富氢燃料气射流预混火焰回火特性的研究进展1)

吕海陆 李 丹 张 扬 , 张 海 ,

* (清华大学能源与动力工程系,热科学与动力工程教育部重点实验室,北京 100084)

† (清华大学山西清洁能源研究院,太原 030000)

引 言

随着人们对全球气候变化的关切日益增强,低碳发展成为能源领域重要和迫切的要求,含氢、富氢或纯氢等低碳燃料受到广泛关注.燃气轮机作为一种高效动力装置,燃用低碳燃料是其重要发展方向.然而,研究表明,燃用氢气含量较高的气体燃料,即富氢燃料时,燃气轮机将面临诸多技术难题和安全风险,其中最突出的一个问题是回火,即预混火焰从燃烧室向上游管道传播.这是因为氢气化学反应活性高,燃烧速率快,而现代燃气轮机为了控制氮氧化物(NOx)排放又采用预混燃烧.回火严重时可导致整个燃烧系统崩溃,无疑对燃气轮机的安全稳定运行构成了极大威胁.

湍流射流火焰是燃气轮机燃烧室中气体燃烧的最基本单元.人们对甲烷、天然气等碳氢燃料射流预混火焰的回火现象和机理开展了广泛研究.张文普等[1]在对近30 年来燃气轮机燃烧回火机理与数值模拟的主要研究进展重点介绍中,总结了回火的4 种机理,即边界层回火(BLF)、中心流回火、燃烧不稳定引起回火、旋流诱导涡破碎引起回火(CIVB),分析认为其中BLF 是最重要的一种回火机制.李文栋等[2]专题回顾了预混燃烧边界层回火的数理模型及研究进展,指出广泛应用的建立在临界速度梯度上的无量纲数模型存在缺陷,仍需要改进.Kalantari等[3]对无旋流预混火焰边界层回火的机理及相关基础的研究进展进行了综述,在单独设置的燃料组分影响回火特性一节中介绍了富氢燃料气火焰回火方面的一些研究工作,不过可能限于篇幅和文章的整体结构,未对该方面的研究工作进行比较系统和全面的综述.

本世纪,针对富氢燃料气射流预混火焰回火特性,国内外研究者也已经开展多方面的实验、模拟及理论方面的研究,获得了一些重要进展,例如,富氢燃料与碳氢燃料均遵从4 种回火机理,但是与碳氢燃料相比,富氢燃料的回火倾向性更高,受火焰拉伸作用影响更大,回火的临界速度梯度的预测模型需要修正等.回顾和总结相关成果可对燃气轮机燃烧室燃烧器的设计及回火抑制技术的开发提供重要指导.

鉴于上述原因,本文对近20 年来富氢燃料气射流火焰回火的代表性研究,包含实验及数值模拟工作进行综述,总结前人在燃料氢含量、温度及压力等运行参数、喷嘴结构与尺寸、热声振荡、微混燃烧器对回火影响等方面的研究成果,并根据目前的研究现状展望未来的研究方向.

1 富氢燃料射流预混火焰回火实验的研究概述

近年来有关富氢燃料气预混火焰回火的实验研究主要以H2/CO/CH4燃料为研究对象,少数学者也研究了H2/N2,H2/NH3等燃料的回火特性.多数学者[4-9]在常温常压下使用射流燃烧器对多种组分比的H2/CO/CH4燃料的回火开展研究,而部分学者[10-11]在常压和高温来流条件下开展了富氢燃料气的回火研究.

图1 是常压实验中几种常见的射流预混火焰实验装置,其中图1(a)是简单的单管射流火焰装置,即本生灯装置,燃料和空气在上游充分预混后送入装置并燃烧;图1(b)包含了类似实际燃烧设备中的预混方式,通过空气旋流在较短停留时间内完成燃料和空气的混合;部分实验中引入了中心杆等形式的稳焰手段,使得火焰附着在稳焰器上,如图1(c)所示;部分实验为了避免火焰受环境影响,在火焰周围布置石英管等形式的隔层,有无隔层的装置分别如图1(d)和图1(e)所示.Duan 等[10]和Goldmann 等[11]还在实验装置的射流火焰周围安装了值班火焰,如图1(d)和图1(e)所示.

图1 常压射流预混火焰实验装置Fig.1 Experimental devices for jet premixed flame under atmospheric pressure

近年来不乏在高温高压条件下开展的富氢燃料回火研究[12-23],在报导的实验条件中,燃料氢含量在25%～ 100%范围,最高压力达到15 atm,最高温度达到约900 K.文献中采用的加压装置的示意图或实物如图2 所示,装置在各方向设有高压观察窗,以观察火焰形态和回火过程.除了直接观察以外,通常还在燃烧器出口前埋入热电偶,以通过温度信号检测回火.研究者采用粒子图像测速(PIV)、OH 荧光[21]及OH 平面激光诱导荧光(OH-PLIF)[22-23]等测量手段进行火焰的表征.近5 年来McDonell 等[3,24]还对纯H2火焰的回火开展了研究,其采用的加压实验装置列于图2 中.

图2 加压射流预混火焰实验装置Fig.2 Experimental devices for jet premixed flame under elevated pressure

现有研究对燃料氢含量[4-17]、来流温度和燃烧压力[12,21-24]、喷嘴结构尺寸及布置方式[4,13,18-19,25]和声激励[5,13,18]等因素开展了系列实验研究,得到以下发现: 氢含量通过影响火焰传播速度和火焰厚度作用于回火过程,氢浓度增加导致火焰的回火倾向增强,在富氢范围下尤为明显;高温高压条件增强了回火趋势,回火的临界参数与来流温度、燃烧压力存在幂指数的经验关系;喷嘴结构尺寸通过火焰拉伸和壁面热效应影响回火,对小尺寸喷嘴和较高当量比的情况尤为重要.详细的研究结果在后面的章节中将做单独介绍.

2 富氢燃料射流预混火焰回火数值模拟的研究概述

学者们在开展富氢燃料气射流预混火焰回火实验研究的同时,也开展了相当的数值模拟研究,模拟以直接数值模拟(DNS)[26-27]和大涡模拟(LES)[28-29]为主,通常与实验结果对比,并比较两种方法预测回火边界条件的准确性.DNS 通过直接数值求解Navier-Stokes 方程,解算出所有湍流尺度的流场信息,计算成本较高,通常应用于相对小规模的问题.LES 通过滤波将流场分为不同尺度的结构,对流场的大尺度结构进行直接模拟,对小尺度结构采用模型计算,相对于DNS 具有较低的计算成本.

Gruber 等[26]利用DNS,在1～ 2 atm 下,研究了H2/空气火焰的湍流边界层回火过程.结果发现火焰面上游的近壁面处存在逆向流动(回流),参见图3,指出了将Lewis 等[30]的临界速度梯度模型直接应用于湍流边界层回火中是不充分的,经典的临界速度梯度模型中假设火焰对上游来流的影响可忽略不计,这一假设将引入较明显的预测误差.根据DNS模拟结果指出,火焰上游的近壁面回流能够促进燃烧过程,进而提高火焰传播速度,一定程度上促进了回火,高压下此效应更显著.Vance 等[27]对管内氢火焰的DNS 模拟也发现了类似的回流现象(参见图4).

图3 回火临界状态的速度标量、向量场(向右为正)[26]Fig.3 The velocity scalar and vector fields in the critical state of flashback (positive to the right) [26]

管道壁面性质等参数在实验中较难调节,数值方法为相关研究提供了便利.Vance 等[27]利用DNS 研究了H2/空气预混火焰回火与壁面粗糙度及热膨胀率之间的关系(回火过程参见图5),结果表明,粗糙壁面通过改变流场和传热对回火产生影响:在粗糙壁面附近形成约3～ 4 倍的火焰厚度的流动滞止区域,增强了热损失,导致火焰的淬灭距离和渗透距离增大,进而引起壁面附近火焰传播速度和临界速度梯度发生改变.对于金属等材料,粗糙壁面主要通过加强散热的途径降低回火趋势.研究表明,增加壁面粗糙度可作为燃烧设备防止回火的一种途径.

Thibaut 等[28]利用LES 计算了在后向台阶结构中,燃烧不稳定引起的回火,台阶结构引入了主频90 Hz 的压力波动,压力波动进一步引起燃烧不稳定并诱发回火.模拟中采用Smagorinsky 湍流模型,由于划分的网格单元较粗(0.3 mm),计算中为了提高网格对火焰的分辨能力,采用“火焰增厚技术”,即增加扩散系数、减小反应指前因子,在保持火焰传播速度不变的条件下增加火焰厚度,由此实现了较粗网格单元的计算.Endres 等[29]利用LES 模拟了管内受限流动条件下氢火焰的回火过程,采用Smagorinsky湍流模型,将冷态模拟结果作为燃烧模拟的初始条件,使用复杂化学反应机理,燃烧模型为有限速率模型,忽略了亚格子湍流和化学反应之间的相互作用.结果发现,利用LES 得到的临界速度梯度与DNS模拟结果以及实验结果基本一致,表明LES 方法预测边界层回火具有一定的准确性.

目前有关回火的DNS 及LES 模拟研究中,研究对象以H2/空气射流火焰为主,H2以外燃料回火的数值研究非常少,一个原因也是因为H2火焰的化学反应机理方便易得,所需计算资源相对较少.Choudhuri[31]和Ihme 等[32]的LES 模拟研究涉及H2/CO/CH4火焰回火,但未展示回火临界参数.Zheng 等[33]和Li 等[34]针对H2/CO 燃料开展了LES 模拟,其中,Zheng 等[33]采用4 步简化反应机理和涡耗散概念模型模拟了火焰的瞬态特征,Li 等[34]则采用16 步详细化学反应机理和线性涡黏性模型模拟了火焰的稳态特征.但上述研究均未涉及火焰的回火特性.

综上,数值模拟在研究富氢燃料射流火焰回火方面发挥了重要作用,以直接数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES)为主.然而,目前的数值研究主要集中在H2/空气火焰上,对富氢燃料的各种燃料组合的回火特性研究相对不足.此外,一些模拟采用了简化的化学反应机理,可能限制了对实际火焰行为的准确模拟.为深入理解回火机理,未来的数值研究需要更广泛地涵盖不同燃料组合,并在实验验证和化学反应机理验证等方面取得更进一步的进展.

3 富氢燃料射流预混火焰回火的影响因素研究

3.1 燃料氢含量的影响作用

有关富氢燃料组分对回火的影响,研究工作比较充分,相关研究主要关注H2/CO/CH4燃料体系中氢含量的影响,近期也有针对燃料体系为H2/NH3射流火焰回火特性的研究.

Davu 等[13]和Dam 等[5]开展了射流火焰的回火实验,考察了氢含量(混合燃料中H2的体积分数)的影响,结果表明火焰的回火行为一般由H2反应动力学特性主导.图6(a)和图6(b)所示分别为不同氢含量下H2/CO(合成气)和H2/CH4射流火焰临界速度梯度的变化,可以看到,氢含量增加引起射流火焰发生回火的倾向性增强,此外,合成气射流火焰的回火速度受H2浓度的影响更大.

图6 不同氢含量下临界速度梯度随燃料体积分数变化[5]Fig.6 Critical velocity gradient in variation with fuel volume fraction under different hydrogen contents[5]

Tuncer 等[6]通过实验研究了不同氢含量对受限空间内射流火焰回火的影响,图7 所示分别为纯甲烷和50%-50%H2-CH4射流火焰的OH*自发光荧光图像,可以看到,H2的添加使得火焰根部下移到更上游区域.

图7 (a) CH4 和(b) 50%-50% H2-CH4 射流火焰的OH*自发光荧光图像(ϕ=0.7,固定流率)[6]Fig.7 OH* chemiluminescence images of (a) CH4 and (b) 50%-50%H2-CH4 jet flames (ϕ=0.7,fixed flow rate) [6]

定量研究中,Kröner 等[14]和Xu 等[4]利用经典的Peclet 数(Pe)关联式统一表达不同组分下的回火边界条件.Kröner 等的研究中,燃料为CH4/H2,燃烧条件为常压、373 K～ 723 K.Xu 等[4]的研究中,燃料为 H2/CO,其中氢含量为0～ 80%,燃烧条件为常温常压.Pe关系式如下

式中Peu为来流的Peclet 数,Pef为回火对应的Peclet数,C为比例系数,u为来流速度,d为管径,α为来流的热扩散系数,SL为层流火焰速度.

Lin 等[23]利用Lewis 数(Le)、湍流火焰传播速度、层流火焰厚度来定量预测H2/N2火焰的临界速度梯度,实验中H2浓度范围为75%～ 100%,临界速度梯度预测值按照以下公式计算

式中ST为湍流火焰传播速度,δ0为层流火焰厚度.该模型中,Le体现了氢组分优先扩散效应的影响,常规碳氢燃料的Le接近于1,富氢燃料的Le小于1,那么,随着氢含量增加,燃料的Le不断减小,相应地,临界速度梯度逐渐增大.

Shaffer 等[15]在常温常压下测量了50%～100%H2/0～ 50%CO/0～ 50%CH4的临界速度梯度,基于燃料组分和绝热火焰温度得到经验关系式

式中χi为燃料中各组分的体积分数,Tad为绝热火焰温度.该关系式对常温常压下H2/CO/CH4燃料回火的临界速度梯度预测如图8 所示,可以直接获得不同组分燃料的回火边界,但是难以直观地表现出氢含量的具体作用.注意此关系式是基于常温来流、1700 K 和1900 K 绝热火焰温度的实验数据获得,因此,对于预热来流以及更宽范围当量比情况,预测准确性还有待进一步检验.

图8 1700 K 和1900 K 绝热火焰温度条件下临界速度梯度预测值[15]Fig.8 Predicted critical velocity gradient under adiabatic flame temperature conditions of 1700 K and 1900 K[15]

Goldmann 等[11]开展了系列H2/NH3/空气混合物射流火焰回火实验,研究了不同氢氨比例对火焰回火特性的影响.图9 所示为不同比例H2/NH3/空气射流火焰的回火速度随混合物当量比的变化,对于纯H2/空气射流火焰,在当量比0.378～ 0.795 范围,回火速度介于4.2～ 13.8 m/s 之间;随着燃料混合物中氨气比例上升,即氢含量下降,可以看到,射流火焰的回火速度呈下降趋势,如氢气含量50%,当量比0.624～ 0.87 之间,回火速度位于1.3～ 2.99 m/s 范围,回火倾向减弱,这主要归因于层流燃烧速度的降低和层流火焰厚度的增加.

图9 不同氢/氨比例下射流火焰回火速度随混合物当量比的变化[11]Fig.9 The flashback speed of jet flame in variation with equivalence ratio under different hydrogen/ammonia ratios[11]

近年来,随着碳减排等相关环保政策和指导意见的陆续出台,国内学者围绕燃气轮机内富氢燃料气的利用问题也开展了一定的研究工作.中南大学的胡舸等[16]基于本生灯火焰测试,研究了H2掺混对CH4空气预混火焰传播的影响.结果表明,氢气掺混使得预混火焰的回火极限显著提高.重庆大学的魏胜[17]使用本生灯测量了掺氢甲烷边界层回火的临界速度梯度,在0～ 30%掺氢范围内,临界速度梯度随氢含量近似呈线性增长;此外比较了9,13,15.4 mm 管径的结果,随着管径增加,临界速度梯度降低,并且其关于氢气含量的增长率也逐渐降低.

总结现有研究可知,氢含量对射流火焰的回火行为有显著影响,由于在燃烧过程中氢气的反应动力学等因素,氢含量的增加使得火焰发生回火的倾向性增强.一些研究采用Peclet 数和Lewis 数等无量纲数来描述不同氢含量下的回火边界条件.这些参数关联了组分、火焰传播速度和火焰厚度等因素,通过数学模型来定量预测不同条件下的临界速度梯度.

3.2 来流温度和燃烧压力等运行参数的影响作用

实际燃气轮机燃烧室通常为高温高压环境,压力可达十几个大气压、来流温度达600 K 以上,这必将导致燃料的燃烧和稳定特性区别于常温常压环境下的结果,使得基于常温常压条件获得的回火模型并不能对燃气轮机燃烧室的回火行为进行合理的预测.基于此,近年来,学者们针对高温高压环境下富氢燃料气的回火问题开展了系列研究,其中来流温度大致在400～ 800 K 之间,燃烧压力在1～ 15 atm之间[13,23-24].

Duan 等[10]在常压、300～ 810 K 预热条件下,考察了喷嘴材料及喷嘴尖端温度对H2/CO/CH4混合燃料的湍流射流火焰回火的影响,实验所用喷嘴直径约21 mm,火焰被置于直径63.5 mm 的石英腔内,针对不同燃料,分别控制绝热火焰温度(1700,1900 K)和来流空气量不变,其中前者占主要,后者在流量较低时使用.实验中分别采用石英和不锈钢两种材料,结果表明,相同来流条件下,发生回火时石英材质的喷嘴尖端温度更高,同时,石英材质对应的回火速度达到不锈钢喷嘴的两倍.将回火的临界速度梯度与喷嘴尖端温度对应的层流火焰速度、热扩散系数和熄灭距离进行关联,并得到相应的比例关系,因此建议在射流的边界层回火预测模型中采用尖端而不是来流的温度对应的物性参数更为合理

式中α为喷嘴材料的热扩散系数,dq为预混火焰熄灭距离,下标0 表示参考温度(火焰以甲烷为参考),下标tip 表示回火时的喷嘴尖端温度.该关联式适用于1700～ 1900 K 绝热火焰温度的H2/CO/CH4燃料,此时当量比不超过0.75.对于富氢燃料火焰,接近化学当量比时,绝热火焰温度增长较快,对喷嘴壁面的加热作用更强,因而更高当量比条件下喷嘴温度对回火的影响还有待验证.

Kalantari 等[3]考察了当量比、来流温度和压力对氢火焰回火速度的影响,实验结果如图10 所示,可以看到,500 K 预热条件下,氢火焰的回火速度、临界速度梯度均和压力存在幂次关系,贫燃范围内,压力的幂指数随当量比的增加而增加,主要原因是熄灭距离和层流燃烧速度均为压力的幂函数,且压力的指数与当量比大小有关.此外,Kalantari 等[3]根据高温高压条件下的实验数据,建立了氢火焰回火关联模型

图10 500 K 预热条件下,氢火焰回火速度、临界速度梯度和压力的关系[3]Fig.10 The flashback speed and critical velocity gradient of hydrogen flame in variation with pressure under 500 K preheating[3]

式中Da=/(αgc),Le=ud/ν,Pef=SLd/α,C为比例系数,Tu,Ttip和T0分别表示来流温度、喷嘴尖端温度和参考温度,Pu和P0分别代表来流压力和参考压力.从关联式可以得到,氢火焰回火的临界速度梯度与来流温度、喷嘴尖端温度和来流压力存在正的幂次关系,其中当量比对回火的影响隐含在层流火焰速度等变量之中.Lin 等[8]对氢含量70%,85% 和100%(氮气稀释) 的燃料开展了实验研究,在5,10 bar,573,623,673 K 条件下,固定来流速度40 m/s,得到回火对应的临界当量比,也发现了临界当量比和温度、压力之间的幂次关系.

Hoferichter 等[18]对矩形通道受限空间内H2/空气火焰的回火特性开展了系列研究,考察了预热温度对回火特性的影响,此外,考虑壁面附近火焰拉伸和湍流的影响,建立了相应的边界层回火预测模型.图11 中展示了模型预测值与实验值的对比情况,二者符合地很好.

图11 不同预热温度下H2/空气火焰回火速度的模型预测值与实验值对比[18]Fig.11 Comparison between model predictions and experimental results of H2/air flashback speed under different preheating[18]

Goldmann 等[11]将过去的工作加以延伸,研究了预热温度对H2/NH3/空气湍流射流预混火焰回火特性的影响,其中未燃混合物预热温度范围为293 K～557 K.图12(a)和图12(b)分别为不同预热温度下射流火焰回火速度随混合物当量比和层流燃烧速度的变化,可以看到,未燃混合物的预热温度对射流火焰回火速度的影响显著,对于60%H2/40%NH3/空气火焰,当量比为0.8 时,预热温度分别为416 K 和554 K 条件下,回火速度相比293 K 结果分别增大了1.6 和2.5 倍;对于70% H2/30% NH3/空气火焰,当量比为0.8 时,预热温度分别为421 K 和557 K 条件下,回火速度相比293 K 结果分别增大了约1.6 和2.4 倍.从图12(b)可以看出,回火速度与层流火焰速度强相关.此外,作者将经典的边界层回火模型进行了一定扩展,使其能够考虑未燃混合物预热温度的影响,改进后的模型预测效果良好,结果参考图13.

图12 不同预热温度下射流火焰回火速度随(a)混合物当量比和(b)层流燃烧速度的变化[18]Fig.12 Flashback speed of jet flame in variation with (a) equivalence ratio and (b) laminar flame speed under different preheating[18]

图13 不同条件下回火模型预测值与实验值对比情况[11]Fig.13 Comparison between model predictions and experimental results of flashback models under different conditions[11]

除了临界速度梯度,加压条件的研究中通常固定来流速度,使用回火时的当量比或绝热火焰温度描述燃料的回火倾向,回火时的当量比或绝热火焰温度越低则越容易回火.

Noble 等[12]在1.7 和4.4 atm 下开展了合成气回火研究,绝热火焰温度作为回火时的临界参数,发现更高的压力下临界绝热火焰温度更低,这意味着高压下火焰更容易发生回火.Ebi 等[35]在1.2～ 7.5 atm,473～ 673 K 条件下,通过固定来流速度测量了H2/CH4燃料回火的临界当量比,氢含量范围是50%～ 85%.Ebi 等[35]开展了射流火焰回火的加压实验,结果发现,加压条件下,氢含量增加,火焰的回火倾向增强,与常压结果一致.Daniele 等[22]研究了1～15 atm 下H2/CO 燃料的回火特性,氢含量固定为50%,实验中通过控制来流速度获得临界当量比.研究表明,来流温度和压力对回火的影响分别遵循1/ϕ～Tx,1/ϕ～p-1/2关系式,其中,x为拟合系数.提高来流速度时,回火对应的临界当量比变化很小,因此认为在燃气轮机燃烧室中通过提高来流速度来抑制回火是困难的,应当转向降低火焰速度等策略.

3.3 喷嘴结构尺寸及布置方式的影响作用

喷嘴尺寸可能对喷口附近气流的分布产生一定影响,进而影响火焰的回火行为.研究发现,mm 级的喷嘴会对边界层内渗透距离产生影响,而更大尺寸的喷嘴则有可能通过其他因素作用于回火的临界速度梯度,例如改变火焰对喷嘴的热效应.

Davu 等[13]开展了H2-CO 和H2-CH4射流火焰的回火实验,考察了喷嘴直径对火焰回火行为的影响.实验结果发现,喷嘴直径增加引起临界速度梯度增大;与H2-CH4火焰相比,喷嘴直径对H2-CO 火焰回火倾向性的影响在贫燃和富燃侧均更为明显.Dam 等[5]也进行了类似的实验研究,如图14 所示,结果与Davu 等[13]的结果基本一致.

图14 不同喷嘴直径下临界速度梯度随燃料体积分数变化[5]Fig.14 Critical velocity gradient in variation with fuel volume fraction for different nozzle diameters[5]

Khitrin 等[19]通过实验测量了不同喷嘴直径下H2/空气射流火焰的回火速度,发现湍流条件下H2/空气火焰的回火速度与喷嘴直径无关,这与层流条件下回火速度与管径正相关的结果不同.Eichler等[20]利用直径为40 mm 的燃烧器喷嘴开展H2/空气火焰的回火实验,结果表明,当量比ϕ＜ 0.7,喷嘴直径对H2/空气湍流火焰回火速度的影响不明显,这与Dam 等[5]关于合成气的结果类似;随着ϕ增大,管径的影响逐渐显著,如直径为18 mm 的喷嘴对应的临界速度梯度显著高于其他情况.

Hoferichter 等[18]基于经典的层流边界层回火理论[30],考虑火焰拉伸对喷嘴壁面附近燃烧速度的影响对预测模型进行修正,并利用CH4/空气和H2/空气层流射流火焰的回火实验数据进行校验,结果分别如图15 和图16 所示.观察图15 可以看到,对于CH4/空气火焰,修正模型与临界速度梯度模型以及实验数据符合较好.图16 所示为H2/空气火焰结果,可以看到,ϕ＜ 0.7 时,临界速度梯度模型与实验数据符合较好;ϕ≥ 0.7 时,临界速度梯度模型的预测值产生了较大的偏差,而修正模型预测良好.结果表明,在较高ϕ下,相比CH4/空气,H2/空气的射流火焰受到的拉伸作用更大.

图15 针对层流火焰回火速度,临界速度梯度模型和修正模型预测值与实验值对比(CH4/空气火焰)[18]Fig.15 Comparison of critical velocity model,modified model,and experimental results of laminar flame flashback speed (CH4/air flame) [18]

图16 针对层流火焰回火速度,临界速度梯度模型和修正模型预测值与实验值对比(H2/空气火焰)[18]Fig.16 Comparison of critical velocity model,modified model,and experimental results of laminar flame flashback speed (H2/air flame) [18]

此外,在射流火焰的布置方式方面,Xu 等[4]考察了喷嘴外围伴流对CH4和H2/CO 射流火焰回火的影响,随着伴流速度增大,火焰形状从锥形逐渐转变为M 形,回火机理则从边界层回火转变为中心流回火.Baumgartner 等[25]在燃烧器管内引入横向空气射流,研究其对氢火焰回火的影响.实验结果表明,横向射流可改善火焰的回火倾向,并且发现在出口上游约10 cm 处引入约占总空气量10%的横向射流时效果最佳;然而,在此基础上继续增加横向射流却促进了回火的发生,且为中心流回火,此情况下,出口速度分布发生变化,同时火焰形状改变,呈郁金香形.Baumgartner 等[25]认为,回火倾向降低的主要原因是近壁混合物被稀释,而横向射流带来的额外动量所起的作用可以忽略不计.

3.4 声激励或者热声耦合的影响作用

燃烧室可视为声学谐振腔,燃烧放热率的波动将引起压力和速度的波动,当放热率扰动和压力扰动满足Rayleigh 准则,即满足一定的相位差条件时,声波获得能量,若此能量增益超过其在壁面附近的能量损失,声波将持续增强并带来热声不稳定性,这一现象则被称为热声振荡[36-37].热声振荡的主要影响因素一是流动过程中周期性的涡脱落造成放热率的周期性变化,二是燃烧室内的声波运动与燃烧过程的耦合[38].

Davu 等[13]和Dam 等[5]开展了声激励对射流火焰回火特性的影响,发现声激励对回火倾向性的影响并不明显(参见图17).Tuncer 等[6]通过实验研究了热声振荡诱导的压力波动与回火之间的关系.图18所示为相平均压力、放热率和回火信号.从图中可以看出,纯CH4及H2体积分数10%条件下,火焰未发生回火,当增大H2体积分数到50%时,回火发生,且回火信号与动态压力的变化趋势相似,表明二者之间密切的相互关系.Hoferichter 等[18]通过实验研究了热声振荡对H2/空气火焰回火特性的影响,结果发现,声激励的振幅增加,回火的风险增大,该效应在低频振荡中表现更为显著.综合来看,热声振荡对火焰回火行为的影响涉及声激励的强度、频率等因素,较高频率(300～ 700 Hz)声激励对回火倾向性的影响较小,但在低频振荡中,声激励增加了回火风险,且振幅的增加起促进作用.这表明在研究热声振荡对火焰回火的影响时,需要考虑多种因素的复杂相互作用.

图17 不同声频下临界速度梯度随燃料体积分数变化(25%-75% H2-CO)[5]Fig.17 Critical velocity gradient in variation with fuel volume fraction under different sound frequencies (25%-75% H2-CO) [5]

图18 相平均压力、放热率及回火信号[18]Fig.18 Phase average pressure,heat release rate,and flashback signal[18]

3.5 微混燃烧与富氢燃料气的回火

微混燃烧是一种适用于富氢燃料气的燃烧技术,能够减轻燃烧器的回火倾向,最早由欧盟提出[39],近年来多种设计方案陆续提出,部分设计如图19 所示.图19(a)是Funke 等[39]早期提出的微混燃烧器设计,燃料和空气在喷嘴出口沿轴向混合,经测试发现燃烧时存在局部热点;图19(b)是中国科学院的张哲巅团队[40-43]提出的一种微混燃烧器设计,燃料和空气在管壁开孔处沿横向混合,经研究得到该燃烧器掺混均匀度的影响因素有燃空动量比、空气孔间隙和空气孔与燃料入口间距离等[42];图19(c)是哈尔滨工业大学的邱朋华团队[44]提出的采用微混燃烧技术的模型燃烧室,由40 个单元喷嘴构成,具有较好的防回火性能.

图19 各种微混燃烧器的设计Fig.19 Design of various micro-mix burners

通常意义上,微混燃烧器可以防止回火发生,但随着燃料氢含量的增加,仍可能出现回火风险[38].微混燃烧器的来流气体在喷嘴出口附近的短距离内预混,停留时间较短,可能存在一定的不均匀性,燃料和空气的混合均匀性可能影响燃烧速率,进而对回火造成影响.Anselmo-Filho 等[45]通过分层燃烧器考察了混合均匀性对湍流燃烧的影响,发现对于平均当量比相同的CH4/空气预混火焰,分层预混火焰的总燃烧速率高于均匀预混火焰,这说明了来流的不均匀性可能提高燃烧速率.清华大学李丹等[46]通过改变混合方式研究了混合均匀性对H2/CO 燃料回火的影响,发现来流混合均匀性较差时火焰具有更高的边界层回火倾向,与贫燃火焰相比,接近化学当量比的火焰受气体混合不均匀的影响更大,对以上结果的解释是混合不均导致壁面附近的局部当量比变化,造成局部火焰传播速度的提高并引发回火.

4 展望与结语

近年来,有关富氢燃料气射流火焰回火问题受到重视,研究人员在来流常温及常压条件下开展了丰富的研究,获得了一系列的实验数据,利用DNS和LES 数值模拟方法研究了回火过程中火焰和流场的相互作用.通过研究,获得了喷嘴直径、燃料组分、喷嘴壁面、温度和压力等对回火的影响规律.理论上,一些学者从临界速度梯度理论出发,基于Pe,Le和Da等无量纲准则数建立了富氢燃料气及纯氢的回火模型.

然而,目前研究所涉及的燃料组分、来流温度、环境压力及燃烧场等与燃气轮机实际及未来可能的运行工况尚存在较大的差别,为此,本文就富氢燃料射流预混火焰回火研究做出以下展望.

(1)加强探究火焰与壁面之间的相互作用过程,通过实验和数值模拟等手段,研究边界层流动、壁面传热和化学反应及其耦合对回火特性的影响.

(2)加强与实际燃气轮机工况接近的实验和模拟开展,对实际燃气轮机运行工况的回火行为获得更好的认识.目前加压条件下纯氢以外的回火研究相对匮乏,需开展更多的富氢燃料气射流火焰在高温高压条件下的回火行为研究,探索热场、声场耦合下燃烧场中的回火特性,提高回火预测模型的适用性.

(3)加强富氢燃料气回火计算的化学反应机理验证,受限于详细化学反应机理的复杂度,目前回火的数值研究对象以H2/空气射流火焰为主,燃料气化学机理适用性有待验证.

(4)加强探索回火抑制技术或者防回火的燃烧技术研究.通过设计运行策略、引入防止回火措施、发展防回火性能更佳的燃烧器等手段,降低设备回火风险,提高燃气轮机在使用低碳燃料时的安全性和可靠性.