劉澤宇，張弛，韓嘯，林宇震,

1. 北京航空航天大學(xué) 中法工程師學(xué)院，北京 100083 2. 北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 航空發(fā)動機(jī)氣動熱力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083 3. 北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100083

中心分級貧油預(yù)混燃燒是航空低排放燃燒技術(shù)的主要方式，可以滿足未來民航發(fā)動機(jī)越來越嚴(yán)格的低排放要求。然而，貧油預(yù)混燃燒不穩(wěn)定性問題突出。在中心分級的貧油預(yù)混燃燒中，壓力脈動和釋熱率脈動之間相互耦合，會促進(jìn)壓力脈動幅值的增加，從而引起高強(qiáng)度的燃燒不穩(wěn)定[1]，這對先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的發(fā)展是個(gè)極大挑戰(zhàn)[2-3]。

中心分級貧油預(yù)混燃燒，從火焰的角度來看，是同心的兩類不同性質(zhì)燃料空氣混合物產(chǎn)生的在同一個(gè)受限空間內(nèi)的兩層火焰，稱之為同心分層火焰，簡稱分層火焰。具有工程應(yīng)用價(jià)值的頭部，利用級間段的設(shè)計(jì)將火焰分隔開，改變了流場特性，產(chǎn)生臺階回流區(qū)(Lip Recirculation Zone, LRZ)，稱之為分開的分層火焰。實(shí)際工程頭部，采用液體燃料燃燒，因此從火焰分類的角度，中心分級貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒的火焰可稱為分開分層旋流液霧火焰(Separated Stratified Swirl Spray Flame, 4S Flame)。典型的如GE發(fā)展的TAPS (Twin Annular Premixing Swirled burner)[4-7]，北京航空航天大學(xué)發(fā)展的TeLESS (Technology of Low Emissions with Stirred Swirls)[8-16]。

對于火焰結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，主要看上述4個(gè)S的組合。最簡單的是單層氣體燃料預(yù)混旋流火焰，即一個(gè)S(Swirl Flame)，單層預(yù)混旋流火焰同樣展示了復(fù)雜的火焰動力學(xué)特征。例如，美國賓州州立大學(xué)Huang和Yang[17]，通過改變?nèi)紵胰肟跍囟群彤?dāng)量比，研究貧油預(yù)混單層旋流火焰從穩(wěn)定到不穩(wěn)定的變化過程，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)燃燒室入口溫度上升會導(dǎo)致自激振蕩突然增強(qiáng)。該研究雖然針對單層旋流火焰，但其中分析的火焰在角渦回流區(qū)的運(yùn)動特征，有助于加深對分層旋流火焰中主燃級火焰靠近角渦區(qū)運(yùn)動的理解。

更進(jìn)一步，Hochgreb團(tuán)隊(duì)針對同心分層的預(yù)混旋流燃燒開展了一系列研究[18-23]。同心分層氣體燃料旋流火焰，兩股旋流中間的物理分隔是一個(gè)厚度僅為0.9 mm的圓環(huán)，基本可以認(rèn)為這兩層旋流在燃燒器出口就會發(fā)生相互作用，另外在中心設(shè)置了一個(gè)圓柱體，這個(gè)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的火焰可稱之為2S火焰(Stratified Swirl Flame)，重點(diǎn)討論的是分層的影響。Hochgreb團(tuán)隊(duì)的Kim和Hochgreb[18]在分層貧油預(yù)混火焰對聲擾動的非線性釋熱響應(yīng)的研究中觀察到：總當(dāng)量比φg=0.6時(shí)，分層比的改變會影響火焰對上游擾動的敏感性和火焰結(jié)構(gòu)，從而改變火焰受上游擾動的影響，在特定條件下揭示了燃燒不穩(wěn)定性機(jī)制。同屬Hochgreb團(tuán)隊(duì)的Chong等[23]基于分層旋流預(yù)混燃燒室，通過改變主、預(yù)燃級當(dāng)量比，實(shí)驗(yàn)研究了混合物分層對預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)以及排放的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：固定總當(dāng)量比和分層比，主預(yù)燃級流量對火焰結(jié)構(gòu)、火焰釋熱率以及排放有顯著影響，預(yù)燃級流量增大導(dǎo)致主反應(yīng)區(qū)增大，從而增大火焰強(qiáng)度，火焰釋熱也得到增強(qiáng)。但該研究著重于排放測量，雖然拍攝了火焰結(jié)構(gòu)，但沒有深入分析。

針對分開分層旋流液霧火焰，即4S Flame，主要是密歇根大學(xué)Driscoll團(tuán)隊(duì)和北京航空航天大學(xué)林宇震團(tuán)隊(duì)開展了相關(guān)研究。Driscoll團(tuán)隊(duì)的工作主要是圍繞著TAPS燃燒室的冷熱態(tài)流場、燃燒場以及低頻振蕩特性展開研究[4, 7, 24]。北航林宇震團(tuán)隊(duì)對4S Flame所做的主要工作是在高溫高壓條件下的燃燒不穩(wěn)定性研究[8-15]。

密歇根大學(xué)Driscoll團(tuán)隊(duì)的Dhanuka等[4]以航空煤油為燃料，利用TAPS燃燒室以主燃級預(yù)混、預(yù)燃級擴(kuò)散燃燒的模式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)主預(yù)燃級油流量比值超過一個(gè)臨界值，就會發(fā)生不穩(wěn)定；用PIV (Particle Image Velocimetry) 測速度場，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)兩個(gè)回流區(qū)：臺階回流區(qū)和中心回流區(qū)(Principal Recirculation Zone,PRZ)，前者有助于主燃級穩(wěn)火；主預(yù)燃級火焰之間剪切層的軸向速度梯度越小，火焰越容易受到渦脫落影響而變得不穩(wěn)定；角渦區(qū)的周期性回火驅(qū)動了低頻的燃燒不穩(wěn)定。這與文獻(xiàn)[17]中的結(jié)論相似。另外，Temme等[24]在另外一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，火焰根部周期性的抬舉和回火與燃燒不穩(wěn)定的出現(xiàn)密切相關(guān)。

北京航空航天大學(xué)林宇震團(tuán)隊(duì)的湯冠瓊等[10]針對液體燃料的分開分層旋流燃燒室進(jìn)行了當(dāng)量比對火焰燃燒不穩(wěn)定性影響的研究，其中發(fā)現(xiàn)：總當(dāng)量比在一定范圍內(nèi)，壓力脈動隨當(dāng)量比的增大而增大。秦皓等[11]在高溫高壓下實(shí)驗(yàn)研究了燃油分級比對分開分層旋流燃燒室壓力振蕩頻率的影響，發(fā)現(xiàn)燃油分級比引起火焰區(qū)域的起始位置、軸向長度和平均溫度的變化是導(dǎo)致壓力振蕩頻率變化的主要原因。秦皓等[15]在另外一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外激與燃燒室內(nèi)流動固有特征耦合時(shí)，會導(dǎo)致周期性流動的預(yù)燃級流場流速振蕩幅值急劇增大。韓嘯等[16]針對分開分層旋流燃燒室，研究了燃燒室上游擴(kuò)壓器對熱聲耦合引起的自激振蕩的影響，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)壓器可以改變系統(tǒng)的共振頻率，從而避免火焰與燃燒室聲學(xué)固有特征的耦合，有助于穩(wěn)定燃燒系統(tǒng)。

總之，對于工程實(shí)用的4S Flame，主要特征是分開的旋流以及液霧燃燒，由于其燃燒現(xiàn)象十分復(fù)雜，目前的研究還限于宏觀，對分開分層火焰的結(jié)構(gòu)認(rèn)識尚不到位。因此，為了充分地認(rèn)識分開的影響，以及液霧的影響，本文考慮了一個(gè)居中的研究，即先考慮分開的影響，這個(gè)居中的研究是3S Flame(Separated Stratified Swirl Flame)，下一步再考慮液霧的影響。

綜合BASIS燃燒器 (Beihang Axial Swirler Independently-Stratified burner)的設(shè)計(jì)特征、CFD結(jié)果以及Driscoll團(tuán)隊(duì)的研究成果，3S Flame基本的物理圖畫是：主、預(yù)燃級之間存在一個(gè)臺階，會產(chǎn)生臺階回流區(qū)，能夠?qū)蓪踊鹧婷黠@分隔開。分隔開的兩層火焰，由于流速不同會形成剪切層(Shear Layer)；燃燒器頭部出口的位置，由于流通面積的突然擴(kuò)張，主燃級氣流會在角落形成角渦回流區(qū)(Corner Recirculation Zone,CRZ)；在主、預(yù)燃級之間的臺階處會形成臺階回流區(qū)，在預(yù)燃級下游會形成主回流區(qū)[25]，如圖1所示，在A～D點(diǎn)出現(xiàn)4個(gè)穩(wěn)火點(diǎn)。之前的一些研究發(fā)現(xiàn)剪切層和回流區(qū)對穩(wěn)火起到重要作用[18, 22]。

盡管是3S Flame，隔離段所產(chǎn)生的旋渦對兩層火焰的影響預(yù)期也會很復(fù)雜，因此作為3S Flame的第一步研究，先在常溫常壓條件下進(jìn)行，主燃級和預(yù)燃級使用純預(yù)混的甲烷/空氣，固定總當(dāng)量比，改變分層比，觀察火焰時(shí)均結(jié)構(gòu)，測試燃燒壓力脈動和釋熱脈動特性，對3S Flame建立初步的認(rèn)識。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

本文在常溫常壓下，以甲烷為燃料，開展對分開分層旋流預(yù)混火焰的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中通過控制空氣、燃料的流量來改變分層比，并且利用動態(tài)壓力傳感器、相機(jī)、光電倍增管等設(shè)備獲取火焰信息，從而研究火焰宏觀結(jié)構(gòu)與壓力脈動特性。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

研究采用實(shí)驗(yàn)室級別的單頭部分層旋流燃燒器 (BASIS burner)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括燃燒室、空氣路、甲烷路和動態(tài)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體示意圖如圖2所示。

(1)

燃燒室主要由外環(huán)主燃級和內(nèi)環(huán)預(yù)燃級兩個(gè)同心環(huán)腔、中心體以及石英玻璃筒組成。

內(nèi)環(huán)預(yù)燃級環(huán)腔使用8葉片、環(huán)向角度為40°、軸向長度為11 mm的旋流器，外環(huán)主燃級環(huán)腔使用20個(gè)葉片、環(huán)向角度為30°、軸向長度為14 mm的旋流器，兩個(gè)旋流器旋向相同，從下游向上游方向看為順時(shí)針，旋流器下游端面與燃燒室入口平面相距30 mm。預(yù)燃級環(huán)腔外徑為24 mm，內(nèi)徑為14 mm。主燃級環(huán)腔外徑為61 mm，內(nèi)徑為44 mm，如圖3所示。石英玻璃筒內(nèi)徑為Dc=140 mm，本實(shí)驗(yàn)中使用Lc=800 mm長玻璃筒作為火焰限制和觀察區(qū)域。

動態(tài)采集系統(tǒng)包括動態(tài)壓力傳感器(PCB-112A22，分辨率為0.007 kPa)、光電倍增管(PMT,濱松H9306-1, 量程為185～750 nm)、Nikon D300相機(jī)。在燃燒室入口平面下游50 mm處的石英管側(cè)壁安裝一個(gè)動態(tài)壓力傳感器，用來測量燃燒室內(nèi)的壓力脈動；配備CH*濾鏡的光電倍增管，通過測量火焰整體CH*發(fā)光信號獲得火焰釋熱率[26-28]。以上兩種測量儀器的輸出信號由NI9215采集模塊(精度為0.02%)進(jìn)行采集并存入電腦。使用配備波長范圍為(430±5) nm的CH*濾鏡的Nikon D300對火焰CH*化學(xué)發(fā)光信號進(jìn)行拍攝，獲得三維旋流火焰在攝像機(jī)方向上的積分投影。每幅圖像曝光時(shí)間足夠長，本文中取為1 s，按照測量得到的火焰動態(tài)頻率，每幅火焰圖像相當(dāng)于200個(gè)周期的火焰振蕩圖像的平均，以該圖像作為火焰宏觀結(jié)構(gòu)，圖像分辨率為1 201×901。動態(tài)采集系統(tǒng)使用NI9402模塊作為觸發(fā)器，以保證動態(tài)壓力傳感器、PMT和Nikon相機(jī)的同步采集。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

分層比(Stratification Ratio, SR)定義為：預(yù)燃級當(dāng)量比φi和主燃級當(dāng)量比φo的比值，即:

SR=φi/φo

實(shí)驗(yàn)中空氣總流量為28 g/s，其中主燃級為24.9 g/s，預(yù)燃級為3.1 g/s?？偖?dāng)量比為0.6，分層比以0.25為間隔從3.00取到0，其中分層比為1.00的工況為基準(zhǔn)工況，該工況下主燃級和預(yù)燃級當(dāng)量比相同，在燃燒室入口處當(dāng)量比梯度為零。實(shí)驗(yàn)中，燃燒室入口條件為室溫310 K、常壓，燃燒室出口與大氣連通，也是室溫310 K、常壓。為了確定風(fēng)機(jī)等外界條件產(chǎn)生的背景噪聲，實(shí)驗(yàn)首先利用主燃級旋流器上游36 mm位置處的PCB動態(tài)壓力傳感器在冷態(tài)條件下測量了空氣壓力脈動p′，用平均壓力pmean即大氣壓101 325 Pa歸一化后，其脈動幅值最大為0.001，相對于實(shí)驗(yàn)振蕩壓力可以忽略不計(jì)，測量結(jié)果如圖4所示(圖中橫坐標(biāo)f為頻率)。因此可以忽略風(fēng)機(jī)等外界條件造成的背景噪聲。

表1 分開分層旋流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)工況(φg=0.6)Table 1 Experimental conditions for separated stratified premixed swirl flames (φg=0.6)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓力脈動和釋熱脈動

在總當(dāng)量比為0.6，分層比0～3.00范圍內(nèi)，隨著分層比變化，自激幅值產(chǎn)生了強(qiáng)烈的非線性?；鹧孀约ふ袷帍?qiáng)度受預(yù)燃級當(dāng)量比φi的明顯影響，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，分層比在2.00～3.00范圍內(nèi)，φi超過1，屬于富燃，隨著分層比降低，φi減小，自激振蕩強(qiáng)度呈鋸齒狀下降；另外可以發(fā)現(xiàn)，分層比為2.00時(shí)，φi=1.08，近乎化學(xué)當(dāng)量條件，火焰振蕩最弱為0.017 kPa。分層比為1.75，φi=0.97，剛好低于1，火焰自激振蕩壓力脈動增大至0.14 kPa。分層比在1.00～1.50范圍內(nèi)，主預(yù)燃級當(dāng)量比都在可燃范圍內(nèi)，隨著分層比降低，壓力脈動從0.018 kPa到0.079 kPa呈線性增大。分層比為0.75，φi處在甲烷可燃極限的臨界點(diǎn)，自激振蕩強(qiáng)度陡然增大到0.276 kPa。分層比為0～0.50時(shí)，φi超過可燃極限，自激振蕩出現(xiàn)兩個(gè)振蕩頻率，并且新出現(xiàn)的二階振蕩頻率的振蕩幅值更大。

燃燒出現(xiàn)周期性自激振蕩的壓力脈動隨時(shí)間t的變化如圖6所示，其中入口條件為：溫度T=310 K, 壓力p=101 325 Pa, 總當(dāng)量比為0.6, 分層比為1.75。經(jīng)過對自激振蕩數(shù)據(jù)的傅里葉變換處理，得到一系列工況對應(yīng)的自激振蕩頻率。從中發(fā)現(xiàn)，同一當(dāng)量比工況下，分層比對自激振蕩頻率影響不明顯，如圖7所示。但當(dāng)分層比降低到0.5時(shí)，自激振蕩出現(xiàn)了兩個(gè)頻率，其中新出現(xiàn)的高頻對應(yīng)的自激振蕩幅值更大，可以從圖5中分層比為0～0.50工況對應(yīng)的壓力脈動幅值看出。

在火焰自激振蕩過程中，利用PMT測得火焰的釋熱脈動Q′。選取當(dāng)量比為0.6工況下的釋熱脈動，用釋熱平均值Qmean進(jìn)行歸一化處理，與該工況下燃燒室內(nèi)歸一化壓力脈動p′/pmean進(jìn)行比較，如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，壓力脈動與釋熱脈動變化趨勢相同，驗(yàn)證了燃燒不穩(wěn)定的閉環(huán)反饋機(jī)制：湍流速度脈動導(dǎo)致釋熱脈動，激發(fā)出壓力脈動(即聲波)，燃燒室內(nèi)的壓力脈動進(jìn)一步導(dǎo)致來流速度脈動，從而形成閉環(huán)反饋。在系統(tǒng)聲學(xué)耦合作用下，壓力脈動幅值迅速增加，達(dá)到極限環(huán)狀態(tài)，最終呈現(xiàn)出振蕩燃燒現(xiàn)象[25]。

2.2 火焰結(jié)構(gòu)

在上述參數(shù)下，記錄了火焰宏觀結(jié)構(gòu)。圖9是用Nikon D300配備CH*濾鏡拍攝的火焰圖像，工況為：總當(dāng)量比為0.6，分層比為0～3.00。每幅圖左側(cè)標(biāo)注了對應(yīng)工況下預(yù)燃級當(dāng)量比和主燃級當(dāng)量比，當(dāng)量比超出甲烷可燃極限φ∈(0.501 8， 1.325)的工況用虛線框標(biāo)注。從圖中可以明顯看出火焰釋熱中心位置的變化：分層比為3.00時(shí)，主預(yù)燃級當(dāng)量比都超過可燃極限，主燃級火焰脫體，預(yù)燃級富燃，因此火焰釋熱中心集中于預(yù)燃級噴嘴下游，如圖9(a)所示。分層比在2.75～1.75范圍內(nèi)時(shí)，隨著分層比降低，火焰釋熱中心從預(yù)燃級噴嘴下游逐漸向上游移動，在此過程中預(yù)燃級富燃，并且主預(yù)燃級當(dāng)量比都在可燃極限范圍內(nèi)，如圖9(b)～圖9(f)所示。分層比在1.50～1.00范圍內(nèi)，燃料主要集中在主燃級下游，因此火焰釋熱中心也從預(yù)燃級下游逐步轉(zhuǎn)移到主燃級下游，如圖9(g)～圖9(i)所示。隨著分層比繼續(xù)降低至0.50，預(yù)燃級的當(dāng)量比小于0.5，低于甲烷可燃邊界，預(yù)燃級的火焰消失，主燃級的火焰呈現(xiàn)突變式的脫體狀態(tài)，釋熱中心沿著火焰張角向下游靠近石英管壁面移動，并且釋熱面積在石英管壁面附近逐漸擴(kuò)大，如圖9(j)～圖9(m)所示。

隨著分層比的減小，燃燒室內(nèi)的穩(wěn)火點(diǎn)也會發(fā)生變化，并且出現(xiàn)角渦區(qū)回火。本文中穩(wěn)火點(diǎn)是指在燃燒室頭部出口的區(qū)域能夠防止火焰被吹熄的火焰附著點(diǎn)。

火焰脫體現(xiàn)象持續(xù)至分層比降到0的工況，火焰脫體前后的壓力脈動情況通過圖10中傅里葉變換可以明顯看到。分層比為3.00～1.00工況范圍內(nèi)，火焰自激振蕩只有一個(gè)振蕩頻率，在206 Hz附近，如圖10(a)～圖10(i)所示；但當(dāng)分層比降至0.75時(shí)，預(yù)燃級當(dāng)量比處于可燃邊界[29]，角渦區(qū)發(fā)生明顯回火，此時(shí)火焰自激振蕩出現(xiàn)290 Hz左右的二階振蕩頻率，并且一階振蕩頻率在190 Hz左右，如圖10(j)所示。隨著分層比繼續(xù)降低，在0.50～0范圍內(nèi)，火焰脫體，同時(shí)新出現(xiàn)的二階自激振蕩頻率，其振蕩幅值更大，如圖10(k)～圖10(m)所示。

圖11是對應(yīng)的經(jīng)過處理得到的圖像，其中每幅圖左側(cè)為火焰CH*化學(xué)發(fā)光信號灰度圖，右側(cè)為對應(yīng)工況下經(jīng)Abel逆變換處理的火焰中心截面結(jié)構(gòu)。由于CH*化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度可用于表示火焰釋熱率[26]，因此，在經(jīng)過Abel逆變換處理過的圖像中，認(rèn)為明亮區(qū)域?yàn)獒専嶂行膮^(qū)域。在總當(dāng)量比為0.6，分層比為3.00的工況下，如圖11(a)所示，火焰釋熱中心在噴嘴出口下游，只存在一個(gè)穩(wěn)火點(diǎn)，位于中心體下游。分層比從2.75降到1.25，火焰釋熱中心位置逐漸靠近噴嘴出口，并且穩(wěn)火點(diǎn)增加到4個(gè)，如圖11(b)～圖11(h)所示。其中，圖11(c)～圖11(d)臺階回流區(qū)著火。SR從2.00變化至1.25時(shí)，如圖11(e)～圖11(h)所示，火焰釋熱中心靠近燃燒室入口，存在明顯的臺階回流區(qū)將主預(yù)燃級火焰分隔開，并且火焰有4個(gè)附著點(diǎn)：主燃級火焰附著在主燃級通道出口外沿和內(nèi)沿，這是因?yàn)榕_階回流區(qū)有減緩主燃級流體速度的作用，從而穩(wěn)定主燃級火焰；預(yù)燃級火焰分別附著在預(yù)燃級出口外沿和中心體下游，其中心附著位置超出拍攝區(qū)域，推測可能在中心回流區(qū)渦破碎點(diǎn)附近，這是由于在此處熱產(chǎn)物與未燃來流混合[17]。SR=1.00的工況下，中心反應(yīng)區(qū)釋熱減少，下游靠近石英管壁面位置釋熱增加，并且主燃級火焰在通道出口內(nèi)沿的附著點(diǎn)消失，如圖11(i)所示。SR=0.75工況，火焰自激振蕩突然增強(qiáng)，并且靠近火焰筒壁面的火焰向上游角渦區(qū)移動，同時(shí)臺階回流區(qū)著火，如圖10(j)和圖11(j)所示。分層比為0.50～0工況范圍內(nèi)，釋熱中心進(jìn)一步向下游移動，下游釋熱區(qū)面積擴(kuò)大，如圖11(k)～圖11(m)所示；火焰附著點(diǎn)位置變得模糊，呈現(xiàn)出脫火的狀態(tài)：一方面是因?yàn)槌^甲烷燃燒極限，在預(yù)燃級噴嘴出口，甲烷未燃燒，而主燃級當(dāng)量比較低無法單獨(dú)穩(wěn)火；另一方面，當(dāng)量比會影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?，甲烷空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诋?dāng)量比約為1.08附近達(dá)到最大值，在這種情況的兩邊，火焰?zhèn)鞑ニ俣榷紩陆担虼?，?dāng)量比大于或小于1.08，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，火焰附著點(diǎn)會呈現(xiàn)出向下游移動的特點(diǎn)，最終脫體[30]。

釋熱中心的變化體現(xiàn)為：在預(yù)燃級當(dāng)量比較大工況下，隨著分層比減小，火焰釋熱中心由中心體下游向上游移動。這是因?yàn)椋A(yù)燃級當(dāng)量比過大，超出可燃極限，燃料不能充分燃燒，在遠(yuǎn)下游與主燃級較低當(dāng)量比的混合氣混合后，燃料濃度得到稀釋，燃燒更充分；隨著分層比繼續(xù)減小，即預(yù)燃級當(dāng)量比減小，燃料在預(yù)燃級近下游便可以充分燃燒。隨后當(dāng)分層比進(jìn)一步減小到一定范圍，預(yù)燃級當(dāng)量比變小，主燃級當(dāng)量比變大，燃料主要集中在主燃級通道下游，火焰釋熱中心由預(yù)燃級轉(zhuǎn)移到主燃級，沿著火焰張角向下游靠近石英管壁面移動，并且釋熱面積在石英管壁面附近逐漸擴(kuò)大。另外，從圖11中能夠發(fā)現(xiàn)，隨著分層比逐漸減小，主燃級當(dāng)量比增大，靠近石英管壁面發(fā)生回火，引起角渦區(qū)被點(diǎn)燃。這一現(xiàn)象可以解釋為，當(dāng)主燃級當(dāng)量比增加時(shí)，主燃級火焰溫度升高，由于熱膨脹作用，火焰面向上游運(yùn)動速度增大，因此火焰頭部進(jìn)入角渦回流區(qū)[17]。

上述火焰鋒面和穩(wěn)火點(diǎn)隨分層比減小的變化過程，可以用示意圖表示，如圖12所示。SR=3.00,火焰呈Y型，主預(yù)燃級火焰分離，并且主燃級火焰沒有附著點(diǎn)；SR=2.75，火焰呈V型，主預(yù)燃級火焰距離變小，且主燃級火焰附著在臺階外沿；2.25≤SR≤2.50，火焰呈對稱D型，主預(yù)燃級火焰相連；1.25≤SR≤2.00，火焰呈多褶型，由于臺階回流區(qū)和剪切層的作用，火焰根部比較復(fù)雜；0.75≤SR≤1.00，火焰呈窄W型，主燃級火焰附著在主燃級噴嘴出口外沿；0≤SR≤0.50，火焰脫體，呈寬W型。

對于工程應(yīng)用，結(jié)合以上6種不同的火焰類型以及對應(yīng)的燃燒狀態(tài)，應(yīng)該考慮采用多褶型和窄W型火焰結(jié)構(gòu)。首先，這兩種結(jié)構(gòu)的分層比在1.00≤SR≤1.50范圍內(nèi)，自激振蕩強(qiáng)度較低 (0.019～0.077 kPa)，對燃燒室結(jié)構(gòu)損害相對較??；其次，這兩種結(jié)構(gòu)的火焰中，主預(yù)燃級火焰在根部都有附著點(diǎn)，不易發(fā)生脫火或局部吹熄，燃燒相對穩(wěn)定。然而，有一點(diǎn)值得注意，分層比低于1.0的工況下，角渦區(qū)容易發(fā)生回火造成強(qiáng)烈的自激振蕩。對于此問題，可以考慮在角渦區(qū)吹入冷氣抑制回火現(xiàn)象的發(fā)生，或者改變?nèi)紵医Y(jié)構(gòu)，去除角渦區(qū)。

英國劍橋大學(xué)Hochgreb教授團(tuán)隊(duì)對不分開分層旋流預(yù)混火焰開展了系列研究工作，可將其結(jié)果與分開分層旋流預(yù)混火焰的結(jié)果進(jìn)行比較。文獻(xiàn)[3]中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在當(dāng)量比為0.6、0.7、0.8，分層比為2.0、1.0、0.5，燃料為甲烷的常溫常壓條件下得到的。該實(shí)驗(yàn)通過采集火焰OH*化學(xué)發(fā)光信號得到了無外激條件下的火焰結(jié)構(gòu)。從結(jié)果上可以發(fā)現(xiàn)，隨著分層比的減小，火焰釋熱中心位置由預(yù)燃級噴嘴下游移動到主燃級噴嘴下游，與本文結(jié)果相似；另外，隨著分層比降低，火焰出現(xiàn)脫體現(xiàn)象，也與本文結(jié)果類似。然而，本文研究與Hochgreb教授的研究最大的區(qū)別在于，本文中主預(yù)燃級火焰被臺階回流區(qū)分隔開，流動特征更為復(fù)雜。由于火焰根部附近臺階回流區(qū)的存在，最多存在4個(gè)穩(wěn)火點(diǎn)；由于火焰被分隔開，雙層火焰之間存在明顯的剪切層。對于這種火焰燃燒不穩(wěn)定性的研究，將有助于加深對分開分層旋流預(yù)混火焰特性的理解。因此，將來的研究也將主要圍繞臺階回流區(qū)和剪切層與雙層火焰的關(guān)系展開。

3 結(jié) 論

本文針對分開分層旋流燃燒室，在常溫常壓條件下通過實(shí)驗(yàn)獲取了在不同分層比條件下的預(yù)混火焰宏觀結(jié)構(gòu)，并測量了燃燒室中壓力脈動和釋熱脈動，對3S Flame建立了初步的認(rèn)識。研究發(fā)現(xiàn)，分開分層旋流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)受分層比的影響而發(fā)生變化，主要得到以下結(jié)論：

1) 火焰穩(wěn)火點(diǎn)受分層比影響較大。在較高分層比下，火焰存在4個(gè)穩(wěn)火點(diǎn)，由于回流區(qū)具有穩(wěn)火作用，火焰都附著在回流區(qū)附近。但隨著分層比的減小，穩(wěn)火點(diǎn)逐漸消失，直至火焰脫體。

2) 隨著分層比的減小，火焰的主釋熱區(qū)由預(yù)燃級下游逐漸向主燃級下游靠近石英管壁面的位置移動，這主要是由于燃料空間分布發(fā)生變化。

3) 在總當(dāng)量比為0.6的工況下，隨著分層比逐漸減小，火焰自激振蕩頻率發(fā)生了變化，并且在分層比為0.50、0.25和0的工況下，火焰發(fā)生突變式脫體狀態(tài)，火焰自激振蕩出現(xiàn)兩個(gè)頻率，且二階頻率對應(yīng)的自激振蕩占主導(dǎo)地位。這可能與火焰脫體后溫度分布不均勻有關(guān)，也可能與火焰動力學(xué)有關(guān)，需要進(jìn)一步研究。

通過對3S火焰宏觀結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)了自激振蕩隨分層比的變化特性，但仍然需要通過進(jìn)一步的研究來深入理解這種3S火焰燃燒不穩(wěn)定產(chǎn)生和發(fā)展的機(jī)制，尤其需要對火焰脫體、二階自激振蕩頻率的出現(xiàn)進(jìn)行研究，可以采用必要的數(shù)值仿真方法。

參 考 文 獻(xiàn)

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