声场扰动下合成气旋流火焰动力学响应的试验研究.PDF

中国工程热物理年会 燃烧学 学术会议论文 编号： 声场扰动下合成气旋流火焰动力学响应的 实验研究 1 2 1 1* 翁方龙 ，张晓宇 ，钟 迪 ，朱 民 （1 清华大学热能工程系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084 2 神华国华电力研究院有限公司，北京100025） （* 联系电话：010 电子邮箱：zhumin@tsinghua.edu.cn ） 摘 要：本文采用气流扬声器作为激励源，研究旋流预混燃烧室中合成气火焰在入口速度扰动下的动力 学响应过程，并与甲烷火焰进行比较。相较于动圈式扬声器，气流扬声器能够用于气流压力较高和流 速较大的条件下，并且其功率随着气体流量的增加而增加，能够作为大功率燃烧系统的激励源。采用 本征正交分解方法，能够对火焰动态响应的不同模态进行分析。不同氢气含量的合成气火焰的形态差 别较大，在声场扰动下火焰响应存在轴向模态和螺旋形模态，这与旋流流场中不同的涡运动过程有关。 关键词：合成气 旋流火焰 声场扰动 本征正交分解 螺旋形模态 0 前言 采用预混燃烧方式的燃气轮机燃烧室中经常发生燃烧振荡现象，这一不稳定燃烧现 象是由于燃烧室中压力脉动和入口速度脉动，以及火焰放热率脉动耦合形成的系统性不 稳定，对这个系统的稳定性分析依赖于声场扰动下火焰响应的动力学过程的认识。声波 的存在导致燃烧室入口空气和燃料流量发生脉动，使得流场结构和当量比产生脉动，影 响火焰位置和形态的变化，从而形成放热率的脉动。对于不同的燃烧室结构，声场扰动 导致放热率脉动的主导机制可能存在较大差异。对于钝体稳燃火焰，其V 形火焰面的褶 [1] 皱和撕裂时放热率脉动的主要原因 ，而突扩截面燃烧室中，火焰放热率脉动往往与涡 [2] 脱落的过程密切相关 。在旋流燃烧室中，涡系结构更加复杂，可能存在多种导致火焰 [3] 面运动的机制。Lieuwen 等 针对入口速度扰动下的甲烷旋流火焰动力学响应的研究表 明，存在两种不同的响应机理：第一种是由于大尺度涡的运动导致火焰面卷曲；第二种 是由于火焰在轴向速度扰动下周期性推举-附着，使得火焰形态发生明显变化。旋流喷 [4] 嘴入口会产生周向的速度脉动，Acharya 等 研究证实，这可能导致火焰出现螺旋运动 模态。螺旋运动模态和和轴向的火焰运动同时存在时，使得旋流火焰的动力学过程的观 测和分析更加困难。 [5,6] 由于燃气轮机燃烧室对灵活燃料的要求，国内外学者都 对燃用合成气的燃烧室中 燃烧振荡现象展开了研究。合成气中氢气组分的火焰传播速度和扩散系数都远大于其他 [7] 可燃组分，因此对火焰结构的影响十分显著，Terhaar 等 研究表明较高含量的氢气成分 会使得火焰明显缩短并附着在喷嘴附近。为了深入认识不同组分合成气燃烧与压力脉动 的耦合过程，有必要针对声场扰动下的合成气火焰动力学特性进行充分的研究。本文通 过在旋流燃烧室上游安装气流扬声器作为激励源，产生周期性的入口速度脉动和压力脉 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No） 动，研究含有氢气、一氧化碳和甲烷等组分的合成气旋流预混火焰的动力学响应过程。 1 实验系统 实验采用的燃烧器结构示意图如图1 所示，燃烧室的结构设计可用来模拟工业燃气 轮机的单筒燃烧室。燃烧室采用旋流预混燃烧方式，本研究采用轴向单旋流结构的旋流 [8] 数约