趙夢夢，姚 俊，袁怡祥,，梁 晶，申小明,

(1.北華航天工業(yè)學院，廊坊 065000；2.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049)

隨著降低排放的要求，氮氧化物和一氧化碳等污染物的排放標準也越來越嚴苛.這些年降低污染物排放主要是利用預混或部分預混的方法來對頭部、主燃區(qū)域、分級區(qū)域進行調控，約束不同工況下的高溫火焰區(qū)域、整體溫度水平以及流場結構.同時，逐漸重視過渡工況、低工況、近貧熄狀態(tài)的研究[1].

預混程度的提高會帶來燃燒穩(wěn)定性問題[2-5]，特別是在低工況條件下，很難在保證燃燒具有相同穩(wěn)定邊界的同時提高預混程度[6].此外，裝置結構、燃料種類等因素也對燃燒穩(wěn)定性和燃燒完全性產生影響.各種熱值燃料燃燒容易出現回火或吹熄等現象，影響燃燒完全性和穩(wěn)定性[7-10].

低工況下的近貧熄測量，也容易存在較大誤差，這是因為：①貧熄點測量位置，是否真的在貧熄時刻；②即使是在理想的測量位置，但是貧熄時刻，或者是擴散火焰，此時不完全燃燒程度很高，各產物量程跨度大，或者是預混或半預混燃燒，此種伴隨有強烈的振蕩甚至共振，很難進行或在短時間內實時準確測量各種成分或組分含量.

為了研究相關問題，會考慮幾種典型的頭部結構，而它們各有優(yōu)缺點.一種典型頭部由軸向旋流器和徑向旋流器組合構成.對于多個旋流器組成的頭部結構，由于旋流器之間的相互影響，形成的流場比較復雜.因此當開展針對單個因素對低工況性能影響的研究時，會造成困難.對于錐形旋流燃燒器，一般采用兩側供應燃氣，而錐體中軸線上無燃氣供應的方式.這種錐形燃燒器結構的缺點是不能調節(jié)預混合程度.

為了研究低工況下不同預混合程度對近貧熄燃燒測量點的影響，本文實驗使用的燃燒器采用結構相對簡單、能區(qū)分影響因素、燃料分配比可調的頭部結構.在該旋流器結構中，燃料噴射分成兩部分：一部分在錐體側表面噴射進入空氣；另一部分燃料通過旋流器中心頂部注入錐形旋流器內部，然后與空氣混合.由于由中心頂部注入的這部分加入控制，燃燒室的低工況性能和穩(wěn)定邊界都將發(fā)生變化.這種變化受此兩部分的燃料分配比例的影響.本文中燃料分配比是特指近貧熄狀態(tài)下燃料在頭部不同區(qū)域的分布比例，容易與分級比混淆.

1 實驗系統

為方便實驗中對實驗現象的觀察，采用透明石英玻璃作為火焰筒材料，錐形旋流器與石英玻璃火焰筒配合，組合成燃燒室.本實驗選擇甲烷為燃料替代燃油，以便流量調控更容易、更準確，減少了其他因素的影響.

實驗系統主要由燃料配氣系統、空氣供給系統、電加熱系統、實驗段和采集/控制系統等組成，見圖1.其中，氣體燃料采用質量流量控制器進行控制與采集，精度等級0.25%，可多路獨立供應和分別控制.圖中，Part 1 為通過旋流器中心頂部注入的燃料，Part 2 為錐體側面噴射進入的燃料.

圖1 實驗臺Fig.1 Test platform

2 實驗測量結果

實驗中火焰現象和壓力波動等表明近貧熄時刻的效率、振動、焰色等會有很大不同.圖2 所示為近貧熄時刻的火焰，圖2(a)預混程度較高，燃燒室中出現壓力波動，有的狀態(tài)下會有共振.火焰主體呈現出淺藍色，火焰形態(tài)穩(wěn)定.圖2(b)預混程度較低，直至貧熄狀態(tài)，火焰形狀大小不斷變化，火焰以亮黃色夾雜為主.

圖2 近貧熄前的火焰Fig.2 Flame near lean blowout

近貧熄工況中，典型測點的數據如表1 和表2 所示.其中表1 為進氣流量150 m3/h 的貧熄數據實驗點，所取得的貧熄點Case 1、Case 2、Case 3 所處的位置見圖3所示，圖3表明3 個測點的位置為較容易測量位置(測量物種成分、含量、脈動壓力等相關參量都較易).

表1 進氣流量150 m3/h時貧熄實驗點Tab.1 Lean blowout experimental points at air inlet flow rate of 150 m3/h

表2 為進氣流量200 m3/h 的貧熄數據實驗點，所取得的貧熄點Case 4、Case 5、Case 6 所處的位置見圖3 所示，圖3 表明該3 個測點的位置也是較為容易測量位置.

表2 進氣流量200 m3/h時貧熄實驗點Tab.2 Lean blowout experimental points at air inlet flow rate of 200 m3/h

圖3 上標記了兩個長方形區(qū)域：區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ，這兩個區(qū)域是不便于測量的位置.區(qū)域Ⅰ是預混程度較低的貧熄點區(qū)域，這區(qū)域的實驗點的測量可能面臨著燃燒完全程度很低、各種中間產物成分濃度很高等問題，容易損壞測量儀器；而區(qū)域Ⅱ是預混程度很高的貧熄點區(qū)域，可能面臨著振蕩甚至共振等問題，也同時有燃燒完全程度飄忽不定、各種中間產物成分濃度跨度很大等問題，在振蕩開始以后，判斷貧熄點的位置都可能成為實驗中的一大難題，甚至根本就無法判斷.從而，導致區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ內的測點不便測量.

圖3 不同進氣流率下兩部分燃氣穩(wěn)定取值范圍Fig.3 Value range of two parts of fuel at different air inlet flow rates

3 外推與驗證

如圖4 所示，對圖3 中的少數實驗較易得到的參數點進行擬合.S 代表開始(start)，E 代表結束(end).

圖4 取值范圍的曲線擬合Fig.4 Curve fitting of value range

圖4 中，擬分線1 是針對實驗進氣條件150 m3/h下吹熄前一刻所用的兩種注入方式下的燃料氣流率相互關系的一種擬合，發(fā)現其遵循規(guī)律為：

式中：Y 為吹熄前一刻所用的Part 1 燃料氣流率，X為吹熄前一刻所用的Part 2 燃料氣流率.其物理意義為：在對于給定的空氣流率，曲線上方的任意坐標(Y，X)取值都能使得燃燒不至于熄滅，而曲線下方的任意取值都會被吹熄.

同時，由此得到：

圖4 中，擬合線2 是針對實驗條件進氣流率為200 m3/h 下吹熄前一刻所用的Part 1 和Part 2 燃料氣流率相互關系的一種擬合，發(fā)現其遵循規(guī)律為

由此得到：

如此，則可根據這些擬合曲線，推知圖4 所示擬合線1、擬合線2 兩端的區(qū)域的值，這種曲線的首段和尾段區(qū)域的值，通過做實驗來獲取往往不容易(往往伴隨著強烈的不穩(wěn)定，包括空氣和燃料氣的流量不穩(wěn)定)，或者誤差很大，擬合式為此提供了很大的便利.

同理，針對任意一個進氣流率實驗條件下，只要知道該實驗條件下的3 個以上易測區(qū)域實驗參數點，就可以得到整條函數曲線，就可以推知吹熄前一刻所用的Part 1 和Part 2 的燃料氣流率.

這樣，用少量的實驗較易獲得的數據點就可以完成整個穩(wěn)定工作圖譜，為類似工作提供了參考方法.特別是用少量的實驗數據點可推知圖3 所示區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ兩個不便測量區(qū)域的參數.

例如表3 中的Case 7 就是Part 2 不供給燃料情況下的貧熄點，此時只要對式(1)中的X 取0，就可以求得預測的Part 1 應供給的量為5 L/min；同理，Case 8 就是Part 1 不供給燃料情況下的貧熄點，此時只要對式(2)中的Y 取0，就可以求得預測的Part 2 應供給的量為60 L/min.隨后，通過對外推點的驗證實驗，結果如表3 中的實驗點Test 7(也即圖4 中的點S150)和Test 8(也即圖4 中的點E150)所示，與擬合估計值誤差很小.

表3 進氣流量150 m3/h時貧熄數據Tab.3 Lean blowout data at air inlet flow rate of 150 m3/h

同理，表4 中的Case 9 就是Part 2 不供給燃料情況下的貧熄點，此時只要對式(3)中的X 取0，就可以求得預測的Part 1 應供給的量為11.1 L/min.同理，Case 10 就是Part 1 不供給燃料情況下的貧熄點，此時只要對式(4)中的Y 取0，就可以求得預測的Part 2 應供給的量為445 L/min.隨后，實驗結果如表4 中的實驗點Test 9(也即圖4 中的點S200)所示，與擬合估計值誤差很小.由于Case 10 需要實驗中的流量計的量程很大，超出了實驗條件的能力范圍，所以沒有測值(但應與圖4 中的點E200 比較接近).這也說明擬合曲線可提前知道各種實驗任務中應具備的實驗儀器的能力.

表4 進氣流量200 m3/h時貧熄數據Tab.4 Lean blowout data at air inlet flow rate of 200 m3/h

4 結語

本文采用了燃料分配比可調的錐形旋流器頭部結構.測量了近貧熄狀態(tài)燃料分配比對近貧熄測點的影響.得到了實驗條件下近貧熄時能夠維持燃燒穩(wěn)定的錐形旋流器頭部兩部分燃料的取值范圍；建立了在有限實驗數據點的情況下，通過外推法取得極端條件下的貧熄實驗點的方法，并進行了初步實驗驗證，這對于處于振蕩或低燃燒效率的近貧熄狀態(tài)取得較好的相關數據有參考意義.本文的工作有助于提供給低工況研究人員以清晰的認識，可為低工況下燃調邏輯設計提供參考.