劉訓(xùn)臣, 王國情

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 動力機(jī)械與工程教育部重點實驗室, 上海 200240)

0 引 言

旋流燃燒是航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中重要的燃燒組織方式，基于貧燃燃燒技術(shù)的旋流燃燒被廣泛用于降低發(fā)動機(jī)的NOx等污染物排放[1-2]。然而貧燃旋流燃燒容易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)熱聲不穩(wěn)定問題，熱聲振蕩會造成發(fā)動機(jī)內(nèi)部壓力的劇烈波動，縮短發(fā)動機(jī)的使用壽命甚至直接破壞發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)。研究聲波作用下旋流流動的特征結(jié)構(gòu)和旋流火焰的響應(yīng)特性對于理解熱聲作用機(jī)理、抑制熱聲振蕩至關(guān)重要[3-7]。

實際發(fā)動機(jī)在發(fā)生熱聲振蕩時，振蕩幅值會不斷發(fā)展放大，最終振蕩幅值會發(fā)展到極限環(huán)狀態(tài)[8]，此時熱聲系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)熱釋放向聲波輸入的能量和聲波損耗的能量達(dá)到了平衡。在達(dá)到極限環(huán)狀態(tài)時，火焰的熱釋放脈動常常進(jìn)入了非線性區(qū)域，即此時聲波的波動幅值和熱釋放波動幅值之間不再呈現(xiàn)線性關(guān)系。在前人的研究中，由流體不穩(wěn)定性或聲擾動引起的大尺度流動結(jié)構(gòu)，已被證明會對旋流和火焰響應(yīng)產(chǎn)生重要影響[9]。Bellows等[3,10]發(fā)現(xiàn)火焰熱釋放脈動在速度波動幅值超過20%平均速度時便會出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，在波動幅值達(dá)到30%～40%的平均速度時火焰熱釋放便呈現(xiàn)出飽和現(xiàn)象，這種非線性現(xiàn)象與渦對火焰面的卷曲和火焰前沿的舉升有關(guān)。Palies等[4,11]研究了速度波動幅值為平均速度0.2～0.7倍的旋流預(yù)混火焰的傳遞函數(shù)，發(fā)現(xiàn)旋流數(shù)波動導(dǎo)致的火焰根部角度脈動和聲波誘導(dǎo)渦環(huán)導(dǎo)致的火焰尖端卷曲是導(dǎo)致火焰熱釋放非線性變化的關(guān)鍵機(jī)制。可見，在強聲激勵旋流燃燒中，流動結(jié)構(gòu)會引起火焰熱釋放脈動的非線性變換。前人對較小至中等速度波動下的旋流火焰響應(yīng)函數(shù)研究比較充分，但在實際發(fā)動機(jī)工作中，熱聲振蕩普遍具有非線性特征和飽和現(xiàn)象，因此研究極端條件下大振幅速度波動引起的火焰響應(yīng)具有一定理論意義，并可以對實際應(yīng)用起到指導(dǎo)和修正作用。

速度波動的周期性特點決定了聲波擾動下的旋流流場具有典型非定常特征，研究聲激勵旋流燃燒流場的動態(tài)特征需要能夠在小于毫秒量級的時間分辨率上對流場進(jìn)行連續(xù)測量。在過去，穩(wěn)定性分析已用于預(yù)測無激勵旋流射流流場中的不同旋流模式，軸向和周向剪切層的相對位置和厚度會影響旋流流場的主要流動模式[12-15]。Huang等[16]研究了聲激勵下的同心旋流射流，發(fā)現(xiàn)在弱聲激勵下旋流流動中渦環(huán)結(jié)構(gòu)便可能出現(xiàn)。Palies等[17]發(fā)現(xiàn)只有具有足夠大小和強度的旋流才能與火焰表面相互作用。然而這些工作主要是根據(jù)低速的實驗測量或模擬得到。最近，Wang等[18]利用高重復(fù)頻率脈沖串式激光器對單旋流火焰進(jìn)行了20 kHz的高速測量，得到了不同火焰壁面限制條件下旋流火焰流場動態(tài)特征。由于瞬態(tài)流場中存在許多隨機(jī)的湍流渦結(jié)構(gòu)，仍缺乏對動態(tài)旋流流場結(jié)構(gòu)的定量精細(xì)分析。

本文利用高重復(fù)頻率脈沖串式激光器對周期性聲波擾動下的旋流流場進(jìn)行研究。高重復(fù)頻率脈沖串式激光器在研究動態(tài)流動和火焰相互作用中有明顯優(yōu)勢，可以方便地觀測到動態(tài)流場的連續(xù)演變過程。本文采用50 kHz的高速粒子示蹤技術(shù)測量流場。為了理解聲波激勵非常強情況下的流場，選擇速度波動幅值達(dá)到平均速度80%的強聲波激勵，并對流場進(jìn)行多次重復(fù)性測量，以消除流場中的湍流隨機(jī)結(jié)構(gòu)，而保留流場中固有渦結(jié)構(gòu)信息，提取出強聲激勵下固有渦結(jié)構(gòu)的軌跡、渦量、環(huán)量、尺寸等信息，并對這些固有渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以幫助理解強聲波激勵下流場的動態(tài)特性。同時采用高速自發(fā)光技術(shù)測量火焰結(jié)構(gòu)，得到流場與火焰結(jié)構(gòu)的相互作用信息。

1 實驗方法

貧燃旋流預(yù)混火焰在圖1(a)所示的開放單級旋流燃燒器上獲得。燃料(甲烷)和氧化劑(空氣)流量由2個質(zhì)量流量控制器分別控制，以得到設(shè)定的總流量50 L/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))和當(dāng)量比0.8，隨后氣體經(jīng)過2 m長的摻混管道充分混合后進(jìn)入旋流燃燒器，經(jīng)過4 mm石英珠堆積段和蜂窩板后進(jìn)入收縮段，氣流中的大尺度渦結(jié)構(gòu)被抑制，穩(wěn)定的氣流經(jīng)過軸向旋流發(fā)生器產(chǎn)生旋流流動，對應(yīng)的旋流數(shù)約為0.6。旋流氣流流出噴嘴后隨即燃燒，一個倒錐形鈍體被放置在噴嘴的末端，以增強火焰的穩(wěn)定性。燃燒器噴嘴出口是一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑和外徑分別為10和20 mm。為研究外部激勵下火焰動態(tài)特性，旋流燃燒器底部安裝有一個揚聲器。函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率和幅值的正弦信號，經(jīng)過功率放大器放大后輸入揚聲器，以產(chǎn)生正弦形式聲波。聲波沿旋流發(fā)生器傳播到旋流火焰，對火焰產(chǎn)生擾動，從而模擬熱聲振蕩條件下聲波和火焰的相互作用。揚聲器對氣流的擾動幅值由旋流發(fā)生器上游的熱線風(fēng)速儀監(jiān)測，熱線風(fēng)速儀的響應(yīng)頻率為10 kHz。

圖1(b)給出了測量高時間分辨率流場的粒子示蹤技術(shù)(PIV)系統(tǒng)原理。PIV系統(tǒng)由高重復(fù)頻率的脈沖串式Nd：YAG激光器(Spectral Energies，QuasiModo1000)和高速攝像機(jī)(Photron SA-Z)組成，拍攝幀頻為50 kHz。脈沖串激光的532 nm二倍頻輸出的單脈沖脈寬為10 ns，脈沖串時間長度為10 ms，能量約為200 mJ。在旋流氣流中布撒直徑約1.0 μm的氧化鋁顆粒作為示蹤粒子，在532 nm激光的照射下，裝有尼康鏡頭(Nikkor 50 mm f/1.4G)和窄帶通濾光片(Edmund Optics 532/10 nm)的PIV相機(jī)以50 kHz頻率記錄粒子的米散射圖像?？删幊潭〞r單元(Lavision PTU-X)同步激光、相機(jī)和聲波之間的時序。本實驗中采用的脈沖串激光持續(xù)10 ms，可測量得到500幀原始PIV粒子圖像，隨后使用多遍互相關(guān)算法由Davis 8.0軟件包對其進(jìn)行處理。最終得到的速度場分辨率為0.62 mm/point，速度和渦度測量的不確定度分別為±3%和±5%。此外，為了捕獲旋流火焰鋒面的動態(tài)特征，還使用一臺帶有增強器(Lambert HiCATT)和窄帶通濾光片(Edmund Optics，430/10 nm)的高速相機(jī)(Phantom v2012)記錄了激發(fā)態(tài)CH*自由基的化學(xué)發(fā)光，CH*圖像的空間分辨率為0.072 mm/pixel。為了保證持續(xù)時間為10 ms的激光脈沖串能夠覆蓋一個完整的聲學(xué)激勵周期，揚聲器的激勵頻率為120 Hz，對應(yīng)聲波的周期為8.33 ms。

圖1 旋流燃燒器和激光診斷系統(tǒng)原理圖

2 結(jié)果與討論

圖2 在f=120 Hz和條件下熱線風(fēng)速儀測量的聲激勵擾動的速度

圖3對比了無激勵情況下和強聲激勵下時間平均的流場特征。在不同激勵條件下，旋流火焰流場均有顯著的內(nèi)剪切層(Inner shear layer，ISL)和外剪切層(Outer shear layer，OSL)，內(nèi)剪切層起始于鈍體的邊緣r=5 mm處，外剪切層起始于噴嘴出口的外唇緣r=10 mm處，由于燃燒具有高溫升和氣體膨脹效應(yīng)，使得內(nèi)剪切層和外剪切層均向遠(yuǎn)離中軸線的區(qū)域發(fā)展。在無激勵旋流流場中，外剪切層強度強于內(nèi)剪切層。在強聲激勵火焰中，平均流場中外剪切層強度減弱，而內(nèi)剪切層強度略微增強，聲激勵對流動速度的擾動導(dǎo)致了時均流場中渦量更為分散。此外，圖3(b)中還可以在鈍體上方觀察到一個渦量符號和鄰近內(nèi)剪切層相反的區(qū)域，該區(qū)域是鈍體上方的尾流區(qū)域，并會受到內(nèi)剪切層渦結(jié)構(gòu)的影響[19]。

圖3 甲烷/空氣旋流火焰在和條件下的時間平均流場和渦量場

為了認(rèn)識強激勵旋流流場的速度波動特征，圖4給出了受激火焰速度場的均方根分布?？梢钥闯?軸向速度波動主要分布在旋流噴嘴出口位置，上游來流的速度波動直接導(dǎo)致了出口處的軸向速度波動，流動的剪切作用導(dǎo)致外剪切層外側(cè)分布著2條帶狀軸向速度波動區(qū)，內(nèi)剪切層內(nèi)部回流區(qū)中也存在著明顯的速度波動區(qū)域。徑向速度波動的均方根值在中心區(qū)域較小，主要分布在半徑大于10 mm的外剪切層以外區(qū)域，這表明徑向速度波動并不是由上游速度變化直接引起的，而是由出口軸向速度波動通過剪切作用傳遞到了外圍區(qū)域。此外，渦量的均方根分布也在圖4(c)中給出，可以看出,渦量的波動區(qū)域和圖3中的內(nèi)外剪切層分布區(qū)域一致，內(nèi)外剪切層中間的渦量均方根值較小。而且外剪切層中渦量的波動強度顯著大于內(nèi)剪切層中渦量波動強度，說明外剪切層中渦量變化對旋流燃燒的影響更為關(guān)鍵。平均流場和速度波動表明強激勵旋流流場的動態(tài)變化非常重要，下面將進(jìn)一步分析隨時間演變的旋流流場特征。

圖4 甲烷/空氣旋流火焰在條件下軸向速度、水平速度和渦量的均方根分布

圖5給出了隨著相位演變的強聲激勵旋流預(yù)混火焰的流場特征，火焰CH*自發(fā)光信號最大值的40%和80%等值線也在圖中給出用以表征旋流火焰鋒面，相位0°對應(yīng)著火焰熱釋放最小值?？梢钥闯?，相平均流場和時間平均流場差別巨大，整個流場展現(xiàn)出強烈的動態(tài)變化。在相平均流場中，外剪切層中出現(xiàn)了由速度波動誘導(dǎo)的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，稱為“聲誘導(dǎo)渦”。聲誘導(dǎo)渦在相位288°開始出現(xiàn)并逐漸增強，在相位0°時開始脫離出口平面向下游移動，在聲誘導(dǎo)渦移動過程中，其強度和尺寸會先逐步增大，最后在180°相位后逐步減弱。從火焰鋒面和聲誘導(dǎo)渦的相對位置可看出，聲誘導(dǎo)渦對火焰鋒面的動態(tài)變化起到了非常重要的作用，在72°～180°相位區(qū)間中，聲誘導(dǎo)渦強度大，同火焰鋒面距離近，使得火焰鋒面發(fā)生了顯著的卷曲效應(yīng)，這種效應(yīng)使得火焰尖端部分的面積大大增大，從而增強了火焰的熱釋放速率。相較于外剪切層中的聲誘導(dǎo)渦，內(nèi)剪切層中的渦量強度更弱，在324°到144°的相位區(qū)間內(nèi)可以觀測到較為明顯的渦特征，但內(nèi)剪切層的渦量主要分布在一個狹長區(qū)域中。圖中還可以看出，內(nèi)剪切層與火焰底部熱釋放區(qū)域重合，對火焰底部的動態(tài)特性具有重要影響。此外，在內(nèi)剪切層渦量較強的相位區(qū)間范圍內(nèi)(36°～216°)，中軸線處可以觀察到方向同鄰近內(nèi)剪切層渦量相反的渦量生成，盡管這部分渦量特征較為微弱。

為了詳細(xì)研究強聲激勵旋流火焰的流場特征，將距離噴嘴出口5、10、15、20和25 mm高度處的徑向和軸向速度提取出來進(jìn)行分析。圖6所示為2個聲波激勵周期內(nèi)的速度動態(tài)變化。在半徑小于25 mm的范圍內(nèi)，徑向速度主要分布在半徑約為10 mm的位置，隨著距離噴嘴出口的高度增加，徑向速度分布區(qū)域也逐漸增大，在高度20 mm以上的中軸線區(qū)域也出現(xiàn)了顯著的徑向速度。圖7中給出了高度5 mm處速度隨時間和半徑的分布曲線。在中軸線r=0 mm處，徑向速度隨時間變化非常微弱，在半徑r=10 mm處徑向速度在聲激勵周期內(nèi)大多數(shù)時間僅具有很小的速度值，但在特定的t/T=0.94處具有較大的速度幅值，可見絕對值較大的徑向速度分布在距離噴嘴出口較近的區(qū)域，隨著時間變化，出口附近的徑向速度波動具有脈沖式分布的特點，而非正弦形式的波動。根據(jù)圖5中周期性旋流流場結(jié)構(gòu)可知，徑向速度幅值的周期性增大主要是由聲誘導(dǎo)渦所致，在聲誘導(dǎo)渦經(jīng)過某一高度的區(qū)域時，渦的輸運作用使得此處的徑向速度顯著增大，而在某一高度觀測，聲誘導(dǎo)渦僅在每個周期中的小部分時間經(jīng)過，而其他大部分時間內(nèi)徑向速度幅值很小。

圖5 甲烷/空氣旋流火焰在f=120 Hz和條件下的相平均流場和火焰面等值線，黑色和紅色等值線分別代表最大CH*自發(fā)光強度的0.4和0.8倍

圖6(b)所示的軸向速度呈現(xiàn)對稱分布，軸向速度在高度較低時也主要分布在氣流出口位置。出口速度幅值整體上呈現(xiàn)正值，即氣流主要向下游方向流動，但在某些區(qū)域則呈現(xiàn)相反的流動方向，在徑向距離15 mm處，可以看到由于流動剪切作用導(dǎo)致的負(fù)的軸向速度，其原因主要是由于聲誘導(dǎo)渦的輸運作用導(dǎo)致流動方向反轉(zhuǎn)。在徑向距離3 mm處也呈現(xiàn)出負(fù)的軸向速度，由于強聲激勵下速度幅值變化非常大，內(nèi)剪切層誘導(dǎo)的負(fù)的軸向速度進(jìn)一步影響中心區(qū)域流動，導(dǎo)致中心區(qū)域出現(xiàn)了軸向速度為正的流動，如圖7(b)所示?？紤]到在鈍體上方鄰近區(qū)域流體質(zhì)量守恒，水平方向速度很小可以忽略，而在徑向距離3 mm處氣流流向鈍體表面，因此在鈍體正上方鄰近區(qū)域需要出現(xiàn)軸向速度為正的流動特征，才能保證該區(qū)域內(nèi)流體質(zhì)量守恒的特性。需要注意鈍體上方的這種流場特征，同內(nèi)剪切層強度有密切關(guān)聯(lián)，在內(nèi)剪切層較弱時流體向鈍體上方鄰近區(qū)域輸運的氣流很少，則不會在該處形成典型的正的軸向速度特征，如圖3中無聲激勵的平均流場。由于流動耗散和燃燒的影響，在距離噴嘴較遠(yuǎn)的區(qū)域徑向和軸向速度均變得更加分散，但軸向速度分布中仍可觀測到中心區(qū)域由于聲誘導(dǎo)渦作用而導(dǎo)致的速度方向相反的流動特征。

圖6 在t/T為0～2和軸向位置5～25mm高度處的徑向速度和軸向速度分布圖

圖7 在t/T為0～2和軸向位置5 mm高度處的徑向速度和軸向速度分布圖

從強聲激勵旋流火焰的周期性流動結(jié)構(gòu)和速度分布圖可以看出，聲誘導(dǎo)渦是非常重要的流動特征。為了進(jìn)一步認(rèn)識聲誘導(dǎo)渦環(huán)的特征，將不同時刻渦環(huán)中心區(qū)域渦量最大的點提取出來分析。圖8(a)給出了外剪切層中聲誘導(dǎo)渦環(huán)的渦量分布圖。外聲誘導(dǎo)渦在噴嘴出口處形成，在其渦量達(dá)到最大值時渦環(huán)開始向下游逐步移動，渦環(huán)的移動過程可以持續(xù)近2個聲波周期，渦環(huán)也可以移動到接近40 mm的區(qū)域。此外，渦環(huán)移動過程基本沿著一條直線運動，即外聲誘導(dǎo)渦環(huán)以恒定的速度向下游移動，這種運動速度和典型的射流誘導(dǎo)的渦環(huán)運動有類似特征。除了外剪切層誘導(dǎo)的渦環(huán)外，圖8(b)給出了內(nèi)剪切層誘導(dǎo)的渦環(huán)的渦量變化。不同于外部渦環(huán)的清晰分布，內(nèi)部渦環(huán)并不具有特別清晰易辨識的最大渦量，而且內(nèi)部渦環(huán)向下游傳播僅能持續(xù)1個周期，且內(nèi)部渦環(huán)主要分布在高度小于20 mm的區(qū)域，說明內(nèi)部渦環(huán)的生成和衰減過程持續(xù)時間更短。造成這種現(xiàn)象的原因主要同內(nèi)回流區(qū)的流動特征有關(guān)，相較于外部渦環(huán)的開闊空間，內(nèi)部渦環(huán)存在的鈍體上方區(qū)域空間非常狹窄，空間區(qū)域直接導(dǎo)致了渦環(huán)的尺寸更小或分布在更為狹窄的區(qū)域，這點可以從圖5的渦量分布中看出。更小的空間也導(dǎo)致了左右2個內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)更容易相互影響，從而加速渦的耗散。內(nèi)部渦環(huán)存在的區(qū)域由于內(nèi)回流區(qū)的特性，其氣體主要為燃燒后的高溫氣體，溫度升高導(dǎo)致黏性增大，且內(nèi)部渦環(huán)同火焰根部的重合導(dǎo)致其始終受到更強的黏性耗散影響，因此內(nèi)部渦環(huán)僅能在較短的時間和空間尺度上存在。

圖8 甲烷/空氣旋流火焰在f=120 Hz和條件下外部渦環(huán)和內(nèi)部渦環(huán)的渦量分布圖

為了弄清外部聲誘導(dǎo)渦的演化特征，進(jìn)一步提取了外部聲誘導(dǎo)渦的渦核位置、渦核最大渦量、渦環(huán)量、渦面積，如圖9(a)～(d)所示。噴嘴出口的速度和加速度在圖9(e)～(f)中給出?？梢钥闯觯曊T導(dǎo)渦以幾乎恒定的速度向下游移動，速度大小為2.52 m/s，而出口處氣流的軸向速度分布在2～8 m/s之間，可見渦的移動速度明顯小于氣流的速度。聲誘導(dǎo)渦的渦量呈現(xiàn)出先快速增大、隨后保持不變、最后逐步下降的特征。同時可以發(fā)現(xiàn)，渦量最大的位置出現(xiàn)在出口氣流加速度最大的地方，可見在出口速度不斷加速時，氣流會不斷地向聲誘導(dǎo)渦輸入渦量，聲誘導(dǎo)渦渦核的渦量逐漸增大，但在氣流停止加速時，渦核渦量便不再增加。而在渦核渦量達(dá)到最大值時，聲誘導(dǎo)渦渦核的軸向位置開始增大，說明此時聲誘導(dǎo)渦開始脫離噴嘴出口鄰近區(qū)域而向下游移動。進(jìn)入平穩(wěn)期時渦核渦量基本保持不變，但此時氣流速度仍在不斷增大，并不斷向聲誘導(dǎo)渦輸入渦量，因而聲誘導(dǎo)渦的環(huán)量在出口速度不斷增加的階段始終保持增長。在出口速度達(dá)到最大值后，聲誘導(dǎo)渦的環(huán)量便不再快速增加，而進(jìn)入一個緩慢變化的平臺期。需要注意的是，聲誘導(dǎo)渦的尺寸在速度增長階段保持增大，聲誘導(dǎo)渦對火焰的影響逐步增強，在速度下降的t2～t3時段，聲誘導(dǎo)渦面積仍逐漸增大?？梢姡瑥娐暭钕滦鞯某隹谒俣群图铀俣葘β曊T導(dǎo)渦的生成和脫落過程至關(guān)重要，直接決定了聲誘導(dǎo)渦的渦量、環(huán)量以及脫落等關(guān)鍵過程。

圖9 甲烷/空氣旋流火焰在f=120 Hz和條件下外部渦環(huán)的定量演化過程

3 結(jié) 論

本文利用高速PIV技術(shù)研究了速度波動幅值達(dá)到平均速度80%的強聲激勵單旋流預(yù)混火焰動態(tài)流場特征。強聲波激勵下旋流火焰上游速度呈正弦波動，出口處軸向速度呈周期性波動，徑向速度呈脈沖式波動，速度波動在向下游傳播過程中會逐步擴(kuò)展。旋流火焰中心的回流區(qū)具有周期性的速度波動，內(nèi)剪切層的渦作用會導(dǎo)致剪切層附近氣流向噴嘴方向流動，而中軸線處氣流向下游流動。內(nèi)剪切層和外剪切層是旋流流場的重要結(jié)構(gòu)，在內(nèi)外剪切層中會出現(xiàn)周期性聲誘導(dǎo)渦結(jié)構(gòu)。內(nèi)剪切層和火焰根部重合導(dǎo)致其內(nèi)部渦耗散強，對火焰熱釋放影響更弱。外部聲誘導(dǎo)渦發(fā)展更為充分，會通過卷曲火焰尖端區(qū)域而改變火焰熱釋放。定量提取了外部聲誘導(dǎo)渦的位置、渦量、環(huán)量、尺寸，發(fā)現(xiàn)旋流流動噴嘴出口的速度和加速度決定了外部聲誘導(dǎo)渦的生長和脫落過程，形成的聲誘導(dǎo)渦勻速向下游移動，聲誘導(dǎo)渦同火焰之間的相互作用導(dǎo)致其渦量在后期會經(jīng)歷非線性衰減過程。