在這里了解千眼狼最新動態(tài)
分層旋流燃燒器中接近LBO時刻的預(yù)混甲烷-空氣火焰流動特性和火焰動態(tài)（使用立體粒子圖像測速（Stereo-PIV）系統(tǒng)測量）。
1. 實驗背景
分層旋流燃燒技術(shù)因其在寬工況范圍內(nèi)高效率、低排放特性而應(yīng)用于低排放燃燒室設(shè)計中。在接近稀燃失效（LBO）極限工況下，復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致燃燒火焰局部淬熄甚至全局熄火，影響發(fā)動機安全與穩(wěn)定。故深入理解分層旋流火焰LBO極限工況下的流場結(jié)構(gòu)與火焰動態(tài)對先進燃燒的設(shè)計優(yōu)化具有重要意義。
某重點實驗室科研人員，采用高頻同步OH*化學(xué)發(fā)光（CL）與立體粒子圖像測速（Stereo PIV）技術(shù)，對分層旋流燃燒器中接近LBO的預(yù)混甲烷-空氣火焰的火焰流動特性進行可視化定量研究。
2. 實驗設(shè)計
2.1 實驗設(shè)備
燃燒器：采用分層旋流燃燒器，具備同心雙級旋流結(jié)構(gòu)，內(nèi)級6葉片軸向旋流器，外級18葉片軸向旋流器，唇口結(jié)構(gòu)為5 mm厚分離段，形成唇回流區(qū)（LRZ），唇部結(jié)構(gòu)形成多個剪切層，外剪切層OSL、內(nèi)剪切層ISL、唇剪切層LSL、中心剪切層CSL。
圖1 改進型分層旋流燃燒器
立體粒子圖像測速（Stereo PIV）系統(tǒng)：采用中科君達視界提供的千眼狼立體PIV系統(tǒng)，由雙腔Nd:YLF激光器、2臺萬幀級高速攝像機、粒子圖像測速PIV軟件、示蹤粒子等組成。
OH* CL觀測系統(tǒng)：1臺千眼狼高速攝像機搭載像增強器、UV鏡頭與308 nm帶通濾波器。
同步控制器：用于立體粒子圖像測速（Stereo PIV）系統(tǒng)與OH* CL觀測系統(tǒng)同步。
圖2 立體粒子圖像測速（S-PIV）系統(tǒng)
2.2 實驗工況
實驗設(shè)置一個非反應(yīng)工況（NR）與四個反應(yīng)工況（Case1~4），固定速度比VR=0.2（外級流速/內(nèi)級流速）和分層比SR=0.5（內(nèi)級當(dāng)量比/外級當(dāng)量比），通過總當(dāng)量比?從0.60逐步降至0.50，模擬從穩(wěn)定燃燒到LBO的梯度過程，具體工況參數(shù)如下：
備注：?=0.50為實驗測得的極限當(dāng)量比，Case3為臨界狀態(tài)，此時火焰呈現(xiàn)周期性局部淬熄與再燃。
3. 實驗數(shù)據(jù)
3.1 非反應(yīng)流場結(jié)構(gòu)
圖3展示了千眼狼Stereo PIV測量的冷態(tài)（NR工況下）的時均軸向速度場，在VR=0.2非反應(yīng)條件下，內(nèi)級高速射流主導(dǎo)流場，形成喇叭形主回流區(qū)（PRZ），長度約x/D=0.8，同時存在唇部回流區(qū)（LRZ），由唇口幾何結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生，尺寸較小，x/D＜0.1。冷態(tài)測量結(jié)果為反應(yīng)流場的密度分層效應(yīng)提供了無擾動量化基準(zhǔn)。
圖3 NR工況下的流場結(jié)構(gòu)
3.2 反應(yīng)流場與火焰結(jié)構(gòu)演化
圖4展示了Case1~Case4四種工況下時間平均軸向速度與OH*CL強度分布，圖中發(fā)現(xiàn)：
PRZ長度x/D隨?下降而增加，從Case1的x/D=1.0增至Case4的x/D=1.2，反映回流區(qū)擴展對火焰穩(wěn)定的影響。
火焰長度由 Case1的x/D=0.5增至Case4的x/D=1.0，歸因于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆刀肟诹魉倩静蛔儭?/p>
火焰主要沿ISL內(nèi)剪切層穩(wěn)定，呈喇叭形，外級火焰為主導(dǎo)，內(nèi)級火焰始終未點燃。
圖4 Case1~4四種工況下時間平均軸向速度與OH*CL強度分布
3.3 瞬時流場與火焰相互作用
圖5展示了Case3(近LBO)工況下在一個預(yù)混渦旋破碎（PVC）周期內(nèi)的瞬態(tài)OH*與速度矢量疊加圖，通過立體粒子圖像測速Stereo PIV系統(tǒng)的5 kHz高時間分辨率觀測，發(fā)現(xiàn)PVC沿CSL向下游螺旋運動，形成Z字形渦結(jié)構(gòu)，PVC雖不直接接觸火焰鋒面，但可通過流場擾動干預(yù)熱效率分布，小幅提高?可恢復(fù)再燃事件，表明此狀態(tài)可逆。
圖5 Case3（臨近LBO）工況一個PVC周期內(nèi)瞬態(tài)OH*光強場與速度矢量疊加圖
圖6則展示了Case4（最終LBO）工況下在全局熄火前的0.0332 s內(nèi)的序列圖像。t=1.0826 s，火焰面首次出現(xiàn)明顯空洞；t=1.0886~1.0964 s，淬滅區(qū)沿ISL向上游擴展；t=1.1088 s，火焰脫離唇口，進入不可逆熄火階段。
圖6 Case4（最終LBO）工況瞬態(tài)OH*光強場與速度矢量疊加圖
3.4 基于Stereo PIV測量數(shù)據(jù)的空間線性穩(wěn)定性分析
圖7 展示了利用Stereo PIV系統(tǒng)獲得的三維時均速度場，進行空間LSA，計算PVC的最大增長率沿軸向分布，發(fā)現(xiàn)：
Case1：PVC增長率在噴口處達到最大值0.75，隨后在內(nèi)外級射流交匯區(qū)x/D=0.2迅速衰減，此處對應(yīng)內(nèi)外旋流射流的交匯區(qū)域，兩個射流的合并改變了流動場和火焰誘導(dǎo)的密度分層，觸發(fā)了局部不穩(wěn)定性。
Case2：PVC增長率在噴口處再次達到最大值，然后迅速下降至x/D=0.1處的0.3。與Case1相比，相同軸向位置的射流交匯處，最大增長率顯示出正向增加，意味著當(dāng)當(dāng)量比降低時，產(chǎn)生了更多的局部流動不穩(wěn)定性。
Case3：在射流交匯區(qū)0.1＜x/D＜0.2出現(xiàn)陡峭回升，PVC增長率從0.4躍升至0.75，對應(yīng)局部淬熄高發(fā)區(qū)。
Case4：x/D=0.05，PVC最大增長率達到0.65，隨后在x/D＜1.1范圍內(nèi)逐漸下降，1.1＜x/D＜1.6范圍內(nèi)，最大增長率基本恒定，x/D＞1.6，開始緩慢上升至0.15，表明全局不穩(wěn)定模式主導(dǎo)，促成最終LBO。
圖7 Case1~4工況下PVC最大增長率軸向分布
4. 實驗結(jié)論
利用中科君達視界提供的立體粒子圖像測速（Stereo PIV）系統(tǒng)和OH*CL同步測量，結(jié)合LSA，揭示了流場結(jié)構(gòu)演化過程：
I. 從穩(wěn)定燃燒到LBO，隨著當(dāng)量比降低，PRZ長度逐漸增加，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆担鲌霾环€(wěn)定增強。
II. PVC主要沿中心剪切層CSL發(fā)展，不直接接觸外級火焰，在射流交匯區(qū)的增長加劇導(dǎo)致局部淬熄，最終LBO時PVC全場增長導(dǎo)致火焰不可逆熄滅。
III. LSA預(yù)測的增長率峰值位置x/D＝0.2為火焰穩(wěn)定性最脆弱的區(qū)域，燃燒室工程設(shè)計可加強此處燃油霧化或增設(shè)穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)。
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