管道预混火焰动态响应的分析和测量

来，对解释驱动这些不稳定的机理，确定在何种条件 下会出现，以及采用实际的方法来控制燃烧不稳定， 引起了人们的兴趣．
管道预混火焰的动态响应主要研究燃烧系统上 游来流的当量比和扰动频率等因素对火焰燃烧特性 的影响．目前，Fleifil 等[3]研究了速度分布对火焰面 脉动和火焰传递函数的影响，并指出放热率幅值和相 位的动态变化过程可用火焰斯托劳哈尔数来表 征．Dowling[4]通过理论分析得到了钝体稳燃火焰的 火焰传递函数，对于线性小扰动的情况给出了火焰传
3.1 火焰周期脉动结果 固定雷诺数为 1,000，当量比为 0.8，扰动频率为
125,Hz，对一个周期不同相位的火焰面进行 ICCD 拍 照，其相位间隔为 45°，并与基于理论分析结果画出 的火焰面进行比较，分析一个周期不同相位火焰面的 脉动情况，如图 4 所示．
观察不同相位火焰面脉动的实验结果．火焰的边 缘位置光强最大，说明火焰面在火焰的边缘，其根部 驻 定 在 稳 燃 器 上 ，另 一 侧 附 着 在 石 英 玻 璃管内 壁 上．速度脉动通过影响流场导致火焰面的脉动．在一 个速度脉动周期内火焰首先呈倒台状附着在稳燃器 出口，而后由于气流速度的脉动下游火焰面向内收 缩，上游向外扩张，形成褶皱，并导致局部火焰面熄 灭．比较一个周期不同相位的火焰面图像，可以清楚 地看到火焰面的褶皱变化以及一个周期褶皱向下游 传播并有新的褶皱形成的情况．从理论分析得到的 火焰面脉动结果可以清楚地看到火焰面褶皱的形成 并向下游传播的情况，并且火焰面褶皱的剧烈程度也 随相位的变化而有所不同，可以基本反映出实验拍摄 到的火焰面脉动情况．但根据理论分析的结果画出 的火焰面褶皱形态与实验的拍摄结果存在不同，其主 要原因是理论分析中没有考虑速度沿径向的脉动，且 认为沿火焰面火焰传播速度恒定，没有体现火焰面拉 伸导致局部熄灭的特性．此外，实验拍摄得到的火焰 面左右锋面略有不对称，其原因为稳燃器与管道不能 保证完全同心． 3.2 当量比对火焰面脉动的影响
(Key Laboratory of Ministry of Education for Thermal Science and Power Engineering， Tsinghua University，Beijing 100084，China)
Abstract：The dynamic response of premixed ducted flame to flow disturbance is analyzed in this paper. For linear fluctuations，the time evolution of flame surface can be determined analytically. Meanwhile，the influence of different equivalence ratio and forced oscillation frequencies on the fluctuation of flame wrinkle is measured by intensified CCD detectors and dynamic pressure sensors simultaneously with the help of the phase-locked method. Both the analytical and the experimental results show that the above parameters are closely related to the number and amplitude of flame wrinkle.
递函数的解析解并和实验结果进行了对比，对于非线 性扰动给出了一个周期不同相位火焰面扭曲的情 况．Lawn 等[5]通过理论和实验相结合的方法考虑了 火焰与声学相互作用的多种机制并将这些影响利用 实验结果整理成相应的无量纲数代入到火焰模型中， 研究不同频率范围下火焰传递函数的变化规 律．Palies 和 Candel 等[6]研究了速度扰动对旋流火焰 动态响应的影响．通过分析上游速度扰动的频率和 幅值与测出的瞬时放热率之间的关系，研究了火焰传 递函数的幅值和相位受上游速度扰动的影响，从而探
图 3 燃烧器及测量系统示意
火焰的受迫扰动通过安装在燃气导管两侧的扬 声器驱动实现．本实验中的压力脉动通过 Labview 编程指定正弦信号的频率，正弦交变电压信号通过功 率放大器输入扬声器产生压力脉动．在火焰上游，距 燃烧器出口 157,mm 和 187,mm 两个位置放置 B&K 传声器，测量管道内的压力脉动，利用双传声器技术 就可以得到整个一维管道的压力场和速度场．在本 实 验 中 上 游 来 流 的 速 度 脉 动 uˆ / u =0.1 ，其 中 上 标“^”表示通过傅里叶变换将时域脉动值转变到频 域的结果，“ ”表示平均值．
2
)1/ 2
⋅
sin
ω
(t
−
2Su
(1
r−a − Su2 /
u
2
)1/
2
)
(7)
因为火焰静止不动，所以火焰传播速度 Su 和未 燃气体速度 u 在火焰面法线方向的分量处处相等，从
而 u 必然大于 Su ．从式(7)也可以看出，ξ ′(r,t) 存在 解 的 一 个 必 要 条 件 即 为 Su < u ．令 S* = 2Su (1− Su2 / u 2 )1/ 2 ，则
2 实验系统
3 理论分析和实验结果的比较和讨论
图 3 为实验中使用的测量系统示意图．左边是 燃烧器，天然气和空气在燃烧器上游对冲混合，预混 气体经过金属蜂窝整流栅进入燃气出口圆管，燃烧器 出口上方放置与燃烧器圆管内径相同的石英玻璃 管．实验中，稳燃器呈倒锥形，上端直径为 23,mm，阻 流面积比为 0.7．实验工况中雷诺数计算的特征长度 取燃烧器圆管内径 42,mm．
Keywords：premixed ducted flame；flame wrinkle；linear perturbation analysis；dynamic measurements
振荡燃烧是指燃烧放热率脉动和压力脉动相互 耦合形成正反馈导致的不稳定燃烧过程．振荡燃烧 之所以会发生，是由于燃烧系统内的任意微小的不稳 定都可看作一个声源，产生压力和速度的脉动．燃烧 室内的涡脱落、旋流、当量比波动、雾化不均匀等因 素均会导致燃烧振荡[1]．不稳定燃烧过程产生低频率 高振幅的压力波动，形成噪声和振动，严重时甚至导 致系统结构破坏，降低燃烧室及其附属设备的使用寿 命及性能．由于振荡燃烧的巨大危害性，在高强度燃 烧室设计中必须减小或消除振荡不稳定性[2]．近年
图 1 管道预混火焰
图 2 稳态火焰面与 G( x,r,t ) 的关系
演变方程：
DG Dt
=
∂G ∂t
+
(u
−
Su
⋅
n) ⋅∇G
=
0
(1)
将 n = ∇G / ∇G 代入，化简得到
∂ξ ∂t
= u − Su
⋅ (1+ ( ∂ξ )2 )1/2 ∂r
(2)
设稳燃器的半径为 a ，则边界条件为
ξ (a,t) = 0
ξ
′(r , t )
=
2ε u ω
sin
ω(r − S*
a)
sin ω(t
−
r
−a S*
)
(8)
从式(8)可以看出，火焰面褶皱频率是 ω / 2π ，与速度 扰动频率相同，褶皱幅值 2εu /ω sin (ω(r − a) / S*) 与来
2011 年 12 月
张彤枫等：管道预混火焰动态响应的分析和测量
实验中火焰面不同相位的拍摄通过增强型电荷 耦合器(ICCD)实现，通过发光谱线为 308,nm 的自由 基 OH*的自发荧光拍摄火焰面，ICCD 拍摄增益为 255，每个火焰相位累积 20 张叠加．通过 Labview 程 序和 NI 的同步采集卡 PC6110 输出同频率同相位的 正弦扰动信号和 ICCD 曝光所需的触发信号．实验中
式(2)化简为
∂ξ ′ ∂t
=
u′
−
dξ ′ dr
⋅
Su u
(u
Hale Waihona Puke 2−Su2 )1/ 2
(5)
设扰动为正弦规律变化，即
u′ = εu sin ωt
(6)
其中 ε 为相对扰动强度．扰动可以由声波引起，ω 为
声波的模态，将式(6)代入式(5)可解得
ξ
′(r , t )
=
2ε u ω
sin
2Su
ω(r − a) (1− Su2 / u
关键词：管道预混火焰；火焰面褶皱；线性扰动分析；动态测量
中图分类号：TK16
文献标志码：A
文章编号：1006-8740(2011)06-0521-06
Measurement and Analysis of Dynamic Response of Premixed Ducted Flames
ZHANG Tong-feng，TANG Hao-jie
(3)
其物理意义为火焰根部始终驻定在燃烧器出口处的 稳燃器上．
稳态条件下可由式(2)得到火焰面平均位置：
ξ (r) = (r − a)(u2 − Su2 )1/2 / Su
(4)
线性扰动假设认为物理量可以分解为平均值和
扰动值的和，则 u = u + u′ ，ξ = ξ + ξ ′ ，结合式(4)可将
摘 要：基于线性扰动假设对管道预混火焰的动态响应进行了理论分析，推导得到了正弦扰动下火焰面脉动时域表 达式．同时利用增强型电荷耦合器和动态压力传感器对管道预混火焰形状周期性变化过程进行相同步测量，研究了 当量比和扰动频率对火焰面脉动的影响规律．理论分析和实验测量的结果一致，表明上述物理量的改变会直接影响 火焰面脉动的褶皱数和褶皱振幅．