论分析。为此，笔者[11-12]从理论和实验上区分了不同频段声波影响传热的物理机制：低频声流控制区(<700 Hz)、声流与自由振荡流协同控制区(700～1 500 Hz)、自由振荡流控制区(1 500～2 000 Hz)和稳定区(>2 000 Hz)。关于声流引起的对流换热问题，在圆柱模型[68-69]和通道模型[70-71]中也得到了广泛研究。图8 和图9 给出了文献[68]的数值计算结果，图中清晰呈现了不同声压级和声频率下非线性声流流场对温度场的影响规律。上述研究充分证实了时均非线性声流效应在强化热质传输过程中的重要作用。

图8 声压级对耦合场特性的影响[68]Fig.8 Effect of sound pressure level on coupled field characteristics[68]

图10 给出了在有/无背景流情况下驻波声场在悬浮球形颗粒周围形成流场结构特征。从图10(a)可以清晰看到，在无背景流情况下，球形颗粒周围的时均流场出现经典的非线性声流漩涡结构；而在图10(b)，在一定强度的背景流下，强度较弱的声流外涡结构容易被背景流场淹没，但颗粒壁面始终受到强内涡流扰动。这是由于附加流中的速度梯度，对外涡流和边界层流的影响是不均匀的。

图10 具有背景剪切流动条件下驻波声场中悬浮球体周围的流动示意[72]Fig.10 Schematic diagram of flow around a suspended sphere in a standing wave sound field with background shear flow[72]

声致颗粒振动强化传热传质的研究多见于气固流化床中。声波扰动可以改善床内固体燃料颗粒与空气的混合，使流态化更加均匀、流畅，从而提高了床层内的换热速率。因此，探究声辅助条件下颗粒物的传热、传质、混合、输送等特性，对调控循环流化床燃煤锅炉系统的燃烧状态具有重要意义。图11 给出了声辅助流化床的简单实验示意。

图11 声辅助流化床实验示意[73]Fig.11 Experimental diagram of acoustically assisted fluidized bed[73]

司崇殿[73]对声辅助流化床的流化特性特性进行了系统地实验研究。声场辅助流化主要有两大优点：①声波可以有效降低颗粒聚团的尺寸，有助于流化；②声激励可以降低颗粒最小流化速度，最小流化速度随声压级的增大而减小。对于给定声压级，存在一个最佳频率范围使颗粒最小流化速度最小。HERRERA和LEVY[74]实验研究了声辅助流化床的鼓泡特性。研究发现，高声强破坏了微颗粒的凝聚性，使床内均匀流态化和鼓泡流态化。数据表明，声压级、颗粒密度和颗粒大小对最小鼓泡速度有影响，声压级会影响气泡的大小。CAO 等[75]通过数值和实验研究了声波作用对流态化行为的影响。在Syamlal-O’Brien 阻力模型的基础上，建立了修正后的声学模型，实验结果验证了该模型的可靠性。计算结果表明，修正后的声学阻力模型较原模型的径向颗粒体积分数有所增加，且颗粒温度随声压级的增加而升高。WANKHEDE等[47]研究了在有/无声波条件下，颗粒物浸没受热面鼓泡流化床的传热特性。研究发现，足够的声强能显著提高颗粒流化质量，颗粒在一定频率下的振荡可以提高换热速率。声波对大颗粒的换热影响很小，而微颗粒的换热速率有明显的改善。MANUEL[53]理论和数值分析了声波对气固流化床中气体和固体颗粒之间热质传输过程的作用机理。在声波作用下，固体颗粒表面周围附加的流体流动会导致传质和换热的显著增加。细小颗粒容易被声场卷吸，从而改善密床中的流态化均匀度，同样也可以在稀床中诱导颗粒团聚。此外，具有漩涡形式的非线性声流还会导致大规模的流体再循环，强化了热质传输过程。LI 和YANG[76]采用一维双欧拉模型对振荡流动中的气固两相界面换热进行了数值研究。研究了流动振荡对两相流动、颗粒质量浓度以及相间换热的影响。结果表明，气体与颗粒团簇之间的换热导致颗粒平均浓度和相应的振荡幅度增加。对流颗粒聚集是引起两相混合物平衡温度振荡的主要原因，而振荡频率的增加有利于颗粒和气体温度振荡幅度的减小。

综上分析可知，声波对固体燃料颗粒热质传输特性的研究主要考虑了2 个方面的影响因素：①颗粒周围流体力学特性；②颗粒的运动特性。这表明，颗粒的运动特性和周围流场特性共同决定了颗粒的热质传输过程，尤其对强声波作用下颗粒的非线性振动和流场的非线性响应研究较少。然而，考虑到固体燃料燃烧过程的实际复杂性，目前针对声激励固体燃料燃烧状态下的热质传输过程的研究极少。在实验上主要是通过高精密仪器监测燃烧过程的热扩散和物质传递过程，缺乏相应的数学模型。因此，已有的研究成果对指导工程应用还具有一定距离。

4 声波对燃烧火焰动力学特性的影响研究

声波与燃烧火焰的相互作用是近年来国内外学者研究的热点问题，大多数文章发表在国际权威期刊“Combustion and Flame”和“Fuel”上。通过分析火焰的结构特性可以直观地认识到声波对燃烧是起到“助燃”还是“阻燃”作用。因此，探究声激励下燃烧火焰的动力学特性是深入分析声波影响燃烧的主要方式。在实际工程中，燃烧不稳定现象的发生将会对燃烧设备的安全运行带来极大危害。通常燃烧不稳定性是由燃烧室的声模态与燃烧场热释放波动频率相互作用引起的，可由“瑞利判据”分析燃烧不稳定性强弱[77]。如，不稳定性燃烧可能导致过度传热和共振现象，导致燃烧室壁面被频繁的加热和结构损害。已有研究发现，火焰的形态对声激励频率和振幅非常敏感[78-79]，在某些激励频率下，强制声激励可以用来控制燃烧，提高热效率和降低污染物排放[80]。因此，通过可控的声波来调节燃烧状况将具有良好的工程实际意义。

就燃烧火焰结构而言，不同燃料燃烧形成的火焰结构具有差异性，但声波的物理作用机制是一致的。因此，以下对声波作用下的各类燃料火焰动力学特性进行综述分析。

早在1777 年，Higgins 发现将氢气扩散火焰放在一个开放的管子中可以发出声音，这种现象被称为“会唱歌的火焰”[81]。在Byron Higgins 的新奇发现之后，许多研究者开始对声波和燃烧的相互作用进行了深入研究。ZIKIKOUT 等[82]介绍了一种利用声波导管驱动燃烧室腔内高频横向振荡燃烧的激励方法。该方法依赖于不同参数声波经导管辐射到燃烧室的声场特性。实验结果表明，该方法可用于对燃烧室中发生的燃烧动力学过程进行空间上的激励调整，对高频燃烧振荡方面具有很大的潜力。POINSOT 等[83]研究了具有倾斜多入口燃烧室的燃烧不稳定性。结果表明，低频燃烧不稳定性具有强声学耦合性，并发生在系统的本征频率附近。利用图像平均处理技术描述了火焰周围发生的旋涡脱落、生长、相互作用和燃烧过程，确定了压力、速度和放热波动之间的相位关系，并提出了一种低频涡驱动不稳定性的机制。BERLAD 等[84]在一个长0.75 m、直径0.05 m 封闭管中研究了失重条件下声场中石松颗粒的燃烧火焰行为。利用高速运动图像和光学传输探测器记录了粒子云和火焰的性质，发现在声激励下形成了疏密形式“震颤火焰”，证实了火焰-声音的相互作用。SAITO 等[85]研究了声振荡对乙炔燃烧扩散火焰烟灰的抑制作用，发现提高声压级和降低声频率可以降低烟灰排放，烟灰抑制效率与声雷诺数Re有关。在Re>3 000 的条件下，抑烟效率超过90%。SAITO 认为声振荡增强了燃料气体与周围气体的混合，提高了火焰温度，使煤烟颗粒发生再氧化燃烧。DEMARE 和BAILLOT[86]为解决非预混射流火焰与燃烧器的再附现象，提出通过声激励的方式来控制射流燃烧火焰行为，以避免对燃烧器的高温损害。实验测量结果表明，声激励产生的轴向速度高于滞后区最大速度时，可以迫使火焰升空。与非激励情况相比，无声激励下射流火焰诱发的有序涡系结构由于强迫波的叠加而变得无序，导致了准均质湍流，从而提供了有效的混合并改善了燃烧状态。FARHAT 等[79]研究了声波对圆柱形管中丙烷燃烧火焰的激发效应。实验发现，火焰的动力学特征对声激励频率和振幅非常敏感。根据频率和声强的不同，声场的加入可以严重影响火焰的动力学行为。FARHAT 等[87]进一步的实验表明，外部诱导声场的存在可以促进反应物沿火焰反应边界的混合，从而降低NOx等温度依赖性污染物的排放水平。同时外部声学扰动对燃烧化学反应也有影响，导致各种分子质量浓度、排放的变化。WILLIAMS 等[88]研究了施加在燃料侧的不同频率和幅值的纵向声波扰动对于射流火焰的影响，通过激光诊断技术测量了火焰的频率响应和内部火焰结构的锁相图像发现，迫使燃料流以接近自然浮力不稳定频率的(低)频率流动会触发高温反应区空气侧产生涡流，从而将整体火焰响应与强迫频率耦合起来，且空气侧旋涡的产生被锁定在燃料流激励频率的一半。ROCHA 等[89]研究了声激励下天然气湍流扩散火焰的结构变化。结果表明，声场的存在极大地改变了火焰的结构与燃烧器的固有频率。在声场较强的火焰区域，观察到了预混火焰特性，火焰长度随声幅值的增大而减小。KIM 等[90]研究了同轴声激励湍流非预混射流火焰-涡旋的相互作用及混合行为，如图12 所示。发现在近场区域火焰与旋涡相互作用过程中，旋涡附近的卷吸速度和火焰表面积局部增大。这种火焰表面积和卷吸速度的增加被认为是声激励同轴射流火焰缩短火焰长度和减少NOx排放的关键因素。

图12 SiO2 Mie 散射(左半边)和声驱动同轴空气火焰-涡旋相互作用示意(右半边)[90]Fig.12 SiO2 Mie scattering diagram (left side)and sound driven coaxial air flame-vortex interaction diagram (right side)[90]

LORETRO 等[91]探究了声激发对旋转扩散火焰的影响，得到了声波激励下火焰动力学形态的变化规律。实验发现，声能量Eexc越小且无量纲频率Std越大，火焰越细长；而声能量越大频率越低，火焰受到抑制变短，且根部火焰出现较大的间断容易熄灭。这说明，合适强度和频率的声波具有助燃的效果，而高频强声不利于燃烧。图13 给出了不同参数组合下声激励下火焰的4 种结构形态。其中，Eexc为声能量；Std为频率，即斯特劳哈尔数。

图13 不同参数声波作用下的火焰模态[91]Fig.13 Flame modes under the action of sound waves with different parameters[91]

KIM (2010 年)等[92]和DUBEY (1998 年)等[93]证明了声激励下的火焰会逐渐产生不良的非线性振荡行为，从而影响预混火焰的初始流速和混合速率。HUANG 等[94]利用数字彩色图像处理技术研究了外部声激励下扩散火焰的响应特性。研究发现，燃烧器施加15～100 Hz 的外部声激励对改变主导频率位置的作用不大。WANG 等[95]研究了不同频率(6～100 Hz)下层流扩散火焰对外部声激励的非线性响应模式。实验观察到4 种非线性模态，即分频、倍频、激励的增减与自然浮力频率4 种非线性模态，且频率幅值随激励信号增强而增大。AKHMADULLIN 等[96]创建了带有涡流燃烧器的燃烧室模型，其频率为100～1 400 Hz。研究发现，外部周期扰动方法可用于控制燃烧不稳定性。根据外部周期扰动的频率，可以观察到燃烧室内振荡振幅的增加和减少。JU 等[97]利用高速成像技术，在声场环境下对空间燃油雾化特性进行了实验测量。利用多阈值图像处理，分析燃料雾化各阶段高频振荡对燃料破碎、混合机理的影响，探索燃料液滴大气环境的物理描述和热力学控制机理，说明在不同条件下，声激励如何影响燃料的雾化特性，以便找到控制此类喷雾或液滴操作的方法来抑制燃烧的不稳定性。FOO 等[98]采用扬声器对3 种不同直径燃烧器的层流非预混乙炔/氮气火焰进行了声学控制，利用高空间分辨率激光诊断技术研究了稳定火焰和强制火焰中烟灰演化及其控制参数的新细节。结果表明，燃烧器直径和声波参数影响烟灰场与温度分布的空间相关性。在较低振幅(α=25%)下的层流火焰比中等强度(α=50%)火焰产生的烟灰更少。当强度幅值进一步增大到α=75%时，观察到较低的烟灰体积分数。2019 年，PEREIRA 等[99]通过火焰声激励实验评估了氧气增强燃烧(OEC)技术与脉动燃烧技术的相互作用对大气中CO、NOx、甲醛和乙醛排放的影响。实验表明，以受控方式同时应用OEC 和声激励技术可以减少污染物排放，提高热燃烧设备的效率。

甄丽[100]进行了同轴纵向声波作用下蜡烛火焰稳定性的实验研究。低频小振幅声波对火焰的影响较小，而随着声压级的增大，火焰不稳定现象越发显著，甚至熄灭；而高频声波对火焰稳定性的影响不明显。声波诱导的空气质点振动速度大小是影响火焰稳定性的本质因素。进而，2018 年，魏珠萍[101]采用计算机图像处理技术对不同参数声激励下的火焰几何形状特征参数进行了详细分析。随着声频率和声压级的增加，火焰结构都经历了“先变宽变长，后变窄变短”的过程，外焰较无声波激励时变得宽而长，而火焰整体面积随声压级的增加，说明一定频率及声压级的声波对火焰燃烧效率有促进作用。宋强等[102]采用高速摄影的方式研究了驻波声场环境下层流燃烧火焰的动力学特性。发现，当火焰位置偏离声压波节位置时将受到声辐射压力的作用而发生火焰偏斜现象。王江涛等[103]基于彩色火焰图像和火焰纹影图像研究了横向声波激励作用下甲烷射流扩散火焰的频率响应。基于彩色火焰图像的火焰振荡频率云图可以分析出振荡主频出现的区域，发现整个火焰大部分区域都表现为10.7 Hz 的振荡主频，但是在火焰中心区域会表现出20.5 Hz 的振荡频率。无声波激励条件下和有声波激励条件下中心20.5 Hz 区域形状的不同，可能是由于声波激励在大尺度涡结构撞击区域和大尺度涡结构相互作用并最终影响火焰夹断过程造成的。吴昀辉等[104]实验研究了声激励下旋流钝体火焰的非线性响应特性，认为火焰流场中外回流区的涡脱落增强现象是诱发火焰非线性响应的主要原因。张玉涛和史学强等[105-106]实验研究了横向低频(<100 Hz)声波作用下乙醇池火的火焰结构和振荡特性，实验系统如图14 所示。实验结果表明，相比自由火焰，较低声压扰动使脉动火焰更加稳定，而较大声压会使火焰失稳；低频声波容易吹灭火焰，高频声波可提高复燃频次。指出，声波对火焰的冲击作用、燃烧区化学当量比的调节和燃烧区温度的改变是声波熄灭火焰的主要原因。揭示了不同声频率和声压组合下声波助燃和灭火的物理规律。但对声波影响燃烧的声物理机理阐述不够。

图14 低频声波激励下乙醇池火燃烧特性的实验系统示意[106]Fig.14 Schematic diagram of experimental system for combustion characteristics of ethanol pool fire excited by low-frequency sound waves[106]

综上所述，外部声源激励下燃烧火焰的动力学特性随着声学参数、燃烧室结构参数的不同呈现出丰富的行为特征。然而，已有文献的研究都是在不同的实验环境下进行标量参数分析得到的定量结果，因此，其实验结果不具有一般性指导意义。针对以上不足，进行声激励下火焰动力学特征的无量纲参数分析更具有普遍意义，如通过燃烧室结构参数、火焰动力学参数及声学参数来定义可以描述声激励和火焰相互作用的无量纲参数之间的关系。

5 展 望

通过以上的文献分析可知，声波助燃技术在燃煤电站锅炉中具有较大的应用潜力。合适参数声波的加入可以有效调制煤粉颗粒的脉动燃烧特性、火焰的响应特性和热质传输过程，从而加速和强化燃烧过程、提高锅炉综合热效率和降低碳排放量。因此，在国家“双碳”目标的能源战略下，极力开发研究适用于燃煤电站锅炉的声波助燃技术将具有重要意义。针对燃煤电站锅炉的炉膛结构和组织燃烧方式，应当开展具有工程实际应用背景下声波影响燃烧的研究。

在实验方面，随着实验科学技术的快速发展，利用先进图像处理技术和物理场监测技术对燃烧状态进行研究是当前重要有效的手段。实验研究主要分析了声激励下火焰结构的响应特性及燃烧温度场、流场和燃烧产物的变化规律，以此获得声波激励燃烧的一般物理规律。但通过实验手段得到的结果是宏观意义上的，无法厘清声波影响燃烧的微观机理。因此，建立声波影响燃烧的数学物理模型十分重要。在燃烧理论模型上，已经建立了较为完善的单颗粒数学物理模型。但实际面临的主要问题在于有限空间中声波影响燃烧的物理模型过于复杂，难以充分考虑空间驻波声场对燃烧的影响。如燃烧室结构参数、声参数、声源形式及位置等因素都会对有限空间中的声场分布产生重要影响。因此，对有限空间中声波影响燃烧的物理模型还鲜有研究。在数值模拟上，缺乏对有限空间燃烧室中声场分布的研究，且边界条件、环境参数和燃煤颗粒形状的设置与工程实际不相符。现有的数值模拟工作主要对声激励下煤颗粒周围的流场、温度场和热传递特性以及燃烧火焰的动力学特性进行了详细的研究，但并未考虑燃煤颗粒本身的振动特征。然而，纯粹的数值仿真研究太过单一，需要与实验、理论结果相印证。

综上，虽然以往的研究取得了一些有意义的结果，但对声波助燃的研究还需进一步深入开展如下工作：

(1)特定燃烧室环境下的声场分布特性研究。可采用数值模拟和实验相结合的方法研究声源类型、声源位置和声源参数对室内声场分布特性的影响规律，这对于声波助燃器安装位置和声参数的选择具有重要指导意义。同时，需要分析燃烧室的特征频率，这对避免声激励下的燃烧不稳定性具有重要意义。

(2)建立声激励下考虑颗粒燃烧脱挥过程、挥发分和焦炭燃烧的完整数学模型。描述声波影响煤颗粒燃烧的完善理论模型是推动基础理论发展和厘清内在物理作用机理的重要内容。

(3)综合考虑强声波作用下煤颗粒的非线性振荡特性、颗粒周围流场的即时流动特性和时均流动特性。在以往的研究中对强声波的非线性作用讨论极少，如非线性声场力对燃煤颗粒运动特性的影响、非线性声流效应对燃烧煤颗粒火焰结构的影响和周期性振荡流对燃煤颗粒热质传输特性的影响等。从声学物理效应的角度分析上述影响规律是厘清声波助燃机制的主要手段。

(4)讨论不同组织燃烧方式产生的火焰与声波的相互作用机制，如四角切向燃烧、前后墙对冲旋流燃烧和W 型火焰等。声波的有效调控对拓宽煤种的适应性和提高低负荷稳燃性能、预防结焦和高温腐蚀、消除热偏差、提高锅炉经济性和降低污染少排放具有重要作用。

(5)需要建立声波助燃耗能与提高燃烧效率所增加能量利用之间的经济性评价模型，指导挖掘声波助燃技术的节能潜力。

(6)在声波助燃技术的实际应用中，还需要重点解决：声波助燃器安装位置与所需台数的合理布置、声波助燃器作用频率范围及声强的选择与灵活调控、声波助燃器号角的安装方位角与耐高温腐蚀等重要问题。上述问题的有效解决将有利于声波助燃器的高效、长寿命运行。

6 结论

(1)声波传播过程中诱导的振荡流、时均非线性声流、声场力及辐射指向性等声效应是改变燃煤颗粒燃烧状态、热质传输过程及火焰动力学行为的主要作用形式。

(2)声波振荡效应使煤粉颗粒与周围流场滑移速度的提高及燃烧区域湍流旋涡的产生是加速燃料挥发分析出，提高燃烧强度，降低燃烧时间，降低烟气中的粉尘质量浓度和降低SOx/NOx等污染物排放的主要作用机制。

(3)对于给定声频率，热源的平均努塞尔数随着声压级的增大呈指数形式提高。不同频段声波影响传热机理不同，低频强声波形成的强声流效应是加速热质传输的主导机制；高频强声波诱导的快速往复振荡流产生的边界层分离及涡脱落现象是影响传热传质的主要机制。声激励下的可控脉动燃烧显著加速了热质传输过程。

(4)声波与火焰呈现出强的非线性相互作用。声阻抗不匹配是发生相互作用的主要物理机制，火焰界面上是发生强相互作用的主要位置。低频强声波对火焰具有抑制作用，形成的强声流效应(或“声风”)可使火焰发生偏斜甚至熄灭，但对燃料颗粒本身具有显著助燃效果；而高频强声波对火焰具有较强的调制作用，合适的声强可以使燃烧火焰维持稳定脉动燃烧状态，有助燃的效果。

综上，为提高燃煤机组发电效率，降低煤耗和碳排放量，促进燃煤的清洁高效利用，新型声波助燃技术的发展研究和应用推广在未来应当得到足够的重视。随着实验科学技术和仿真技术的高速发展，符合实际工程环境下声波助燃技术的应用研究将得到有效推进。同时，结合声学测温、声学测流和燃烧产物声学反演等先进声学技术手段对燃煤电站锅炉炉膛燃烧环境进行协同实时监测，与声波助燃形成反馈机制，帮助声波助燃的有效调控。因此，声波助燃技术在燃煤电站锅炉中的推广应用将进一步促进对声波助燃过程深入、全面的认识。

致谢本研究得到河北省物理学与能源技术重点实验室资助（HBKLPET2023_02），在此致以谢意。