贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性_杨甫江
第20卷 第1期 2014年2月 燃 烧 科 学 与 技 术
Journal of Combustion Science and Technology
V ol.20 No.1Feb. 2014
收稿日期：2013-06-18．
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB707301)；国家自然科学基金资助项目(51076056；50936001；51021065)． 作者简介：杨甫江（1986— ），男，博士研究生，nwpuyang@https://www.wendangku.net/doc/088812749.html, ． 通讯作者：郭志辉，男，硕士，副教授，gzh01@https://www.wendangku.net/doc/088812749.html, ．
贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性
杨甫江，郭志辉，任立磊
(北京航空航天大学能源与动力工程学院，航空发动机气动热力国家重点实验室，北京 100191)
摘 要：在低污染模型燃烧室上，从实验角度研究了常温常压下贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性．主要着眼于当量比、旋流数和掺混段结构对于燃烧不稳定性的影响．结果表明，当量比对燃烧的稳定性具有重要影响，随着当量比的提高，燃烧经历了稳定-不稳定-极限环，振荡的频率变化不大，而脉动压力幅值显著增大，最终达到极限环状态．旋流强度增大会导致压力脉动增大，进入不稳定的最小当量比降低．实验所采用的开孔掺混方式与开放式的自由混合方式相比，对燃烧不稳定压力脉动有减小的效果．
关键词：燃烧不稳定性；贫燃预混火焰；旋流；极限环
中图分类号：V235.11 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2014)01-0051-07
Combustion Instability of Lean Premixed Swirl Flame
Yang Fujiang ，Guo Zhihui ，Ren Lilei
(National Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engines ，School of Jet Propulsion ，
Beihang University ，Beijing 100191，China )
Abstract ：An experimental study was conducted on combustion instability in a lean-premixed swirl-stabilized com-bustor at atmospheric pressure and temperature. The primary objectives were to study the influence of equivalence ratios ，swirl number ，geometry of premixed sector on combustion instability. The result also revified the influence of equivalence ratios on combustion instability ，demonstrating that the combustion process consisted of stable ，pause oscillation ，instable steps with little variation of frequency and great expansion of peak value of oscillation pressure ，finally achieving limit cycle. With the rise of swirl number ，the pulsation of oscillation pressure increased signally while the lowest equivalence ratio of combustion instability decreased gradually. Compared with the open geometry of premixed section ，the poly porous structure of premixed section could reduce the oscillation pressure in combustor and premixed section.
Keywords ：combustion instability ；lean premixed flame ；swirling flow ；limit cycle
低污染燃烧中贫燃预混燃烧方式因当量比梯度的缺乏以及掺混孔的减少使得燃烧场对声波动、漩涡、速度波动等干扰的敏感性大大高于传统的扩散火焰，因而燃烧不稳定性的问题十分突出[1-2]．燃烧不稳定波动中的低频大幅震荡已经严重影响了燃气轮机的性能和寿命[3]．对该现象的研究已经成为燃烧领域的一个热点．
Lieuwen 等[4-6]对贫油预混燃烧进行了理论研
究，特别是当量比脉动的影响，结果表明，发动机受燃烧不稳定性的影响很大，特别是在贫油工况下．Hermchandra [7]利用低阶模型和详细数值模拟针对火焰热释放对当量比脉动的影响进行了研究，并进行了比较．Zukoski [8]的实验数据表明，化学反应时间的梯度，在火焰接近贫油时明显增加．当量比的微小变化就会导致反应速率的很大波动．Dhanuka 等[9]和Meier 等[10]为了分析LPP (lean premixed prevaporized )
DOI 10.11715/rskxjs. R201306009
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燃烧室不稳定性原因，利用PIV (particle image ve-locimetry )和PLIF (planar laser-induced fluorescence )测量，得到火焰相互作用和剪切层涡脱落造成了燃烧的不稳定性．
Labry 等[11]根据燃烧不稳定性激励机理，分别利用微孔射流控制旋流剪切层以及修改掺混方式来削弱当量比，控制燃烧不稳定性，文献[12]中虽然给出多种削弱当量比的方式，但对其中具体的结构影响没
有进行细致的研究．
本文研究了模型燃烧室贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定特性，分别研究了当量比、旋流数的影响，同时在文献[12]的基础上，针对削弱空气脉动这一方式研究了多种掺混结构，讨论对燃烧不稳定性的影响．为深入研究燃烧不稳定性产生的机理与实施控制提供依据．
1 实验设备及研究方法
1.1 实验台结构及试验件
实验台主要由空气供给系统、燃气供给系统、混合段、燃烧室以及数据测量系统组成，如图1所示. 预混段为内径为80mm 的管路，长度为300mm ，燃烧段为80mm×80mm 的方形燃烧室，长540mm ，混气喷口是环形的，中间钝体为28～32mm ，喷口外径为43mm ，轴向旋流器距离喷口25mm ．
图1 实验台结构示意
实验所用空气采用低压气源供气，气源压力为
0.6MPa ，空气经减压阀和涡轮流量计后，通过一直径为7mm 的音速喷口进入混合段．燃料采用甲烷，纯度为99.9%．甲烷沿轴向进气孔喷射．
实验采用的3个轴向直叶片旋流器，旋流数分别为0.428、0.626和0.838．空气流量为17.5g/s ，甲烷燃烧当量比Φ 为0.6～0.95．混合段结构分4种，如表
1所示．
表1 混合段结构
方案 内壁孔数
外壁孔数 端面孔数 1 2 3 4
0 72 72 0
200 200 100 开放
40 40 0 0
1.2 动态压力测量
动态压力的测量选用集成水冷动态压力传感器(美国PCB124A21)、PCB106B50传感器和PCB113B21传感器，信号适调器选择4通道、最大增益为100倍的PCB 482A16型信号调理器．4个传感器(D 、C 、B 和A )位置依次排列，其位置距离进口分别为L D ＝0.17m ，L C ＝0.72m ，L B ＝1.48m ，L A ＝1.69m.整个实验段长度为L ＝2.2m ，燃烧室头部出口位置为1.58m 处．
2 实验结果分析
对于预混火焰，激发燃烧不稳定性的机理一般分
为3个方面：油气的当量比脉动、漩涡脱落、以及火焰面的脉动．而后面两个机理通常耦合在一起[2]．对于所研究的结构，由于空气经音速喷口喷入，压力达到临界状态，则空气的流量稳定，因此燃料流量并不脉动，而且预混段内压力脉动的幅值远低于燃烧室内压力脉动的幅值，可以排除当量比脉动产生燃烧不稳定性的机理．因此，后面两个机理可能是主要原因．与本研究的燃烧室结构大致相同的文献[5,13]认为，其机理可能是火焰动力学和流动脉动间的强烈相互作用．
由于燃烧室头部结构的特点是中心钝体、旋流和突扩面，因此，形成的流场结构非常复杂．燃烧室流场的典型特征是存在中心回流区和角回流区，二者的结构及其相互作用决定了火焰的结构和运动[4]．火焰处于两个回流区之间，通过二者实现火焰稳定．
2.1 当量比的影响
当量比是燃烧室的关键参数，决定了燃烧室的最高平均温度，也决定了污染物的生成量[8]．对于低污染燃烧室，为了控制燃烧区内的温度，一般将当量比控制在贫熄边界附近，通常为0.4～0.7．本实验中，来流温度为常温，所研究的当量比的范围比较宽，为0.6～0.95．
图2和图3是预混段的燃烧室的压力脉动幅值和频率随当量比的变化，可见当量比能够影响脉动强
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弱，随着当量比的提高，压力脉动逐渐增大，最终达到极限循环的极限振幅状态．
图2燃烧室测点与预混段测点压力脉动幅值
随当量比的变化
图3燃烧室测点与预混段测点频率幅值随当量比的变化
随着当量比的增加，燃烧室的温度提高，随之声速也增大，燃烧室的压力脉动与燃烧室的声速成正比．从图2中可以看出，预混段内的脉动明显小于燃烧室，预混段内的压力脉动可能是由燃烧室压力脉动诱发的．从图3可以看出，在当量比0.65～0.90的范围内，随着当量比的增加，激励的频率呈下降趋势，其原因为随着当量比的提高，旋流引发了燃烧室大尺度螺旋结构，相当于增加了燃烧室长度，从而减小了激励频率．
图4和图5是当量比分别为0.610、0.666、0.721、0.777、0.832、0.888和0.943几个典型状态下，燃烧室和预混段脉动压力的FFT(fast Fourier trans-formation)分析．
在当量比较低时，脉动压力小，而且没有明显的主频率，燃烧是稳定的．在燃烧室压力脉动中，有个300Hz的频率，而在进气段中没有，在当量比达到0.70时，发生间歇振荡，瞬间脉动压力幅值达到10000Pa，如图6(a)所示．
当量比大于0.8后，燃烧不稳定性达到最大状态，如图6所示，燃烧室脉动压力达到18000Pa以上，均方根值达到5000Pa，而燃烧室和预混段的振荡主频率为245Hz左右，且激发了二倍谐波．其后，当量比继续增大时，振荡的模态不变，幅值没有明显的变化，可以认为振荡达到极限循环状态，燃烧室和预混段的脉动压力呈较规则的正弦波分布．
对于极限循环状态，一般判断标准是脉动的压力幅值不再增加，即在确定的燃烧室结构和参数的情况下，所能激发不稳定性的最大状态．图7和图8分别为不同当量比时，燃烧室和进气段内脉动压力的统计直方图．可以看出，随着当量比的提高，压力脉动的振幅经历了从单峰到双峰的发展过程．而预混段，也体现了同样的规律．
由以上分析可知，随着当量比的提高，燃烧经历了从稳定到不稳定的发展过程，可见当量比是影响燃烧稳定性的重要因
素之一．
图4
不同当量比时燃烧室内脉动压力的FFT分析图5不同当量比时进气段脉动压力的FFT变化
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（a ）当量比为0.666时脉动压力序列
（b ）A 点5,ms 时脉动压力序列
图6 不同当量比时燃烧室内压力脉动的时间序列图
图7 不同当量比时燃烧室脉动压力直方图
在当量比较低时，火焰的传播速度较小，回流的
已燃气不能提供稳定的点火源，所以火焰不能稳定在中心钝体后．而随着当量比的提高，火焰稳定的条件逐渐改善，使得火焰逐渐能够在钝体后稳定，并形成较为规则的形状．但当量比进一步提高时，燃烧区温度升高，火焰传播速度相应提高，火焰面被推向突扩面方向；而在燃烧室壁面处，由于局部气流速度小，火焰会向上游传播，出现火焰“
闪回”现象，引起角回流区内温度升高，体积增大，压缩火焰面向内运动，
回流区内温度进一步升高，火焰缩短并前后摆动，回流区的形状和位置呈周期性变化．当量比增大会趋向于激发燃烧室的固有声学模态．随着当量比进一步增加，压力脉动从燃烧获得的能量与耗散的能量达到平衡，脉动压力的幅值不再增大，即达到极限循环状态．
图8 不同当量比时，进气段脉动压力直方图
2.2 旋流数的影响
旋转射流所带来的最重要的流动特性是中心回流区(CTRZ )，这一区域的流动与高剪切速率和涡破裂导致的湍流强度有关．尽管这种流动波动加强了油气混合，扩大了火焰的稳定范围，它也会带来不良的燃烧不稳定问题．旋流对于燃烧不稳定的影响有两个方面．第一，高剪切层和涡破裂及旋进涡核(PVC )导致的大尺度的非稳态行为会导致流场不稳定．流动脉动会与燃烧室内的声波耦合，导致燃烧不稳定[19]．第二，旋流会影响火焰的大小、火焰形状和燃烧强度，进而影响燃烧室内的放热分布，并将其对燃烧不稳定的影响放大[6]．因此，有必要研究旋流对于燃烧稳定性的影响．
在本次实验中分别选取了旋流数为0.428、0.626以及0.838这3种轴向旋流器，在不同当量比下产生不稳定模态的频率与振幅．
图9分别为不同当量比(0.60～0.95)时模型燃烧室和进口段测点的频率变化，图10为不同当量比模型燃烧室和进口段测点的脉动压力变化．从两图可以看出，当旋流数较小，即弱旋流的情况下，由于火焰长度明显变长，热释放的区域变大，燃烧室所耗散的能量也随之增加．声源得到的能量减少，其当量比
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在0.70～0.90的情况与旋流数0.65～0.80的情况相似，且激起的频率相似，没有发生不稳定现象．在当量比达到0.90后，才发生不稳定现象，且因温度场低于同当量比下强旋流的温度场，在燃烧段激起1/4模态的波时，其频率低于强旋流场的值．当旋流数在0.428～0.626时，其频率和振幅相差不大，没有明显的区别；当旋流数增大到0.828时，不稳定性在当量比为0.70时就开始发生；而当燃烧室工作在极限环状态时，3种旋流数时不稳定频率基本没有发生明显的变化，这是因为旋流数增大时，其旋流器没有明显的变化，对声波的阻抗变化不大．但由于旋流数增大，影响火焰的大小、火焰形状和燃烧强度，使其对燃烧不稳定的影响放大，其极限环的振幅比前两个旋流数有了提高．
由图9和图10可以看出，在各工况情况下，随着当量比的升高，脉动压力都由稳定变到不稳定，再到“不稳定”的极限循环状态．在所选模型燃烧室，如果在旋流数为0.428的弱旋流情况下，在当量比达到0.9后，才有不稳定现象的发生，当旋流数增加到一定值时，不稳定发生的当量比也会降低．旋流数对燃烧室极限振幅状态下的频率的影响不大，但对不稳定性的振幅有影响，随着旋流数的增大，会导致脉动压力增加．
（a）燃烧室
（b）进口段
图9不同旋流数时燃烧室和进口段测点频率随当量比的变化
（a）燃烧室
（b）混合段
图10不同旋流数时燃烧室和混合段的脉动压力随当量比的变化
2.3 混合段结构的影响
影响燃烧不稳定性的因素之一是燃烧室入口处的速度场和预混气的当量比分布，而混合段的几何结构以及燃料和空气的混合方式，可能对混合气的当量比分布及速度分布产生影响．
在选定的旋流数(0.626)下，分别做了4种不同混合段开孔结构在不同当量比下燃烧室、掺混段频率和压力脉动的实验．
图11比较了4种结构下燃烧室以及混合段的不稳定频率．可以看出，在中等旋流强度下(0.626)，实验室使用的模型燃烧室换用不同的混合段开孔结构对燃烧室和混合段不稳定频率没有明显的影响．这主要是由于不稳定频率是由整个系统决定的，混合段的这一小的改变还不足以影响整个系统的不稳定频率．
图12比较了4种结构下燃烧室以及混合段的不稳定压力脉动的幅值．图中除了开孔方案4的实验结果有明显差异外，其余3个方案在压力脉动的幅值和进入不稳定的当量比两个方面都没有太大区别，可以认为，在本模型燃烧室，中等强度的旋流下(0.626)，各开孔方式对燃烧不稳定性没什么影响．而方案4是完全取消开孔结构而代以开放式的混合方法，该方案的最大压力脉动幅值有显著提高．这可能是由于喷嘴本身是一圈环形的小孔向四周喷射，由小孔喷出的燃料在预混段的管道中与来流空气在下游
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（a）燃烧室
（b）混合段
图11不同掺混段开孔结构下，燃烧室和混合段频率随当量比的变化
（a）燃烧室
（b）混合段
图12不同掺混段开孔结构下，燃烧室和混合段压力脉动随当量比的变化
不断掺混，而带有开孔结构的方案中，喷嘴外还有一个圆筒，圆筒的芯和四壁以及头部根据不同的实验方案设计了多种开孔，燃料从喷嘴的小孔中喷射进这个较大的圆筒，再由该圆筒的众多小孔喷出与来流空气混合，这种方式可能混合得更为均匀，从而降低了燃烧室进口的当量比不均匀性，减弱了最大脉动压力．3 结 论
(1) 当量比是燃烧不稳定性的重要影响因素之一．随着当量比的提高，燃烧经历了稳定-间歇脉动-不稳定的过程，并最终达到极限循环状态；随着当量比的提高，振荡的频率变化不大，而脉动压力幅值显著增大，最终达到极限循环状态．
(2) 燃烧室在高旋流数情况下比低旋流数更容易引起燃烧不稳定，在达到极限振幅的情况时，在较强旋流数时，不稳定性振幅比低旋流数时大，但对其频率的影响不是很明显．
(3) 随着旋流数减小，回流区被进一步拉长，回流区内的逆向速度增加，而旋转射流的正向速度在回流区的逆向冲击下减小，两者速度差的减小导致剪切层区域的剪切应力和能量也越来越小，该区域可为振荡燃烧提供的激励也越来越少．
(4) 掺混段的结构对燃烧不稳定性的影响主要体现在：使燃料和空气逐步混合，更容易得到均匀的出口当量比分布，主要影响了燃烧室的不稳定压力脉动的振幅，而对不稳定频率的影响不大．
发生不稳定燃烧时，对结构燃烧室内振荡频率的激发机理的解释尚存在不完善之处，虽规律明显，但无法完全解释所有的振荡燃烧现象及各参数变化对频率的影响，这有待后续工作的进行．
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