掺氢旋流火焰近熄火流动-火焰耦合作用及稳焰机制

作者：张玮杰a，王金华a*，吴云b，张猛a，黄佐华a

单位：a西安交通大学，动力工程多相流国家重点实验室，西安，

b空军工程大学，等离子体动力学重点实验室，西安，

1、摘要

预混稀燃旋流是航空发动机和燃气轮机燃烧室中常用的清洁高效燃烧组织方式，燃机在预混稀燃工况变动下，如瞬时流速增加或突降时极易发生局部甚至整体熄火。旋流火焰内外回流区组分场、速度场多维同步实验数据缺失限制了对稳焰机制的理解、湍流燃烧模型的验证开发及燃烧组织技术研发。先进多维多参量同步激光诊断技术为复杂燃烧流场测量提供了实验工具。同时，面向能源动力领域双碳目标，氢是优良的可再生能源载体和零碳清洁燃料，燃烧是氢能利用的重要技术。本研究基于模型旋流燃烧室，利用PIV/OH-PLIF同步激光诊断技术，测量了CH4/H2（体积掺氢比达到80%）预混稀燃旋流火焰近熄火工况的速度场、组分场2D同步信息，获得了内外剪切层、回流区的详细结构，阐明了掺氢增加拉伸火焰速度，提高火焰极限拉伸率，从而降低过量拉伸，缓解火焰根部拉伸淬熄的稳焰机制。

2、正文

（1）研究背景

旋流一般会形成明显的回流区，并用于稳焰。高速来流与回流区之间的剪切、拉伸可导致火焰面局部猝熄、猝熄发展和最终整体熄火。部分研究认为，剪切层局部熄火后，冷流入侵回流区是促进整体熄火的主要因素；也有研究认为，回流区末端大量冷流回流是熄火的主要原因。此外，根部猝熄和抬升也对火焰稳定性有极大影响。氢气具有特殊的强反应和扩散性，掺氢将显著增加拉伸火焰速度、提升极限拉伸率，对火焰回流区和局部熄火会有重要影响。通过多场多组分同步激光诊断技术，可对湍流拉伸、湍流涡和火焰面的耦合作用进行深入分析，进而揭示熄火和掺氢稳焰的关键机制。同时，实验数据也将支撑湍流燃烧模型的验证发展和燃烧组织技术研发。

（2）研究方法

实验在当量比不断降低至熄火极限过程中，对火焰结构和速度场进行测量，从而探究稀燃吹熄和掺氢稳焰机制。本研究采用甲烷掺氢（CH4/H2/air）预混火焰，掺氢体积分数为0%，40%和80%，燃烧功率约为30KW。本研究对旋流火焰开展PIV（ParticleImageVelocimetry）与OH-PLIF（PlanarLaser-InducedFluorescence）同步测量，PIV可获得二维速度场，OH-PLIF可获得OH基分布及代表反应区的火焰面。图1所示为燃烧器和激光诊断测量系统图，及基于OH-PLIF测量提取火焰面和平均火焰刷的过程。

图1实验装置、测量装置及数据处理

（3）结果与讨论

火焰OH-PLIF直接测量结果如图2所示。可观察到在当量比降低且不断靠近吹熄极限的过程中，火焰不断向钝体上方回流区缩进。同时，在相同当量比下，掺氢火焰燃烧速度增加，燃烧强度提高，火焰面向外侧扩张。

图2不同当量比和掺氢比火焰OH-PLIF测量结果示意

为了探究流体拉伸对火焰的影响，研究基于层流对冲火焰计算拉伸火焰速度和极限拉伸率，如图3所示。可见，富氢燃烧拉伸火焰速度大幅增加，同时极限拉伸率更高，因此富氢燃烧稳定性一般明显提高。同时富氢火焰表现出负Markstein数特性，而无掺氢的CH4/air火焰一般为正Markstein数。本研究根据局部流动拉伸率与极限拉伸率的差值，估计出局部过量拉伸率，进而预测局部熄火概率。

图3拉伸火焰速度及极限拉伸率计算

过量拉伸率在火焰刷中的条件分布如图4所示。无H2掺混时，过量拉伸率较大，并且在降低从而逼近熄火极限时，过量拉伸率不断增加；特别是，过量拉伸首先出现在火焰根部附近。掺氢能显著减小过量拉伸，但观察40%掺氢比时的低当量比火焰，其过量拉伸也存在，并且最开始出现在根部。这说明根部在火焰临熄火过程中，应该是最先出现局部燃烧强度降低的部分，并且对稀燃稳定性影响最大。同时，研究发现过量拉伸的主要来源是流体的剪切变形（占总拉伸率的60%以上）。图4给出了掺氢80%时的流体剪切变形率分布，其中火焰根部形变最为明显，且这些形变拉伸即使在高掺氢比火焰中依然存在。不同的是，高掺氢比火焰抵抗形变拉伸作用较强，因此根部更加稳定，整体火焰不易被吹熄。

图4过量拉伸率在火焰刷中的分布

本研究剪切层涡采用Q准则识别，剪切层涡与火焰耦合作用如图5所示。可见，远离吹熄极限时（具有H2掺混或当量比较高），火焰面大致分布在内外剪切层涡之间，而靠近吹熄极限时，内剪切层涡直接作用于火焰面并造成明显褶皱。从平均涡量分布可以看出，远离吹熄时，内剪切层涡处于已燃区侧；此时，内剪切层涡主要起着促进已燃气与内回流区产物均匀混合的作用。而靠近吹熄时，部分内剪切层涡可能处于未燃区，因而会促进未燃微团向火焰面的输运。然而，靠近吹熄极限时，由内剪切层涡带来的未燃微团很可能不能被直接点燃，或者发生点火-猝熄-再点火的过程，最终会降低回流区温度，并促进整个熄火过程。

图5剪切层涡与火焰耦合作用分析

（4）结论与展望

本研究利用PIV/OH-PLIF同步激光诊断技术，测量了CH4/H2预混稀燃旋流火焰近熄火工况的速度场、组分场2D同步信息，获得了内外剪切层、回流区的详细结构，阐明了掺氢增加拉伸火焰速度，提高火焰极限拉伸率，从而降低过量拉伸，缓解火焰根部拉伸淬熄的稳焰机制。

本研究主要揭示湍流/旋流对无限薄火焰面的影响；进一步，基于PIV/OH-/CH2O-PLIF或PIV/CH-/OH-PLIF等技术，获得速度场与预热区、反应区和已燃区等火焰面内部结构的同步信息，将极大促进对预混稀燃吹熄和掺氢稳焰机制的理解，支撑湍流燃烧模型发展和燃烧组织技术研发。

3、参考文献

WeijieZhang,JinhuaWang*,RunzeMao,WenjunLin,BingxuanLin,YunWu,MengZhang,ZuohuaHuang.Experimentalstudyof

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkgx/598.html