预混火焰胞状不稳定性研究
扩散-热和气体动力学不稳定性对管道中预混火焰形状的影响
扩散-热和气体动力学不稳定性对管道中预混火焰形状的影响宋占兵;丁信伟;喻健良;刘润杰
【期刊名称】《天然气工业》
【年(卷),期】2004(024)004
【摘要】研究预混火焰在圆管或平行通道中的传播,对许多工业燃烧装置或系统的安全操作和实际应用都具有重要的意义.扩散-热效应、气体动力学效应和体积力效应是造成预混火焰固有不稳定性,改变预混火焰形状和传播特性参数的重要原因.针对管道中预混火焰的扩散-热不稳定性和气体动力学不稳定性,以及网眼状火焰和郁金香状火焰的形成作了详细的阐述,揭示了火焰形状形成与不稳定性之间的密切关系,并得出了重要结论:扩散-热不稳定性和气体动力学不稳定性分别对网眼状火焰和郁金香状火焰的形成起着决定性的作用.
【总页数】4页(P97-100)
【作者】宋占兵;丁信伟;喻健良;刘润杰
【作者单位】大连理工大学化工学院;大连理工大学化工学院;大连理工大学化工学院;大连理工大学化工学院
【正文语种】中文
【中图分类】TE3
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5.混合过程对旋流预混火焰燃烧不稳定性影响的实验研究 [J], 赵永凯; 韦晓峰; 赵刚; 李苏辉; 朱民
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实验一 层流预混火焰稳定浓度界限测定
实验一 层流预混火焰浓度稳定界限的测定一、实验的理论基础现代工业要求尽可能高效地利用燃料，这就要求在稳定燃烧条件下，使燃料与空气以适当的比例混合燃烧。
因此对燃料燃烧特性及流体力学和热力学方面需要有详细了解。
预混可燃气燃烧时，如果预混气体的速度在火焰锋面上的法向分量大于火焰传播速度，火焰将向下游移动，最后完全熄灭，称为吹脱或吹熄。
反之，如果预混气的法向速度小于火焰传播速度，火焰将逆流向上游移动，进入燃烧器内部，即出现回火现象。
在燃烧过程中，出现回火和熄灭都是不允许的。
回火会引起爆炸。
熄灭使动力机械停止工作，并向周围扩散有毒气体，有中毒和爆炸的危险。
回火现象只能出现在预混燃烧过程中。
在扩散燃烧中，燃料和空气是分别送入燃烧室的，在燃烧器内两者并不接触，因此没有回火现象。
熄灭或吹脱现象在预混燃烧和扩散燃烧中均有可能出现。
煤气甲烷l/min ）图1-1 甲烷/空气 煤气/空气 稳定曲线要维持正常的稳定燃烧，就需要避免出现回火或熄灭现象，因而要求知道燃料的稳定燃烧范围。
这一稳定界限与燃料/空气比和环境的温度和压力有关。
图1—1是甲烷/空气煤气/空气在常温常压下预混燃烧的火焰稳定范围。
图中下部是富油燃烧区，稳定范围宽，不易回火和吹脱。
但火眼呈黄色，发光。
下面一根曲线为火焰尖顶出现黄色的界限。
图中上方为火焰吹脱熄灭界限。
当预混气处于该曲线上方时，火焰被吹脱。
左边回火界限呈斜山立形，预混气的状态处于山丘内时出现回火现象。
回火界限与预混气的空气气/燃气比有关。
当空气/燃气比接近化学计量值时，火焰传播速度快，稳定范围小，容易出现回火。
但这时燃烧效率最高。
二、实验原理本实验用一套预混火焰装置（本生灯）进行实验，既可以定性观察预混火焰的各种现象，220V图1-2实验系统图示意图图1—2为实验装置系统图，小型压气机供给压缩空气，通过一个稳压减压阀保持气压稳定。
流量由浮子流量计读数。
燃料可用丁烷气、城市煤气或石油液化气等。
由浮子流量计控制燃料流量。
混合过程对旋流预混火焰燃烧不稳定性影响的实验研究
燃烧科学与技术Journal of Combustion Science and Technology 2020，26(3)：205-211DOI 10.11715/rskxjs.R201903025收稿日期：2019-06-26．基金项目：国家自然科学基金资助项目(51676110)；郑州燃气发电有限公司西门子F 级燃机燃烧优化科研项目． 作者简介：赵永凯（1994— ），男，硕士研究生，****************. 通信作者：韦晓峰，男，工程师，*****************.混合过程对旋流预混火焰燃烧不稳定性影响的实验研究赵永凯1，韦晓峰2，赵 刚2，李苏辉1，朱 民1(1. 清华大学能源与动力工程系，北京100084；2. 国家电投集团郑州燃气发电有限公司，郑州450016)摘 要：针对预混火焰燃烧振荡问题，通过改变旋流预混燃烧器的长度和气流速度，研究了混合长度、气体流速和当量比对燃烧不稳定性的影响，检验了时间延迟模型在宽时间尺度范围内的有效性，并揭示燃烧室压力脉动与燃烧器内燃料空气混合的相互作用机制，及其对燃烧模态的影响．结果表明，燃烧室内压力脉动会向上游传播，引起预混管内当量比脉动．当混合时间尺度小于临界尺度时，时间延迟模型具有一定的可行性．预混管内当量比脉动会随气体流动传至燃烧室中，进而影响燃烧过程，导致燃烧模态随混合时间增加而出现稳定-振荡的循环变化．当混合时间尺度大于临界尺度时，压力脉动向上游的扩散和当量比脉动向下游的流动传递衰减严重，燃烧处于稳定模态．该临界尺度约为c =1.5τf ．关键词：旋流火焰；燃烧不稳定；混合长度；时间延迟；放热率脉动中图分类号：TK16 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2020)03-0205-07Experimental Study on the Effects of Mixing Process on the CombustionInstability of Swirling Premixed FlameZhao Yongkai 1，Wei Xiaofeng 2，Zhao Gang 2，Li Suhui 1，Zhu Min 1(1. Department of Energy and Power Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ；2. Zhengzhou Gas Power Generation Co.，Ltd ，State Power Investment Co.，Ltd ，Zhengzhou 450016，China )Abstract ：Focusing on the problem of premixed combustion instability ，the effects of mixing length ，gas flow velocity and equivalence ratio on combustion instability were studied by changing the length and gas flow velocity of swirling premixed burner. The time lag model was tested over a wide time scale ，and the interaction mechanism between the combustor pressure fluctuation and the mixture of fuel and air in the premixed section and its influence on combustion modes were revealed. The results show that the pressure fluctuation in the combustor will spread upstream and cause the equivalence ratio fluctuation in the premixed section. When the mixing time scale is smaller than the critical scale ，the time lag model is feasible. The equivalence ratio fluctuation in the premixed section will be transmitted to the combustion chamber along with the gas flow ，which will affect the combustion process ，resulting in a steady-oscillation cyclic change of combustion mode with the increasing mixing time. When the mix-ing time scale is larger than the critical scale ，the pressure fluctuation spreading upstream and equivalence ratio fluctuation spreading downstream by convection transmission will damp too much ，so that the combustion is in astable mode. The critical scale is approximately c =1.5τf .第26卷 第3期— 206 —Keywords ：swirling flame ；combustion instability ；mixing length ；time lag ；heat release fluctuation在燃气轮机中，预混燃烧技术可以降低NO x 的产生，因而被广泛应用于燃气轮机和航空发动机中．但是预混燃烧时容易出现燃烧振荡现象．燃烧振荡现象会产生燃烧不完全，污染物增加以及高强度的压力脉动等不良后果，在实际运行中应当尽量避免．1878年，Rayleigh [1]对燃烧振荡发生机理进行了定性的解释．燃烧室中存在压力脉动和放热率脉动，当放热率的脉动和压力脉动之间的相位小于90°时，如果声场中能量输入大于耗散，容易引起燃烧振荡．Rayleigh 准则可用公式表示为 1(,)(,)d 0′′∫T q x t p x t t T ＞ (1)式中：q ′为放热率脉动；p ′为压力脉动；T 为一个振荡周期．Rayleigh 准则表明压力脉动和放热率脉动的相位关系对于燃烧振荡现象的形成至关重要，但是它并没有给出影响相位关系的因素．Lyons [2]研究了不同当量比下混合程度对NO x 生成量的影响，结论表明当平均当量比小于0.7时NO x 生成量会随着混合不均匀程度的增加而升高．Lieuwen 等[3-5]提出了一个包含压力脉动、速度脉动、当量比脉动以及放热率脉动等多种因素的模型．该模型认为热声振荡的过程是：在预混燃烧中，火焰处的压力脉动向上游传播至燃料与空气混合处，引起燃料供应速度的脉动，从而引起燃料当量比的变化．当量比的变化会随着气体流动传递至火焰处引起燃烧过程的变化，表现为放热率的脉动．当放热率脉动和压力脉动满足Rayleigh 准则时，便容易引发燃烧振荡现象．王怀书[6]研究了两种混合长度下燃烧的稳定性，认为小混合尺度范围内燃烧稳定与振荡之间存在边界．Richards 等[7]、Kim 等[8]分别通过实验得到了振荡燃烧与稳定燃烧的边界．在Lieuwen 提出的模型中，燃料与空气开始混合处的当量比脉动传至下游火焰处的时间延迟是调节压力脉动和放热率脉动相位差的关键因素．该时间延迟可由式(2)表示：p =τLv(2)式中：τ为空气和燃料的混合时间，即上游当量比脉动传至火焰处的时间延迟；P L 为混合长度，指从燃料喷口到火焰处的距离；v 为混合气体的流速．假设燃烧振荡发生时，压力脉动的周期为T ，则τ与T 的比值可以表示无量纲混合时间的长短，即相对于压力脉动周期的时间尺度．进一步可以用c f 表示1/T ，其中c f 为压力脉动的主频，这样c τf 可以表示空气和燃料混合的时间尺度．当c τf 以1为周期连续变化时，燃烧模态应该会出现稳定与振荡的交替变化过程．前人[3-8]所做的工作中，只在c τf 为1的范围内进行了研究，没有向更大范围内的c τf 拓展．因此，本文设计了一种混合长度可调节的燃烧器，通过改变P L 和v 来获取不同的时间延迟，在较大范围的c τf 来验证模型．1 实验与测量系统本文针对于空气和燃料的混合过程展开实验研究．首先研究了冷态下空气和CO 2在不同工况下的混合程度；根据冷态实验结果对热态工况设计进行指导，从而有针对性地开展燃烧实验．采用CO 2进行冷态实验主要基于两点考虑：一是相比于可燃气体，CO 2更具有安全性；二是本文测量在湍流状态下的混合程度，需要保证CO 2与原燃料的动量通量比为1[9]．动量通量比J 定义为：222a a f f f 2a a a f f ρρρρ⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎛⎞≡=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠⎝⎠ A v m J v m A (3)式中：ρ为密度；m 为质量流量；A 为截面积．实验台结构如图1所示，包括空气系统、燃料系统、燃烧室、测量系统等．测量系统采用气体检测仪、光谱仪、动态压力传感器．冷态实验主要测量空气和CO 2的混合程度．本文设计了专用的导轨系统来调节探针在燃烧室内的测点位置，同时采用CAI600系列多组分气体分析仪作为测量设备，检测燃烧室内不同位置处目标气体的浓度．在热态实验中，用天然气作为燃料．圆柱形燃烧室内径120mm ，长850mm ．采用PCB112A22型压电式压力传感器测量燃烧室内的压力脉动信号，分别布置在距喷嘴入口处0.38m 、0.52m 、0.66m 处，同时在混合段也布置一个压力传感器用来检测上游压力脉动．采用化学荧光法测量燃烧过程中的放热率脉动．碳氢燃料在燃烧过程中会产生OH *和CH *等自由基，这些中间产物从激发态向基态跃迁时会发出特定波长的光，称为激励波长．这些自由基的浓度与燃烧放热率有关，因此测量某种波长光的光强可以反映出放热率脉动变化．本文选用OH *基激励波长作为测量对象，波长308nm ．赵永凯等：混合过程对旋流预混火焰燃烧不稳定性影响的实验研究— 207 —图1 实验系统示意Fig.1 Diagram of experimental system预混段是整个实验最重要的部分，为了实现混合长度可调节的要求，本文设计预混段如图2所示．燃料从右侧进入，在左侧燃料喷口处流出．黑色虚线表示预混段右侧的固定端壁．燃料管上焊接着定位卡环，在燃料管的上游入口处设有螺纹，中间则有最小长度为5mm 定位套筒．通过改变固定端壁左右两侧定位套筒的数量，即可调节燃料管与预混管的相对位置．调节范围为10mm ＜P L ＜260mm ，单次最小调节长度为5mm ．图2 预混段结构示意Fig.2 Diagram of premixed section structure2 冷态实验结果与分析冷态实验目的是测量不同因素对燃料和空气混合程度的影响．实验中采用测点处的当量比作为混合程度的表征量．影响混合程度的因素有很多，本文采用预混段的长度P L 、设定的当量比Φ、混合气体的流速v 3个自变量进行冷态实验．考虑到空气的流量远远大于燃料的流量，为方便计算，使用空气流速air v 代替混合气体的流速．使用探针在圆形燃烧室距离喷嘴出口处15mm 的截面上进行浓度检测．沿着该截面的径向选择21个测点，每个测点间隔2mm . 工况设置见表1．根据实验得到的测量点局部当量比后，为了更直观地看出各个位置当量比的不同，将当量比数据进行了归一化处理．即采用每个点的当量比与平均当量比的比值作为反映该处混合程度的表征量．表1 冷态实验工况 Tab.1 Cases of cold test参 数取值范围预混长度P L /mm 10，30，60，120，260 空气流速air v /(m ·s -1) 25，35设定当量比Φ 0.8，1.0 径向测点r i /mm±40mm 范围内等间距的21个点2.1 预混长度的影响针对预混长度P L 这一变量，选择空气流速air v ＝35m/s ，设定当量比Φ＝1的一组数据进行分析．根据实验数据处理后得到如图3(a )所示的结果．纵轴为局部当量比和平均当量比的比值，横轴为径向测点r i 与测量范围半径R ＝40mm 的比值，这样更能直观显示出不同径向位置的当量比变化．由P L ＝30mm 的数据可得，此时当量比在径向上分布波动较大．这与空气和燃料的混合过程以及出口的旋流结构有关，表明空气和燃料尚未混合均匀．当量比高于或低于平均水平都表示其处于非恰好完全反应的状态，这在实际的燃烧状态中可能会引起放热率的不稳定．预混长度P L 越长，当量比的波动越小．P L ＝10mm 时沿径向局部当量比的变化波动最大，当量比差值可达约12%．而P L ＝260mm 时，局部当量比沿径向几乎是一条直线，最大差值不超过2%．整体看来，较长的（a ）预混长度的影响（b ）气体流速的影响图3 冷态实验结果Fig.3 Results of cold test第26卷 第3期— 208 —预混距离对于混合程度的影响是存在的，并且随着预混距离的增加燃烧室中CO 2和空气的混合程度也在逐渐均匀．这对热态实验的工况设计提供了预测 思路． 2.2 气体流速气体流速变量只有air v ＝25m/s 和air v ＝35m/s 两种情况．图3(b )为Φ＝0.8和Φ＝1两种当量比下，在不同气体流速的数据结果．只关注Φ＝0.8的两条曲线，发现除了在r i /R 为-1和1的时候两条曲线有稍微差别之外，其余部分几乎是重合在一起的．只关注 Φ＝1的两条曲线，和Φ＝0.8的曲线情况一致．这说明设定气体流速对于混合程度的影响微乎其微．事实上，从air v ＝25m/s 到air v ＝35m/s ，速度只增加了60%. 而混合长度p L 的调节范围从10mm 到260mm ，长度增加了25倍，所以混合长度的变化影响更加直观．变量之间的设置间隔也会影响到实验测量的结果．在本文的实验工况下，混合气体流速达不到成倍变化的条件，所以预混长度的改变主导着燃烧室内两种气体混合的效果．3 燃烧稳定性实验根据冷态实验的分析，燃烧稳定性受到多种因素的影响．首先在预混段内，空气和燃料的混合长度对混合的均匀程度具有重要影响．在喷嘴直径尺度上，其混合长度越大，混合越均匀．平均当量比和流速的变化也具有一定影响，但是在可调节的范围内，其对混合程度的影响较小．因此在热态实验中，采用预混长度作为主要的自变量来对天然气燃烧的稳定性进行实验探究，空气流速设定为30m/s ．实验工况如表2所示。
页岩气预混火焰及发动机燃烧过程稳定性研究
页岩气预混火焰及发动机燃烧过程稳定性研究页岩气是一种存在于致密细碎屑岩中的非常规天然气,主要成分为CH4,是具有潜力的发动机替代燃料。
我国页岩气资源赋存丰富,不同地区页岩气组分存在差异,影响预混燃烧速度,导致发动机燃烧循环变动不同,有必要围绕页岩气组分对预混火焰及发动机燃烧过程稳定性的影响开展研究。
全文共分7章,主要围绕页岩气的预混火焰,页岩气发动机燃烧过程与循环变动的变化规律,以及发动机燃烧稳定性的改善措施等三个方面开展了研究。
采用定容燃烧弹试验与数值模拟相结合的方法,探讨了页岩气预混火焰传播过程的变化规律。
根据页岩气发动机台架试验的结果,分析了组分对发动机燃烧过程的影响,研究了燃烧特征参数的循环变动规律,探讨了循环变动的非线性动力学特征。
提出双火花塞点火和页岩气掺混HHO两种措施改善发动机的燃烧稳定性,通过试验研究的方法,分析了改善措施对页岩气发动机循环变动的影响,采用数值模拟的方法,探讨了缸内火焰传播过程的变化规律。
初始条件和惰性气体含量对页岩气预混火焰的传播过程存在影响。
采用定容燃烧弹试验系统,针对页岩气组分进行了配比,研究了页岩气预混火焰的传播速度,分析了火焰前锋面的稳定性,探讨了预混燃烧速度与火焰稳定性的关系;通过数值模拟的方法,分析了预混燃烧过程中物质浓度的变化规律,结合生成速率和敏感性分析的研究,探讨了页岩气中CH4的消耗过程,研究了绝热火焰温度对化学反应速率的影响。
研究表明,初始温度对化学反应速率的影响较小,H+OH基摩尔分数峰值增大,是造成预混燃烧速度变快的主要原因;当初始压力提高时,化学反应速率明显提高,导致H、O和OH基的浓度减小,火焰的传播速度变慢,火焰前锋面的稳定性下降;当量比为1.0时,预混火焰的传播速度最快,稀薄混合气对火焰传播速度的抑制作用强于浓混合气,随着当量比增加,火焰前锋面逐渐稳定;R1反应对CH4消耗速率的影响最大,CH3基是评价CH4消耗速率的重要自由基,随着CH4含量的增大,CH3基浓度降低,CH4的消耗速率下降,导致火焰的传播速度减小;惰性气体抑制绝热火焰温度,化学反应速率减小,火焰的传播速度降低,火焰前锋面的稳定性下降,CO2对预混燃烧速度的抑制作用明显强于N2。
预混火焰燃烧不稳定性及其主动控制
预混火焰燃烧不稳定性及其主动控制
在燃气轮机燃烧室中，采用预混燃烧可以降低燃烧室的温度和降低NOx的排放。
但是，预混燃烧容易导致燃烧不稳定。
有鉴于此，本文中对预混火焰的燃烧不稳定性及其主动控制技术进行了研究。
首先，完成了燃烧不稳定性主动控制的冷态实验研究。
研究表明：对于压力振动进行主动控制的方法是可行的，能够减小压力振动。
同时，主动控制可改变压力振动的特征频率。
其次，进行了声波扰动对锥形预混火焰的影响的理论分析和实验研究。
提出了声波扰动时预混火焰表面温度脉动的简化模型，根据简化模型，预混火焰表而的温度会以声波扰动的频率脉动。
实验结果表明，火焰对声波扰动的谐波、分谐波和高阶谐波响应并存。
进行了声波扰动对V形预混火焰锋面皱褶影响的理论分析和实验研究。
研究表明，V形预混火焰的锋面皱褶的频率与声波扰动的频率相同，其幅值与声波扰动的频率成反比。
进行了声波扰动对预混锥形火焰燃烧室的压力振动的影响的实验研究。
研究表明，声波扰动会使得燃烧室的压力出现与扰动声波频率一致的压力振动，且压力振动的幅度随着扰动幅度的增大而增大。
第三，对预混火焰的燃烧不稳定性进行了研究。
研究表明：燃烧不稳定性与燃料／空气当量比有很大的关系，压力振动的特征频率随着燃料／空气当量比的增大而减小，压力振动的频率随着燃烧室平均压力的增大而减小、与预混气流量的关系比较复杂。
第四，对一典型的燃烧不稳定进行了主动控制技术的实验研究。
实验结果表明，如果热释放率的波动与压力振动的相位一致时，会加大燃烧室的压力振动：如果热释放率的波动与压力振动的相位相反时，就会减小燃烧室的压力振动。
基于小波方法微重力预混V形火焰不稳定性分析
第１ ９卷 第 ｌ 期 ２０ ０２年 ３月
中 国 科 学 院 研 究 生 院 学 报
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第ｌ 期
程晓斌等 基于小波 方法般重 力预混 Ｖ彤 史焰不稳 定性 奇折
情况下很难准确捕捉到奇异点及其空间位置， 以至不能确定 图像边缘 小波方法根据噪声和信号的不同 性态， 将混杂在图像中的噪声分离， 通过小波变换模的极大值来捕捉图像 的奇异点， 它们的空间分布构成 图像边缘， 从而在信噪比较低的情况下准确地将 图像 的边缘信息提取出来．
是用肉眼观察和手Ｔ测量来获取图像信息， 这使获得的数据不能精确反应图像 内容， 信息量少． 由于分析 于段有限， 提取连续 的动态图像信息则更加困难． 近年来随着计算机技术的发展， 图像处理技术也取得了
长足进步． 图像边缘检测 已经发展了一些基于线性的方法． 图像的边缘是由图像中的奇异点连接而成的， 线性方法对于清晰的图像边缘， 即信噪比较高时可以进行有效 的检测， 而分析火焰这种边缘比较模糊 的 图像， 即信噪 比较低时则显得很困难． 小波方法的 自适应特性使其具有在信噪比较低 的情况下分析非线 性信号的功能 ｌ并可以确定不同阶次的奇异点的分布． 。 这些奇异点的分布构成 了图像边缘． 本文将小 渡方法融合到图像处理技术中， 并首次运用该技术处理微重力燃烧 实验的图像数据， 达到 了准确检测火
连续 动态 图像研 究火 焰的特性 成 为可 能．
究火焰 结构和 不稳定 性 的 目标． 关键 词 小波分 析， 重力， 徽 图像 处理 ， Ｖ形 火焰
预混燃烧室热声不稳定性的数值分析
预混燃烧室热声不稳定性的数值分析基于现代燃烧理论，以及计算流体力学、多相流动和计算机仿真等多种方法来对燃烧器的气固流场进行精确描述。
但是实际的燃烧过程并非如此简单明了。
例如，为改善燃烧性能而采取加强燃料与氧化剂之间反应激烈程度的措施后，会产生极其复杂的燃烧气流流场；或者通过减小预混比提高烟气速度，虽然可有效地降低烟气温度从而降低火焰温度，但却使噪声问题变得更严重，且影响喷雾粒子的运动轨迹。
这些因素都需要建立相应的模型才能获得完整准确的结果。
因此，开展多相流体力学与计算机技术相结合的试验研究成为必须。
关键词：预混燃烧室热声不稳定性的数值分析摘要：本文研究了新型预混燃烧技术——预混火焰燃烧室在高温火焰辐射噪声上存在的问题及解决办法。
首先阐述了几种常用的几何外形的燃烧室形状，以及影响它们的主要因素。
最后提出了一个预混火焰燃烧室模型，并采用计算流体力学和计算机仿真两种手段对该模型进行了数值模拟，说明模型的有效性。
模型预测出燃烧区域的中心温度可达到3500℃左右，但由于所考虑的面积仅为整个燃烧室的10%～20%，实际上的辐射温度将远大于此值。
另外，热声系统包括喷口部位的空气流场以及噪声源、喷管、风扇叶片、加热丝等组件。
空气流场产生的气动噪声已经广泛引起人们的注意。
如果把燃烧器喷嘴处的气流按燃烧区内气流一样进行理想计算，就无法得知流场产生的噪声。
即便如此，依据相同的数据，也还难以分辨噪声源和加热丝的差异。
因此，在本文中引入了一个新的概念：噪声源，作为预混火焰燃烧室各组件的参数，从而给出了两个加热丝、四根加热棒以及喷嘴附近一小块加热棒在同一工况下的数值仿真结果。
这样做不仅可以给出加热丝的功率密度随尺寸变化的规律，而且可以清楚地看到哪些部件属于不希望有噪声产生的环节，给未来设计带来启示。
随着我国航空、航天事业的发展，航空发动机的推力越来越大，尾气排放指标也日益苛刻，诸如环境污染和噪声问题正成为限制航空发动机发展的瓶颈。
过滤燃烧火焰锋面不稳定性的实验研究
过滤燃烧火焰锋面不稳定性的实验研究薛治家;于庆波;刘慧;史俊瑞【摘要】实验研究甲烷/空气预混气体在多孔介质燃烧器中燃烧的火焰锋面不稳定特性.结果表明,给定一个初始非均匀预热区域,在当量比为0.41,流速为0.42 m/s时,在6mm的小球填充床内,火焰锋面由较为规则的对称火焰逐渐演变为倾斜火焰,并最终分裂为上下两个区域.在布置填充床的同时,对填充床进行夯实,降低孔隙率分布不均匀性.在孔隙率均匀的填充床内,初始的非均匀预热区域,使得火焰的传播极其不稳定,最终导致熄火;即使给定初始均匀的预热区域,火焰锋面依然具有一定的不对称性.填充床的结构不均性是过滤燃烧火焰锋面倾斜的主要原因,而初始的不均匀因素将加剧火焰传播的不稳定性.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(034)009【总页数】4页(P1273-1276)【关键词】多孔介质;过滤燃烧;火焰传播;不稳定;实验研究【作者】薛治家;于庆波;刘慧;史俊瑞【作者单位】东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110819;沈阳工程学院能源与动力工程学院,辽宁沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】TN914.3低速过滤燃烧具有独特的优势，但作为一种带化学反应的流体流动，势必具有非稳定特征，目前已被广泛研究［1－2］.国内外研究者先后在实验中观测到低速过滤燃烧非稳定现象:火焰前沿破裂(break)、倾斜(inclination)、热斑(hot spot)、胞室(cellular structure)和双波等非稳定结构，并主要表现为倾斜和热斑两种非稳定现象.火焰面倾斜是指燃烧波锋面相对于燃烧波传播的法向发生倾斜，且其倾斜度可能随着波的传播持续加剧.20世纪90 年代，Minaev 等［3］在多孔介质燃烧器中观测到了火焰锋面倾斜，并通过理论分析证明，燃烧器直径越小，倾斜越不明显；火焰向上游传播是稳定的，向下游传播是不稳定的.火焰面倾斜的出现和加剧导致燃烧不完全、燃烧温度下降，最终可能熄火，严重阻碍了过滤燃烧技术在工业中的广泛应用，是迫切需要解决的问题.火焰倾斜可能是系统受到扰动后结构重组的结果，Kakutkina［4］总结了过滤燃烧两种主要的不稳定现象，即燃烧波锋面倾斜和热斑，采用简化的热模型［4］、动力学模型［3］和流动竞争法［5］研究了火焰倾斜的稳定性；同时在实验中观测了倾斜的演化规律，但他们对倾斜和热斑的动态形成过程，以及倾斜传播的定量分析，依然没有给予关注.美国Kennedy 研究组对过滤燃烧的非稳定性进行了大量的研究工作［5－6］.文献［5，7］对火焰倾斜研究取得了一些进展，他们应用流动竞争法(method of flow competition)分析扰动的动态特性.Dobrego等［8］的实验和理论研究表明，倾斜幅度的增长速度与燃烧波的传播速度成正比.Dobrego 等［9］在随后的研究中，通过实验和二维数值模拟，证实了扰动热力竞争的倾向，而倾斜经过初始形成阶段、线性增长阶段和扰动补偿阶段.Fursenko 等［10］在实验中发现过滤燃烧火焰向下游传播过程中发生分裂. 由于多孔介质结构的随机性和复杂性，数值计算很难符合实际情况，因此需要通过大量的实验研究进行分析及验证.基于以上分析，本文设计和制作了可以研究多孔介质中燃烧波和热波传播规律的实验台，用于研究燃烧波传播过程中的非稳定现象.实验通过改变初始条件，观测并分析由此带来的火焰传播不稳定现象，从而探索外部因素对过滤燃烧的影响.1 实验系统过滤燃烧实验台如图1 所示，实验采用甲烷/空气预混燃烧，其中甲烷纯度99.999%；温度采用NI 温度采集系统；烟气分析采用Testo350.图2 为燃烧器所用氧化铝小球及泡沫陶瓷.图3 为燃烧器布置示意图，它采用耐高温透明石英玻璃管.实验中燃烧器的结构布置有三种方法:1)初始条件1 如图3 左侧图所示，预热区域具有初始倾斜，燃烧区域布置过程中小球自由堆积；2)初始条件2 与初始条件1 不同的是，燃烧区域布置过程中小球自由堆积的同时进行夯实；3)初始条件3 如图3 右侧图所示，预热区域不具有初始倾斜，燃烧区域布置过程中小球自由堆积.实验观测内容:火焰形态及传播过程中不稳定情况；燃烧器出口及管壁温度等的变化；烟气成分.图1 实验装置示意图Fig.1 Experiment device diagram图2 耐高温氧化铝小球及泡沫陶瓷Fig.2 Alumina ball and ceramic foam图3 初始倾斜，无初始倾斜燃烧器(单位：mm)Fig.3 Initial inclination and no initial inclination burner (unit：mm)2 实验结果及分析2.1 实验方法实验初始阶段在预热区域布置小球并进行预热，预热完成后在燃烧区域布置小球，计时拍摄.1)预热工况:预混当量比0.79，甲烷和空气流量0.12 和1.44 m3/h，预热15 min；2)实验工况:预混当量比为0.41，甲烷和空气流量分别为0.18 和4.2 m3/h.2.2 实验结果及分析1)燃烧器布置初始倾斜，小球自由堆积.在本组实验中，如图4 所示，在180 s，高温火焰近似对称分布，由于多孔介质的导热和辐射作用以及燃烧器壁面的热损失，燃烧器高温区上下锋面呈现抛物线分布.火焰向下游传播的过程中，火焰亮度逐渐降低，火焰的形态也发生了很大的变化.图4 初始条件1 火焰形态变化图(当量比0.41，流速0.42 m/s)Fig.4 Flame propagation diagram of initial conditions 1(equivalence ratio 0.41，velocity 0.42 m/s)如图5 所示，在火焰到达燃烧器中部540 s 时开始出现明显倾斜，火焰整体类似于S 形，其中头部火焰较亮，而尾部火焰较暗.当燃烧波传播到720 s 以后，火焰发生了很大的形变，即高温区域不再对称，在1 080 s 时火焰高温区分裂成上下2个区域，较高位置的火焰紧贴右侧管壁，而较低位置的火焰倾斜.2 340 s 时火焰传播到燃烧器出口，其主体火焰仍在多孔填充床内，燃烧器出口出现很多蓝色小火苗，而填充床中还有黄色高温区，这说明至少存在两个高温区.图5 540，1 080 和2 340 s 时刻的火焰图Fig.5 Flame appearance in 540，1 080 and 2 340 seconds以上分析表明，给定初始的倾斜高温区，火焰初期的形态近似对称分布，随着火焰下游传播，火焰发生了很大的形变，说明初始的扰动对火焰的发展有很大的影响. 2)燃烧器布置带初始倾斜，小球夯实堆积.如图6 所示，在180 s 时，火焰近似对称分布，随后火焰不断偏向燃烧器右侧，且火焰亮度不断降低，高温区域不断减小.在900 s 时，火焰面传播到燃烧器中部130 mm 处，火焰高温区形状不规则状态开始加剧，随后火焰高温区逐渐聚集到右侧管壁.在1 260 s 时，火焰面传播到燃烧器中上部180 mm 处，之后火焰高温区缩小并停留在一侧管壁，最终熄火.这是由于对填充床进行了夯实，燃烧器内孔隙率分布较为均匀，相对较大的孔隙区域较少，而且燃烧器壁面的热损失较大，因此未能传到燃烧器出口.而在初始条件1 中，火焰传播到了燃烧器出口，这是由于燃烧器内的小球未夯实，因此填充床内局部孔隙率较大.实验初始条件1和初始条件2 的实验结果与Zheng 等［11］数值模拟结果相似，即初始的火焰倾斜状态将加剧火焰向下游传播过程中的不稳定状态.图6 初始条件2 火焰形态变化图(当量比0.41，流速0.42 m/s)Fig.6 Flame propagation diagram of initial conditions 2(equivalence ratio 0.41，velocity 0.42 m/s)3)燃烧器布置无初始倾斜，小球自由堆积.如图7 所示，火焰传播过程中，火焰锋面较为平稳、对称.本实验通过红外测温仪得到高温火焰区域的燃烧器外壁温度随时间变化的趋势.如图8所示，每个温度点是由同一时间及空间位置测量三次求平均值获得，高温区域的壁面温度变化不大.当火焰达到燃烧器出口时，高温区燃烧器壁面温度急剧下降.如图9 所示，从实验开始到480 s时间内燃烧器出口烟气温度近似呈现线性上升趋势，出口烟气温度呈现近似线性上升趋势.图7 初始条件3 火焰形态变化图(当量比0.41，流速0.42 m/s)Fig.7 Flame propagation diagram of initial conditions 3(equivalence ratio 0.41，velocity 0.42 m/s)图8 火焰中心处管壁温度Fig.8 Tube wall temperature in flame centre图9 燃烧器出口烟气温度Fig.9 Gas temperature in the outlet of burner烟气成分测定采用电子烟气分析仪Testo350，测得结果如表1 所示.可以看出，O2，CO，CO2和NOx的排放变化不大.CO 的排放浓度较为均匀，说明燃烧比较稳定，与图7 中的火焰传播形态吻合.表1 燃烧器出口干烟气成分(当量比0.41，流速0.42 m/s)Table 1 Gas component in the outlet of burner(equivalence ratio 0.41，velocity 0.42m/s)3 结论1)给定火焰锋面一个初始倾斜角度，火焰向下游传播过程中，锋面形态极其不稳定，不稳定情况随着向下游的传播而加剧，在实验中火焰面分裂为2 个高温区域.而无初始倾斜角度时，火焰传播较为稳定，火焰形态较为规则.2)当将填充床夯实后，床内小球孔隙率分布较为均匀，由于初始的倾斜火焰状态，使得火焰传播同样也不稳定，并最终导致熄火，说明填充床的结构不均匀性是多孔介质燃烧器火焰传播不稳定性一个重要因素.参考文献：【相关文献】［1］Wood S，Harris A T.Porous burners for lean-burn applications［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2008，34(5):667－684.［2］Mujeebu M A，Abdullah M Z，Bakar M Z，et al.Applications of porous media combustion technology［J］.Energy，2009，86(9):1365－1375.［3］Minaev S S，Potytnyakov S I，Babkin V bustion wave instability in the filtration combustion of gases［J］.Combustion Explosion and Shock Waves，1994，30(3):306－310.［4］Kakutkina N A.Some stability aspects of gas combustion in porous media［J］.Combustion Explosion and 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摘
要： 采用高速纹影 系统和定容燃烧弹对预混球形 膨胀火焰 的胞状 不稳定 性进行研 究 ， 分析火 焰胞状不 稳
定性 的表现 、 原 因以及影 响因素。研究 结果表明 ： 火焰胞状 不稳定性 主要 指不等扩散不稳定 和流体力 学不稳定 ； 流 体力学不稳定 的原 因为 ， 曲率 的关 系会使其 流线发散或汇聚 ， 因而相应地 降低 或增 加了流场 的速度 ， 其 主要影 响因 素为火焰厚度 和密度 比 ， 表现为火焰前锋 面产生 裂纹 随后 出现规则 的胞 ； 不等扩散 不稳定 的原 因为前锋 面包络 的 控制体 由于热质不 等扩散的缘故 ， 主要影 响因素为刘 易斯数 ， 表现为火焰表 面布满不规则 的胞 。 关键词 ： 定容燃烧弹 ； 胞 状不稳定性 ； 流体力 学不 稳定 ； 不等扩散不稳定
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｆ ０ ５ ５ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３—１ ５ ９ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） Ｏ １ — ０ ０ ７ ９— ０ ５
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ３—１ ５ ９ Ｘ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． ０ １ ９
第３ ３卷第 １期
Ｖｏ １ ． ３ ３， Ｎｏ ．１
西 华 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｘｉ ｈ ｕ ａ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ・ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ
２ ０ １ ４年 １ 月
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ａ ｒ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｏ ｕ ｔ ｗａ ｒ ｄ ｌ ｙ ｐ ｒ ｏ ｐ ａ ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｅ ｍｉ ｘ ｅ ｄ ｌａ ｆ ｍｅ ｗ ａ ｓ ｅ ａ ￣ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｖ ｏ ｌ ｕ ｍｅ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｏ ｍｂ ｗｉ ｔ ｈ ｓ ｃ ｈ ｌ ｉ ｅ ｒ ｅ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｃ ａ ｍｅ ｒ ａ ａ ｎ ｄ ｄ ａ ｔ ａ ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ．Ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ，ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｉ ｌｕ ｆ ｎ — ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｏ ｆ ｌ ｆ ａ ｍｅ ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ａ ｒ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ｗ ａ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ａ ｒ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ｍａ ｉ ｎ ｌ ｙ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅ ｄ ｕ ｎ ｅ ｑ ｕ ａ ｌ ｄ ｉ ｆ ｆ ｕ — ｓ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ．Ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｗ ａ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｍ ｌ ｉ ｎ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｏ ｒ ｄ ｉ ｖ ｅ ｒ ｇ ｅ ｄ ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｃ ｕ ｒ ｖ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ，Ｓ Ｏ ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ｏ ｗ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｏ ｒ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ａ ｍｅ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｏ ｆ ｂ ｕ ｒ ｎ ｅ ｄ ｔ ｏ ｕ ｎ ｂ ｕ ｎｅ ｒ ｄ ｚ ｏ ｎ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｌ ｆ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｏ ｆ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ．Ｔ ｈ ｅ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｓ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｇ ｕ ｌ ａ ｒ ｄ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ａ ｍｅ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｗａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｉ ｎ
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