CH4/空气预混稀燃临吹熄火焰结构研究

张玮杰，王金华，郭实龙，常 敏，聂要辉，金 武，黄佐华

CH4/空气预混稀燃临吹熄火焰结构研究

张玮杰，王金华，郭实龙，常 敏，聂要辉，金 武，黄佐华

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安 710049)

预混稀燃是最具有前景代替传统扩散燃烧的清洁燃烧方式之一．然而，高速流动的预混稀燃中常出现低当量比下火焰吹熄的情况．吹熄给燃烧过程带来了极大的不稳定性．旋流和钝体是实际燃烧中常用的稳焰方式．吹熄的机理研究大多基于钝体或旋流火焰进行，但同时加入两者稳焰时的吹熄研究尚且不足．本研究基于OH-PLIF技术，在旋流加钝体稳焰下，针对CH4/空气预混稀燃临熄火条件下的火焰面结构进行了测量和表征．研究表明，临熄火过程中火焰根部抬升逐渐增加，火焰面密度减小，火焰趋向于向回流区聚集．结果表明，火焰根部局部熄火对吹熄过程可能有重要影响，同时验证了未燃气回流促进吹熄的结论．

旋流钝体燃烧器；预混稀燃；OH-PLIF；临吹熄火焰结构；根部抬升；火焰面密度

由于在宽广工况范围都具有稳定燃烧的特点，扩散燃烧是传统燃气轮机主要采用的燃烧方式[1-3]．然而，这种燃烧方式由于存在当量比燃烧区域，从而产生相应的高温区，最终导致了大量的热力型NO排放[1-2]．一些为降低NO而开发的新型的燃烧方式，如在扩散燃烧后快速增加空气冷却的稀燃方式RQL (rich-burn quick-quench lean-burn)，催化燃烧等存在碳烟排放高、成本高的缺点．而预混稀燃，是现在最具前景实现清洁高效燃烧的新型燃烧方式[1,4-5].

但是预混稀燃存在着振荡、吹熄、回火等不稳定燃烧现象．钝体、旋流等一般被实际燃烧采用[6]，以产生低速回流区从而稳定预混稀燃．但高流速、低当量比下的火焰仍然存在着吹熄问题．Dawson等[7]和Kariuki等[8]等用高速钝体火焰研究低当量比下吹熄机理，认为火焰吹熄由下游冷空气大量进入回流区，造成回流区火焰破碎、燃烧强度降低进而导致吹熄．Chaudhuri等[9]等认为低当量比下，钝体火焰的吹熄主要由剪切层局部燃烧减弱，冷空气从剪切层进入回流区．然而，此类钝体火焰在加入旋流稳焰时的吹熄机理尚且不足．特别的是，Stöhr等[10]和Cavaliere等[11]等对部分预混和非预混旋流火焰吹熄过程研究表明，临吹熄时火焰根部的局部熄灭逐渐显著．因此，火焰根部局部的熄火、重点火过程，可能在加入旋流稳焰的预混燃烧吹熄中也起到重要作用．

本研究基于旋流加钝体稳焰方式，采用OH-PLIF技术对甲烷预混燃烧临吹熄火焰结构进行测量．本文由OH-PLIF结果提取单时刻火焰根部的抬升高度，以得到临吹熄过程中火焰根部熄火的变化．另外，基于火焰面假设，本文提取临熄火过程中火焰面，计算火焰面密度，最终分析临吹熄过程中局部和平均燃烧强度的变化．最终研究结果对已有火焰吹熄理论进行了验证和补充．

1 实验装置

1.1 旋流钝体燃烧器

本研究所采用旋流钝体燃烧器示意图如图1．高压(约0.6MPa)压缩空气由燃烧器下部进入缓冲腔，进而由一个渐缩渐扩喷管(亚音速拉瓦尔管)进入预混区．喷管可以降低上游空气的扰流对下游流场、燃烧的影响[12]．同时，喉部使空气加速，以快速带出燃料，从而有效防止回火．空气卷吸燃料混合物在渐扩喷管部分减速、经过整流板、预混段(200mm)进一步预混，最终由上部旋流叶片和钝体形成的环形出口流出．

本实验燃烧器环形出口流速固定为20m/s．高速的气流在钝体上方形成典型的回流区、剪切层等流场结构[13]．回流区造成低速燃烧区，从而有效稳定火焰．本研究所采用的旋流叶片倾斜角为45°，旋流数约为0.7．

1.2 OH-PLIF系统

实验测量方法为OH基平面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence)[14-15]．系统包含Nd：YAG激光器(QuantaRay Pro-190)、染料激光器(SirahPRSC-G-3000)以及片光元件、ICCD相机(LaVision Image Prox)等．YAG激光器基础波长为532nm，能量在300mJ以上．该激光由染料激光器调谐倍频到283nm左右激发波长，能量约20mJ，然后由片光元件产生片光．该片光厚度约0.5mm，片光和ICCD相机监测区域如图1所示，为60×50mm的矩形区域．最终，波长约为308nm的OH基荧光信号通过紫外线滤镜(Nikon Rayfact PF 10545MF-UV)和OH基带通滤波片(LaVision VZ08-0222)被ICCD相机捕获．相机单像素分辨率约为0.12mm．系统频率为10Hz，相机延迟为100ns，门宽为200ns．

实验中CH4/空气熄火极限测量方法为，固定环形出口流速为20m/s，按0.01的步长逐步降低当量比直至吹熄．每降低一个步长稳定0.5min，最终吹熄极限大约为＝0.67．本实验工况如表1所示．其中＝0.90远离、＝0.69靠近吹熄极限，最终得到火焰临吹熄过程中的火焰结构变化．层流火焰速度和层流火焰厚度的计算采用CHEMKIN PRO软件进行；路易斯数()定义为预混燃料热扩散率与甲烷质扩散率之比[16]．出口流速不确定度约为±0.4m/s，当量比不确定度为设定点的±2%．每一个工况拍摄OH-PLIF结果300张．每张OH-PLIF图片经过背景光矫正、像增强不均匀性矫正及激光片光不均匀性矫正，最终用于火焰结构统计分析．

图1 旋流钝体燃烧器示意(单位：mm)

表1 实验工况

Tab.1 Experimental conditions

2 结果及讨论

2.1 OH-PLIF测量结果

OH-PLIF结果如图2所示．当量比降低，OH基表征的火焰前锋面大尺度褶皱增加．随着吹熄极限靠近，火焰面趋向于向回流区聚集．不同当量比路易斯数非常接近，均约为1，说明燃料的质扩散、热扩散影响可忽略．然而层流火焰速度随当量比降低而大幅降低．因此，临吹熄火焰局部燃烧速率减小，未燃气更易进入回流区，火焰受到流场扰动增加，火焰更为破碎，火焰面褶皱增加．相对于高当量比，临吹熄工况火焰OH基分布范围减小，高度显著降低．

2.2 火焰根部抬升统计

由OH-PLIF结果可见，随着火焰接近吹熄，火焰根部抬升逐渐明显．本文对火焰相对于钝体平面的根部抬升高度进行了测量和统计．

首先将图2所示的OH-PLIF图转化为二值图.二值化采用Otsu[17]全局阈值的方法．这种方法可以使图片二值化阈值上下的灰度变化最小．基于图片的二值矩阵，可以由下而上对火焰根部抬升高度进行探测，如图2所示．本实验同时统计左右火焰跟脚的抬升高度[11]，左右抬升高度视作两个不同样本．

图3为根部抬升高度的统计PDF结果．结果表明，火焰临吹熄过程中，根部抬升逐渐明显．高当量比时，火焰抬升最大高度较低，高抬升部分PDF较小．这说明此时火焰根部燃烧更为稳定．降低当量比的临熄火过程中，火焰根部抬升最大高度增加，抬升PDF也增加．

图3 临吹熄过程中火焰根部抬升高度PDF

本文中，临熄火过程中层流火焰速度不断降低，因此根部剪切流拉伸率相对增加，促使火焰局部熄灭．实验中观察到，临熄火时火焰出现明显的根部跳跃行为，说明根部的局部熄火、点火过程交替进行．这种根部抬升使火焰极为不稳．当继续降低当量比，以增加根部相对拉伸率时，更强的剪切流动可能使根部火焰彻底熄灭．Stöhr等[10]认为，当根部的局部熄灭时间超过某个临界时间后，火焰将可能会被最终吹熄．

2.3 火焰面密度

为了得到临吹熄过程中火焰燃烧强度的分布，本文测量了二维火焰刷的火焰面密度，结果可定性表征三维火焰面密度变化趋势[18]．OH基广泛存在于火焰反应区和已燃区部分，因此常被用来提取火焰前锋面．火焰锋面提取方法如图4所示．

二维火焰密度计算结果见图5．远离吹熄时，火焰面主要集中分布在左右剪切层附近，火焰呈V字型分布．临熄火过程中，火焰面逐渐向回流区靠近，火焰接近倒V型，回流区火焰面密度增加．这说明临熄火时，未燃气回流增加，火焰有向回流区聚拢趋势．另外，当量比降低时，火焰面密度分布区域更广．如表1所示，当量比降低时，层流火焰速度明显降低．一方面，火焰面燃烧速度降低，导致火焰会从V型火焰退向回流区形成倒V型；另一方面，局部火焰面燃烧强度降低，可能导致流场的扰动相对增强，火焰面扰动增加，从而增大了火焰面分布范围．

（a）二值化处理（b）提取火焰前锋面（c）火焰面叠加结果

（a）f＝0.90（a）f＝0.80（a）f＝0.69

图4(a)中，白色代表已燃区，黑色代表未燃区．在火焰前锋面处可以假设阶梯形化学反应进展变量＝0(未燃区)和＝1(已燃区)．最终，通过叠加和平均个时刻进展变量，可以得到平均反应进展变量＜＞[20]：

进一步可得到在平均进展变量＜＞上的平均火焰面密度，如图7所示．结果表明，临熄火过程中，火焰面密度不断降低．这表明由于火焰在回流区逐渐被破碎，火焰分布范围增加，局部燃烧强度降低．另外，在＝0.69时，＜＞小于0.5时火焰面密度降低较多，而大于0.5部分火焰面密度降低较小．火焰面密度分布向回流区部分倾斜．此结果表明，临熄火时，由于冷流回流，下游火焰面局部熄火较多．而回流区由于低速驻留，使火焰面能够更持久地存在．然而，当火焰根部持续熄灭后，回流区火焰面也将不能持续，最终会导致吹熄[10]．可见，火焰根部的熄火和回流区火焰面在吹熄过程中起着重要角色．

（a）f＝0.90（b）f＝0.80（c）f＝0.69

图7 平均进展变量＜c＞上的平均火焰面密度变化

3 结 论

本文基于OH-PLIF技术，测量了钝体旋流稳焰下，甲烷空气预混火焰临吹熄过程中火焰结构变化．研究表明，靠近吹熄极限时，火焰根部抬升高度显著增加，抬升PDF增加．因此，本文发现在加入旋流稳焰后，钝体火焰根部熄灭对吹熄可能具有重要作用．远离吹熄时，火焰基本分布在剪切层，而临吹熄时，火焰整体向回流区缩进．临吹熄火焰面密度显著降低，说明回流区内的燃烧强度大幅降低．该结果支持临熄火时冷流回流造成回流区火焰破碎，进而促进吹熄过程的结论．本文认为钝体旋流稳焰下，根部熄火重点火失败，和大量冷流导致的回流区火核燃烧强度降低，同时促进了火焰吹熄．这两者均源自于局部层流火焰速度降低、流场拉伸相对增强．

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Study on Flame Structure of Lean Premixed CH4/Air Flames Close to Blow-off

Zhang Weijie，Wang Jinhua，Guo Shilong，Chang Min，Nie Yaohui，Jin Wu，Huang Zuohua

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

Compared with the traditional diffusional combustion，lean premixed(LPM)combustion may be one of the most promising methods to attain ultra-low emissions．However，the LPM combustion is usually hindered by the blow-off behaviors of high-speed flowing flames at low equivalent ratios．Considering that the blow-off brings dramatic instability to the combustion process，a swirler or a bluff-body burner is usually adopted to stabilize the flames in practice．Nevertheless，most of the studies on the blow-off mechanism focus on the burner with either a bluff-body or a swirler．For flames stabilized with a combination of both of them，the mechanism has not been extensively studied．In this paper，based on the hydroxyl planar laser induced fluorescence (OH-PLIF)，the flame front structure of CH4/air flames close to blow-off was measured and characterized on a bluff-body and swirl burner．Research indicates that when approaching the blow-off，the lift-off of flame roots was observed to be more frequent．Meanwhile，the flame surface density decreased，and the flame fronts tended to gather inwards to the central recirculation zone(CRZ)．It is shown that the local extinction at flame roots may be dominant for the blow-off process．In addition，it is verified that the backflow of unburned gas promotes the blow-off，as observed in previous studies．

bluff-body and swirl burner；lean premixed combustion；OH-PLIF；flame structure close to blow-off；root lift-off；flame surface density

TK16

A

1006-8740(2019)05-0389-06

10.11715/rskxjs.R201901008

2019-01-08．

国家自然科学基金资助项目(51776164；91441203).

张玮杰（1991—），男，博士研究生，wjzhang2020@163.com.

王金华，男，博士，教授，jinhuawang@xjtu.edu.cn.