王振林, 李祥晟, 莊士超, 楊詔

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 710049, 西安)

現(xiàn)代低排放燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中廣泛采用貧預(yù)混燃燒方式,其所固有的燃燒不穩(wěn)定性對裝置的安全運(yùn)行危害極大,對不穩(wěn)定燃燒的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究進(jìn)而獲得有效的控制方法具有十分重要的意義。以往的文獻(xiàn)研究表明,燃燒室中燃燒不穩(wěn)定來自于當(dāng)量比的擾動(dòng)和氣動(dòng)力學(xué)引起的渦旋形成及破碎過程,其中當(dāng)量比擾動(dòng)對燃燒不穩(wěn)定的影響已經(jīng)開展了大量的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值研究工作。在一個(gè)螺旋形的旋進(jìn)渦核(PVC)引起的旋渦與燃燒不穩(wěn)定間的關(guān)系方面,目前所開展的研究較少,尤其是數(shù)值研究與問題的復(fù)雜性密切相關(guān)。要捕獲渦旋與不穩(wěn)定燃燒過程,需要能夠?qū)ξ⑿〉牧鲌鼋Y(jié)構(gòu)進(jìn)行描述的精細(xì)模型,計(jì)算量巨大,尤其在湍流耦合燃燒時(shí)更是如此。

內(nèi)回流區(qū)的形成通常會(huì)有PVC伴隨著發(fā)生,其特征是一個(gè)離軸的周期性繞中軸旋轉(zhuǎn)的旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)[1]。大量研究表明,PVC會(huì)通過多種方式影響旋流火焰的穩(wěn)定。例如,PVC會(huì)加強(qiáng)燃料/空氣的混合[2],強(qiáng)化未燃和已燃?xì)怏w的混合[3],卷曲、拉伸以及局部熄滅化學(xué)反應(yīng)區(qū)[4],PVC也有可能與火焰的熱聲耦合振蕩相互作用[5]。在某些燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中,冷態(tài)和熱態(tài)情況下均存在PVC[1-5],而在另一些燃燒室中,冷態(tài)時(shí)存在PVC,熱態(tài)情況下PVC卻被抑制消失。Stohr等使用高速激光診斷法,實(shí)驗(yàn)研究了部分預(yù)混旋流抬舉火焰的動(dòng)力學(xué)特性[6],發(fā)現(xiàn)火焰根部的熄滅與火焰和PVC的相互作用緊密相關(guān)[7]。Oberleithner等通過實(shí)驗(yàn)和線性穩(wěn)定性分析的對比研究,認(rèn)為PVC是一個(gè)總的流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定模態(tài)的表現(xiàn),PVC通常發(fā)生在冷態(tài)流動(dòng)和M型抬舉火焰中,但不存在于V型的依附火焰中,同時(shí),噴嘴出口上方的密度場在PVC形成的過程中起重要作用[8]。Manoharn等的另一個(gè)研究[9]也證實(shí)了PVC會(huì)在由火焰引起的密度梯度較大的工況下受到抑制。Gorbunova等則采用熱源主動(dòng)加熱的方法研究了熱源在不同加熱功率下PVC的頻率和幅度的變化[10]。

國內(nèi)學(xué)者對PVC流場結(jié)構(gòu)也展開了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。樊艷娜等通過實(shí)驗(yàn)方法對不同實(shí)驗(yàn)條件下燃燒室中的冷態(tài)流場進(jìn)行了詳細(xì)分析,并證實(shí)了PVC結(jié)構(gòu)的存在[11]。張宏達(dá)等對悉尼旋流燃燒器的冷態(tài)流場進(jìn)行了大渦模擬,研究了不同旋流數(shù)下的流場結(jié)構(gòu)、旋進(jìn)頻率和旋進(jìn)渦核[12],并采用本征正交分解的方法重構(gòu)了有PVC存在的冷態(tài)湍流脈動(dòng)速度場[13]。在PVC與火焰耦合作用的研究方面,目前尚未有相關(guān)公開文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

本文以文獻(xiàn)[14]采用的貧油預(yù)混燃燒室為研究對象,利用商業(yè)CFD計(jì)算軟件ANSYS FLUENT結(jié)合UDF,對該燃燒室分別在熱功率為10、35 kW時(shí)的燃燒過程進(jìn)行大渦模擬,重點(diǎn)研究了燃燒工況下熱聲耦合不穩(wěn)定燃燒發(fā)生時(shí)瞬態(tài)流場結(jié)構(gòu)PVC與火焰及燃燒放熱之間的關(guān)系。通過對數(shù)值模擬獲得的瞬態(tài)冷熱態(tài)流場和熱態(tài)火焰特性的分析,確定了引起35 kW工況下不穩(wěn)定燃燒的重要因素,為深入理解湍流燃燒中流場結(jié)構(gòu)與燃燒放熱的相互作用,從而為制定有效的不穩(wěn)定燃燒控制方法提供了參照。

1 計(jì)算模型與數(shù)值模擬方法

1.1 計(jì)算模型

本文采用的模型燃燒室為Turbomeca設(shè)計(jì)的一個(gè)工業(yè)燃燒室,圖1給出了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)計(jì)算區(qū)域的三維建模圖,除了充氣室、旋流器和燃燒室外,為了模擬無反射出口,計(jì)算域還包含了一部分大氣環(huán)境。圖2a給出了旋流器和燃燒室部分的二維結(jié)構(gòu)示意圖。大氣溫度及壓力下的空氣通過充氣室進(jìn)入一個(gè)由12個(gè)徑向分布的旋流葉片和一個(gè)收縮鈍體組成的旋流燃燒器中,與通過旋流葉片上1 mm直徑的小孔進(jìn)入旋流器中的燃料進(jìn)行混合,以確?；旌蠚怏w在進(jìn)入到燃燒室前得到充分預(yù)混。燃燒室軸向截面為85 mm×85 mm,且每一面都裝備了1.5 mm厚的石英來對整個(gè)火焰區(qū)域進(jìn)行光學(xué)測量。更多關(guān)于模型燃燒室的細(xì)節(jié)可通過文獻(xiàn)[14]獲得。

圖1 CFD計(jì)算域的三維建模圖

1.2 網(wǎng)格劃分及數(shù)值方法

計(jì)算域網(wǎng)格采用了四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格,其中除燃燒室部分采用了結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格以便于調(diào)整燃燒區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)外,其他計(jì)算區(qū)域均采用了非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。通過調(diào)整燃燒室核心區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,對大渦模擬(LES)的網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證,在該區(qū)域內(nèi)采用71萬和159萬兩種不同數(shù)量的網(wǎng)格,如表1所示。結(jié)果顯示,兩種計(jì)算網(wǎng)格之間偏差不超過5%,因此本研究在燃燒核心區(qū)采用了71萬的網(wǎng)格,計(jì)算的總網(wǎng)格數(shù)約為347萬。網(wǎng)格在軸向、徑向、周向上均為非均勻網(wǎng)格,圖2b給出了旋流器和燃燒室部分在中心截面上的網(wǎng)格劃分信息。

(a)旋流器和燃燒室結(jié)構(gòu)二維示意圖

(b)旋流器和燃燒室網(wǎng)格劃分示意圖圖2 旋流器和燃燒室結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分示意圖

燃燒反應(yīng)采用文獻(xiàn)[14]給出的甲烷與空氣的兩步反應(yīng)機(jī)理2S_CH4_BFER,該機(jī)理包含了6種組分(CH4,O2,N2,CO,CO2和H2O)。Navier-Stokes方程采用可壓縮的LES方法進(jìn)行求解。亞網(wǎng)格模型采用Wall-modeled LES模型,該模型僅在對數(shù)層內(nèi)的區(qū)域激活RANS,而在邊界層外采用大渦模擬。湍流-化學(xué)反應(yīng)間的相互作用采用限速率/渦耗散模型來描述。在數(shù)值模擬中,空氣和甲烷入口均采用質(zhì)量入口邊界條件;協(xié)流入口和大氣環(huán)境均采用壓力遠(yuǎn)場邊界條件;其他壁面均采用絕熱無滑移邊界條件?？諝夂图淄槿肟谠诓煌瑹峁β氏碌馁|(zhì)量流量見表2。非定常計(jì)算中時(shí)間步長的確定取決于燃燒振蕩的頻率。由于本文研究的不穩(wěn)定燃燒振蕩的頻率數(shù)量級為102Hz,對應(yīng)振蕩的一個(gè)周期約為1 ms,因此時(shí)間步長取1～10 μs。本文時(shí)間步長取5×10-6s,數(shù)值模擬中所有變量在時(shí)間及空間上均為二階精度。熱態(tài)結(jié)果通過對冷態(tài)結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)燃后計(jì)算獲得。

表1 燃燒室中的網(wǎng)格信息

表2 不同熱功率下的空氣和甲烷質(zhì)量流量

2 計(jì)算結(jié)果分析與比較

2.1 冷態(tài)結(jié)果

圖3給出了兩種工況下的瞬態(tài)速度場并通過等壓面的方式給出了在冷態(tài)流場中存在的大尺度PVC流場結(jié)構(gòu)。如圖所示,兩種工況的冷態(tài)流場中均出現(xiàn)了PVC結(jié)構(gòu),其中10、35 kW工況下分別使用35、250 Pa的等壓面顯示了燃燒室中存在的三維PVC結(jié)構(gòu)。圖4給出了10 kW工況下燃燒室軸向截面上的渦旋分布。由此可見,PVC在燃燒室軸向截面上產(chǎn)生的旋渦是“之”字型反向旋轉(zhuǎn)分布的。

(a)10 kW (b)35 kW圖3 兩種工況下冷態(tài)流場中以等壓面顯示的PVC結(jié)構(gòu)

圖4 10 kW工況下燃燒室軸向截面上的渦旋分布

2.2 25 kW熱態(tài)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

本文將25 kW的熱態(tài)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[14]進(jìn)行了對比,該工況下的燃燒情況見文獻(xiàn)[15]。圖5給出了大渦模擬獲得的時(shí)均速度和溫度與實(shí)驗(yàn)數(shù)值的對比。總體來看,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,但在噴嘴附近的速度上數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異。其原因在于數(shù)值模擬難于精確捕獲噴嘴附近存在的強(qiáng)旋流流動(dòng),并且缺少旋流器中的鈍體結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的型線數(shù)據(jù),導(dǎo)致數(shù)值模擬的三維建模和實(shí)際形體間存在差異。此外,從圖5中可以看到,溫度的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在燃燒室的上游部分亦存在差異,這是由于25 kW工況下存在的兩種不同燃燒狀態(tài)導(dǎo)致的,數(shù)值模擬獲得的時(shí)均及RMS溫度包含了PVC存在時(shí)的數(shù)據(jù),但數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果總體趨勢吻合良好。

2.3 10 kW與35 kW熱態(tài)時(shí)間平均流場分析

(a)時(shí)均軸向速度

(b)時(shí)均徑向速度

(c)時(shí)均溫度

(d)RMS溫度圖5 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

圖6給出了兩種工況下的時(shí)均軸向速度場。從圖中可以看到,流場是典型的收縮旋流火焰,包括了一個(gè)從噴嘴進(jìn)入到燃燒室中的圓錐形射流、一個(gè)內(nèi)回流區(qū)(IRZ)和一個(gè)外回流區(qū)(ORZ)3個(gè)主要的流場結(jié)構(gòu)。速度梯度值高的地方發(fā)生在位于入流和IRZ之間的內(nèi)剪切層(ISL)以及位于入流和ORZ的外剪切層(OSL)。圖7給出了兩種工況下燃燒室軸向截面中心線上的時(shí)均軸向速度曲線,二者最大的不同是存在于燃燒室上游區(qū)域的IRZ以及燃燒室下游區(qū)域速度的增長率。在10 kW的工況下,內(nèi)回流區(qū)中的回流速率很小且沿著軸向逐漸增大;在35 kW的工況下,內(nèi)回流區(qū)的回流速率很高,且軸向回流速度呈現(xiàn)出先增大后迅速減小的趨勢。回流速度在軸向高度20 mm處達(dá)到最大值,在60 mm高度處降低為0,隨后軸向速度呈正值。通過對比可發(fā)現(xiàn),35 kW工況下IRZ中的回流現(xiàn)象比10 kW工況下更加劇烈。

(a)10 kW (b)35 kW圖6 兩種工況下時(shí)間平均速度流場

圖7 軸向中心線上的速度變化

圖8給出了兩種工況下時(shí)均溫度分布云圖。圖9給出了兩種工況下燃燒室軸向截面中心上的時(shí)均溫度曲線。兩種工況下的時(shí)均溫度場差異極大,與時(shí)均軸向速度場類似,巨大的差異依然存在于內(nèi)回流區(qū)中。首先,兩種工況代表兩種不同類型的火焰:10 kW工況下,與噴嘴接觸的是V型火焰,在內(nèi)流區(qū)中從噴嘴出口到燃燒室下游均充滿高溫燃?xì)?35 kW工況下,火焰未接觸到噴嘴,該種類型的火焰被稱為M型抬舉火焰,內(nèi)回流區(qū)中噴嘴出口附近依然是低溫未燃的空氣甲烷混合氣體。對V型接觸火焰觀察可見,低溫主要存在于射流中,內(nèi)回流區(qū)中的高溫已燃?xì)怏w充斥著從噴嘴出口到燃燒室下游的整個(gè)區(qū)域。對M型火焰觀察可見,燃燒室上游的回流區(qū)在軸向高度20 mm以下區(qū)域均為低溫未燃的新鮮混合氣體,而在20 mm以上區(qū)域的溫度則在中心線兩側(cè)向下游逐漸升高,具體原因?qū)⒃谙挛乃矐B(tài)流場分析中給出。由圖8可見,兩種不同熱功率下的時(shí)均溫度場展示出了兩種截然不同的火焰燃燒形態(tài)。

(a)10 kW (b)35 kW圖8 兩種工況下時(shí)間平均的溫度分布

圖9 兩種工況下軸向中心線上的時(shí)均溫度

(a)10 kW (b)35 kW圖10 兩種工況下時(shí)均放熱分布

圖10給出了兩種工況下時(shí)均放熱量q分布的云圖。圖11分別給出了兩種工況下燃燒室軸向截面中心上的時(shí)均放熱曲線。10 kW的放熱區(qū)域主要集中在射流兩側(cè)與內(nèi)回流區(qū)及外回流區(qū)之間的ISL及OSL中,而35 kW的放熱區(qū)域范圍則要大得多,主要存在于軸向高度40～60 mm處燃燒室徑向兩側(cè)的位置。特別需要注意的是,在IRZ的軸向高度20 mm處也有放熱較強(qiáng)的一小塊區(qū)域,該局部區(qū)域發(fā)生較強(qiáng)放熱的原因?qū)⒃谙挛牡乃矐B(tài)場分析中給出。由圖11可見,M型火焰在內(nèi)回流區(qū)軸向高度20 mm處放熱量達(dá)到最大。綜合圖7、圖9和圖11可以看到,在35 kW工況中,內(nèi)回流區(qū)中軸向高度20 mm處燃燒室軸向中心線上的回流速度最大,是低溫未燃?xì)怏w與高溫氣體的臨界點(diǎn)以及局部范圍內(nèi)放熱最劇烈的位置。該位置處放熱最劇烈意味著化學(xué)反應(yīng)放熱對氣體加速作用最大,導(dǎo)致此處的軸向回流速度最高。

圖11 兩種工況下軸向中心線上的時(shí)均放熱

2.4 10 kW與35 kW熱態(tài)瞬態(tài)流場分析

上文分析表明,兩種工況在流場及放熱等場量的時(shí)均分布存在著巨大差異,本部分對瞬態(tài)流場做進(jìn)一步的深入研究,詳細(xì)分析瞬時(shí)溫度場、放熱場以及流場結(jié)構(gòu)與放熱之間的相互作用。

(a)10 kW (b)35 kW圖12 兩種工況下的瞬態(tài)流場

2.4.1 流場結(jié)構(gòu)及其特性 圖12給出了兩種工況下的瞬態(tài)流場圖。由圖可見,兩種工況的瞬態(tài)流場在結(jié)構(gòu)上存在巨大差異。在10 kW工況下,燃燒室瞬態(tài)流場中依然存在一個(gè)穩(wěn)定的射流區(qū)域,在射流的兩側(cè)分布著對稱的渦結(jié)構(gòu)。由于PVC在流場中存在的典型特征會(huì)在燃燒室軸向界面上產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)布置的渦旋,因此在該工況燃燒發(fā)生時(shí)燃燒室中在冷態(tài)情況下存在的PVC消失了,其中射流外側(cè)與燃燒室壁面之間的旋渦由外回流區(qū)產(chǎn)生,而內(nèi)剪切層中存在的旋渦則是由向燃燒室下游噴射的射流與內(nèi)回流區(qū)中反方向流動(dòng)的回流摩擦產(chǎn)生的。在35 kW工況下,熱態(tài)流場同樣存在著射流與燃燒室壁面間的外回流區(qū),但是在射流與內(nèi)回流區(qū)間的ISL中旋渦的布置與10 kW工況下有很明顯的差異,此時(shí)的ISL中旋渦分布不再是中心線對稱分布,而是呈現(xiàn)了“之”字型分布。這種分布的旋渦就是流場中PVC結(jié)構(gòu)存在的典型特征,證明了在35 kW工況下PVC仍然是存在的。

2.4.2 火焰燃燒狀態(tài) 圖13給出了兩種工況下燃燒室中壓力監(jiān)測點(diǎn)上的壓力振蕩信號。在10 kW工況下,計(jì)算初期壓力波動(dòng)比較明顯,但隨著計(jì)算的進(jìn)行壓力波動(dòng)幅度急劇衰減。計(jì)算初期壓力波動(dòng)來自于定常計(jì)算中的數(shù)值波動(dòng),而計(jì)算后期仍然繼續(xù)存在的小振幅壓力波動(dòng),則是正常穩(wěn)定燃燒時(shí)由于湍流脈動(dòng)所造成的燃燒室壓力脈動(dòng)的起伏,不認(rèn)為其發(fā)生了不穩(wěn)定燃燒。在35 kW工況下,隨數(shù)值計(jì)算的進(jìn)行,燃燒室中的壓力振幅逐漸增大并最終發(fā)展成了定型振蕩,說明在該工況下燃燒室中發(fā)生了不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。兩種工況下所發(fā)生的不同燃燒狀態(tài)將在下文中從瞬態(tài)流場結(jié)構(gòu)和放熱之間的相互作用這一角度進(jìn)行分析。

(a)10 kW (b)35 kW圖13 兩種工況下燃燒室內(nèi)壓力振蕩曲線

2.4.3 流場結(jié)構(gòu)與放熱的相互作用 圖14展示了35 kW工況下的瞬態(tài)流場與溫度場云圖。在駐線位置(圖中虛線)處,來自內(nèi)回流區(qū)中的高溫燃?xì)馀c由噴嘴進(jìn)入燃燒室中的低溫混合氣正面對沖,并為低溫混合氣提供高溫和化學(xué)基,從而促進(jìn)了后者的點(diǎn)燃過程。駐點(diǎn)(圖中黑點(diǎn))和駐線位置的改變與PVC引起的旋渦的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。首先,在t=0～0.5 ms期間,旋渦向左拉伸火焰并引起火焰面的卷曲,會(huì)導(dǎo)致火焰面的增大并加強(qiáng)低溫未燃混合氣體與高溫燃?xì)獾幕旌?。該局部區(qū)域的放熱在旋渦增大火焰面和加強(qiáng)混合的雙重作用下得到增強(qiáng),而在這一過程中駐線的位置也隨之轉(zhuǎn)移到了噴嘴出口左側(cè)。當(dāng)t=0.75 ms時(shí),燃燒室軸向截面在噴嘴出口的右側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)新的旋渦,該旋渦與火焰和放熱的相互作用方式與t=0～0.5 ms時(shí)二者之間的相互作用方式相同。同時(shí),駐線的位置隨著右側(cè)新旋渦的出現(xiàn)而轉(zhuǎn)移到右側(cè)。綜上分析,發(fā)現(xiàn)由PVC引起的旋渦會(huì)影響火焰面的卷曲,并通過周期性地改變駐點(diǎn)和駐線的位置,引起局部范圍內(nèi)放熱位置和強(qiáng)度周期性地變化。

(a)0 ms (b)0.25 ms (c)0.5 ms

(d)0.75 ms (e)1 ms (f)1.25 ms圖14 5 kW工況下瞬態(tài)流場與溫度場云圖

對于M型火焰,在PVC與火焰放熱相互作用的周期性運(yùn)動(dòng)中,雖然駐線和駐點(diǎn)的位置也隨之周期性變化,但回流的高溫燃?xì)馀c來流的低溫混合氣的對沖主要發(fā)生在燃燒室軸向20 mm左右的高度處。這會(huì)導(dǎo)致回流速度在20 mm處遇到與之流向相反的低溫來流,從而回流速度達(dá)到最大值,對應(yīng)于圖7b中燃燒室軸向中心線上的時(shí)均軸向速度在20 mm處達(dá)到最大值。駐線位置(高溫燃?xì)馀c低溫來流對沖位置)也決定了M型火焰在內(nèi)回流區(qū)中的溫度場以20 mm的高度為高低溫分界,對應(yīng)于圖9b中燃燒室軸向中心線上在高度20 mm左右處溫度的急劇攀升。由于在高溫燃?xì)馀c低溫來流發(fā)生對沖的駐線位置處發(fā)生了局部的化學(xué)反應(yīng)放熱,因此圖10b中燃燒室軸向高度20 mm處是除了燃燒室中部以外的另一個(gè)放熱較強(qiáng)的位置。

圖15給出了兩種工況下三維時(shí)均放熱等值面,其中10 kW工況下的放熱功率為0.04 W,35 kW工況下的放熱功率為0.09 W。由圖可見:在V型火焰中,放熱區(qū)域位于射流的內(nèi)外兩側(cè)的剪切層中,呈現(xiàn)出圓錐狀;在M型火焰中,放熱區(qū)域主要位于燃燒室軸向高度的中部位置,該位置對應(yīng)于PVC的尾部區(qū)域。對圖14分析可知,PVC通過自身的周期性運(yùn)動(dòng)對火焰面的拉伸以及對駐點(diǎn)駐線的影響主要存在于燃燒室軸向高度約20 mm處?？梢?燃燒室中總放熱波動(dòng)是由PVC在噴嘴附近20 mm處的小范圍放熱而引起燃燒室中部大范圍劇烈放熱造成的。該過程為PVC在噴嘴附近引起火焰面拉伸及駐點(diǎn)駐線的位置發(fā)生了周期性變化,使未燃和已燃?xì)怏w混合并隨后在內(nèi)剪切層中被引燃,從而發(fā)生反應(yīng)放熱。部分反應(yīng)區(qū)域周期性地被從駐點(diǎn)附近拖拽到內(nèi)剪切層中,作為內(nèi)剪切層中化學(xué)反應(yīng)的點(diǎn)火源,該化學(xué)反應(yīng)隨著PVC的運(yùn)動(dòng)在燃燒室中部位置,即在PVC耗散殆盡的位置最劇烈,從而導(dǎo)致燃燒室中總放熱量的周期變化。這些過程與周期性的渦運(yùn)動(dòng)直接相關(guān),表明PVC在該不穩(wěn)定燃燒的機(jī)制中起重要作用。圖16給出了燃燒中監(jiān)測點(diǎn)上的壓力及總放熱量波動(dòng)曲線。由圖可見,在燃燒室中壓力達(dá)到最大值時(shí)放熱也最劇烈,且二者的波動(dòng)頻率一致。這說明在該情況下,燃燒室中發(fā)生了熱聲耦合現(xiàn)象且符合瑞利準(zhǔn)則。因此,在M型火焰中,由PVC導(dǎo)致的燃燒室中總放熱量的波動(dòng)與壓力波動(dòng)的熱聲耦合是該情況下燃燒不穩(wěn)定發(fā)生的一個(gè)確定的重要因素。

(a)10 kW (b)35 kW圖15 兩種工況下三維時(shí)均放熱等值面

3 結(jié) 論

本文通過大渦模擬對10、35 kW兩種工況下燃燒的冷熱態(tài)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,主要結(jié)論如下:

(1)兩種熱功率下的冷態(tài)流場中均存在PVC流場結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的旋渦在燃燒室的軸向截面上呈“之”字型分布。

(2)兩種熱功率下發(fā)生了不同的燃燒狀態(tài)。10 kW工況下燃燒穩(wěn)定進(jìn)行且PVC結(jié)構(gòu)消失,在內(nèi)回流區(qū)中高溫燃?xì)馀c旋流器噴嘴相接觸,火焰呈現(xiàn)V型;35 kW工況下發(fā)生了不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象且PVC結(jié)構(gòu)依然存在,火焰抬舉于旋流器噴嘴上方,呈現(xiàn)M型。內(nèi)回流區(qū)中PVC結(jié)構(gòu)的存在與否是導(dǎo)致不同熱功率下發(fā)生不同燃燒狀態(tài)的原因。

(3)35 kW工況下發(fā)生的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象與PVC密切相關(guān),PVC通過周期性地拉伸火焰面,導(dǎo)致旋流器噴嘴上方的駐點(diǎn)駐線發(fā)生周期性變化,使得燃燒室內(nèi)發(fā)生了熱聲耦合現(xiàn)象。

(4)35 kW工況下燃燒室內(nèi)總放熱量變化的原因是,由PVC引起的局部周期性放熱為點(diǎn)火源,在內(nèi)剪切層中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),最終在燃燒室中游位置的PVC尾部發(fā)生了大范圍且更劇烈的放熱。