调制效应的入口速度和等效比梯度分层轴对称钝头体稳定的火焰

文摘

调查ultralean分层、磁盘稳定、丙烷火焰与声学调制的入口速度和燃气混合配置文件。横向声迫使应用于空气,上游的双腔预混合器部分,形成沿三个同心磁盘,这推动了稳定地区径向梯度混合。测量和支持大涡模拟采用丙烷燃烧机制进行评估的变化ultralean强迫、自然条件下火焰特征。的影响迫使放热概要文件和再循环的环形火焰区域的交互是检查和讨论。入口条件的声激励的影响对当地灭绝行为,同时,通过监测评估当地的稳定性判据,通过分析phase-resolved化学发光图像。

1。介绍

低排放燃料的设计灵活,多才多艺的燃烧系统、精益预先混合操作模式已经有效地利用在一系列应用程序(1]。最近基于部分预拌或分层燃烧技术反应混合物已成为一个同样有前途的方法努力优化和进一步扩张的运营利润率精益完全预混合的概念(2- - - - - -6]。

然而,随着ultralean火焰燃烧两种模式下操作,影响燃烧器性能的不稳定,仍然是一个挑战在当前系统的进一步发展5,7]。调制的影响研究(声学)燃料或空气供应的临界火焰属性代表一个有用的诊断方法在努力理解这些不稳定与燃烧器的交互和相关操作,并确定它们对系统性能的影响(5]。

几个作品解决了声速的影响作用或燃料混合扰动flow-field-flame互动并建立了响应的重要属性的反应系统,设计通用的前景转移函数在设计过程中使用。其他作品利用调制的主要燃料供给,积极控制和改善操作信封接近下限(8]。

混合分层和/或不完整的预拌也越来越中遇到ultralean燃烧器,作为一个有吸引力的选项来管理混合放置或由于不良由于条件限制操作(6,9- - - - - -11]。

最近的调查强调了进口混合分层的相当大的影响和特定的稳定配置在火焰的动态响应等效的组合调制比和入口速度剖面(8,9,11]。

进一步调查的反应部分预混合火焰不同类型的入口速度或混合不同振幅和频率的扰动在各种预拌的安排下,稳定的几何图形,所以看起来应当混合状况,这代表了本研究的动机。灭火焰的反应操作附近精益进一步限制也是一个方面在目前的研究中解决。

工作描述最初的努力调查分层丙烷火焰的特点,通过部分燃气预拌三磁盘双腔内安排,稳定在周期性强迫的后体磁盘和运营速度剖面在进口预拌部分。

应用声学迫使进气上游供应的双腔预混合器引入了扰动速度和等效比例概要文件进入火焰稳定区域。操作在目前的条件下,空腔系统,如下面所讨论的,传播速度调制与小变形,虽然它产生等价比率振荡的相位和振幅变化对速度扰动进入燃烧区。这进一步引入了一个重要的复杂性,有时发现在燃烧器的应用程序和设置增加了研究的现实意义(7]。

之前的工作(例如,11,12)强调了相当大的影响力的变化速度和混合扰动输入预先混合燃烧区和部分预混合的配置。在这些作品中,等价比率振荡主要与振幅小于入口速度振荡幅度(11,12)进行了研究。在目前腔设置入口速度的水平迫使结合变量范围的等价比率产生的扰动振幅预混合器。这些组合的影响火焰特性如下检查。在这个最初的努力,精益和ultralean火焰附近经营排污限制被执行实验为评价选择和支持强制和非受迫性进气条件下模拟。

2。实验装置和方法

预混合器/燃烧器配置。下面描述的燃烧隧道和燃烧器几何细节类似报道也在3,13),提供了一个实验装置的原理图的布局图1。预混合器/燃烧器系统是由三个同心轴对称磁盘连接与垂直空心管轴,即弹体前部磁盘(C),空心燃料注入磁盘(B图1),火焰稳定后体(A) (= 0.025美元)。丙烷是沿着中央连接管和提供通过一个环形槽注入主燃气混合腔。第二腔设计操作没有闪回,进一步提升之前预先混合点火和火焰稳定的下游后体再循环。三磁盘/双腔系统是放置在一个包含管(= 0.052美元)。一系列分层火焰与变量等价比率梯度可以被锚定后体回流区靠近出口平面的预混合器系统。的堵塞比预混合器后体出口飞机系统(BR == 0.23。雷诺数(U₀ /)是维持在8000人。反应后附近地区被局限在一个圆柱形管104毫米直径100毫米的下游延伸预混合器出口平面。这提供了光学访问和屏蔽周围环境空气。声压测量监控沿着中央包含管和封闭管道。速度振荡应用预混合器进口,有两个喇叭在相反的位置安装在空气供应中央管的周长,在飞机6上游的主要注入腔。喇叭是兴奋的使用一个任意波形发生器产生的正弦信号。下游双腔预混合器系统产生的调制等效比例概要文件进入火焰稳定区域的相位和振幅差异依赖于进气扰动,腔的声学系统,和湍流混合。在目前的情况下,混合扰动在进口后体火焰区独立哽咽喷油器的阻抗。虽然实验装置可根据外部漩涡,本研究向nonswirling条件。强制条件下对称边缘流监测通过压痕压力阀门,接近预混合器出口,和不均匀性保持低于1.7%的偏差。

实验平台的主要提供空气通过自身的构造孔板按照ISO规定2.5%的不确定性。丙烷流是由Bronkhorst mv - 304高科技质量流量控制器不确定性1.25%的女性性功能障碍(全面偏转)。说明以前的模拟时间意味着流量模式在这个腔系统没有强迫,连同空气供给和主燃油喷射位置,如图2(3]。

自然的对等比例梯度后体出口获得的值 和0.10/0.70精益和ultralean火焰条件(图2),用傅里叶变换红外光谱学测量(红外光谱,光谱两™光谱分析仪,PerkinElmer®),在本地收集气体样品的分析。分层混合无功配置文件保持在最有利位置前缘火焰稳定,即。后体边缘地区。火焰接近精益排出(杠杆收购)限制,用参数,δ= (- - - - - -)/ ,是8.5% ultralean火焰,入口空气声学迫使研究都是集中的。

2.1。测量技术

压力传感器和热丝风速测定(单)被用来获得压力和速度扰动信号后体的预混合器进口和出口地区。

化学发光(CL)的图片哦经常用来确认拓扑的火焰前锋2]。CL图像是用一个LaVision®FlameMaster®成像系统组成的精英2 m CCD相机,图像增强器——单位,光学过滤器,和镜头哦成像。具体来说,减少图像采集和数据进行使用戴维斯8.0®软件(LaVision®)。背景图片时,在相同的积分时间,并获得火焰图像,然后减去从原件类似于13]。phase-averaged成像,CCD相机是100年与入口压力信号和同步瞬时图像,在最大审讯窗口(1626×1236像素),被反复按预定相位角(0°、90°、180°和270°);θ= 0°对应于消极和积极参考信号和过渡θ= 90°峰值。瞬时信噪比的图像比5:1,曝光时间是2.1毫秒。此外,增强器门乘以100年的订单μ年代是用于测量获得75%,类似于(13]。

微探针用于收集气体样品后体退出,在平面混合条件下。收集到的气体样本送入卷气体细胞和通过傅里叶变换红外光谱学分析(红外光谱,光谱两种光谱分析仪,PerkinElmer),使用光谱10®软件。

每个样本的光谱分析了在450年到4000年 ,0.5决议,与校准曲线允许估计相应的燃气浓度的准确性高达8% (14]。

燃烧室的共振频率配置被发现是在129年,209年和351赫兹;在这项研究中强迫频率50,100年,200和300赫兹。数据得到迫使振幅(峰电压扬声器)20%的进气口的平均速度(半峰速度振荡幅度散装速度)、迫使频率可以变化50和400赫兹之间。下游圈地决心的基频附近1 kHz。

3所示。数值模型和解决方案的过程

所有的模拟研究火焰进行Ansys 17.0 (Ansys Inc .)。商业软件允许简单的网格适应灵活性预混合器内的部分,在环形槽向后面对第二个磁盘,燃料被引入主腔和7.5毫米环形边缘地区的峰值等效比例梯度促进火焰稳定后体的再循环。

这里采用大涡模拟方法来捕获瞬态湍流过程的强迫反应醒来。流变量,F,表示为可解析和次网格,′,批量使用Favre-weighted过滤器, 。解决规模流动数量由以下方程描述(10,13,15,16]:连续性是 动量是 和标量

一个能量方程也解决了产量的变化当地温度在上面的系统。的变量 , ,T, ,和代表了密度、粘度、温度、速度、和气态物种质量分数。在上面的张量的符号使用我= 1,2,3在笛卡尔坐标系统(x, y, z))。 是各向异性的次网格应力张量的一部分, ,各向同性粘滞的一部分和次网格压力被吸附到压力。一次网格涡粘性模型次网格尺度的压力 ,在那里 ,是解决规模应变张量,滤波器的宽度,这里采用有限体积方法是假设成正比的本地网格间距, 。梯度假设用于次网格尺度标量通量的评价如下: - - - - - - ,一个动荡的次网格施密特数, ,0.7假设。混乱的交通建模与动态Smagorinsky模型体现在基础软件(6,10,11)的动态Smagorinsky系数在sgs涡流粘度稳定性介于0和0.23的限制。一个依赖于时间的简单算法(10,15)是用来治疗压力速度耦合。时间离散化得到一个二阶准确计划,和时间步长选择保持最大柯朗数在0.4和0.6之间。

时间序列数据收集超过2000时间步长和相关统计数据从解决规模数量而获得次网格尺度应力的贡献也包括在内。可用简单的p - 1辐射模型在软件(Ansys Inc .)是采用目前的模拟(尽管辐射温度测量不纠正其采用模拟是未来可能允许更多的灵活性在处理目前的数据)。

3.1。燃烧模型

增厚的火焰模型(TFM) [17,18)是使用这里描述的范围可能由于各种限制燃料燃烧政权设置。这个配方是耦合采用方案降低丙烷(例如,Rxn 1C:₃H₈+ O₂+哦+ H3 + 5 h₂,Rxn 2:公司+哦有限公司₂+ H,Rxn 3:3小时₂+ O₂ 2 h₂O + 2 h,Rxn 4:2 h + MH₂,Rxn 5:H₂+ O₂ 2哦,Rxn 6C:₃H₈+ O +哦+ HC₂H₂+公司+ H₂O h + 3₂,Rxn 7C:₂H₂+ O₂ 2 . + H₂,Rxn 8:2 o + MO₂,Rxn 9:阿₂+ HO +哦)。这是调到繁殖的火焰速度在精益Φ范围和代表的延伸(描述的机制19),现在包括激进的哦,促进间接对比测量了哦拓扑。应该说,虽然所有的物种都是显式地解决计算网格很可能快速激进分子可能不是适当的解决在目前水平的改进。在目前中等雷诺数实验室火焰,上面的湍流模型和开发化学计划可以被认为是有吸引力,在提供更详细和广泛发展的描述火焰前锋属性,同时允许一个更直接的比较与实验成像结果,例如,化学发光。

平均源项涉及反应速率计算的帮助下成绩测试标准的算法可在软件(10]。测量报告(3)表明,精益火焰躺在薄的反应机制。目前ultralean火焰可能是一个疑似病例和接近破碎的反应区边界计算Karlovitz数字(1)(Ka = ,在那里和是化学和柯尔莫哥洛夫时间表)约80,估计当地电网基础Karlovitz更高的数量值。努力也是检查的反应本地化灭绝行为对实施模拟进气扰动。当地Karlovitz数的比值Karlovitz伸展因子, ,定义为对称逆流层流火焰灭绝(这是一个函数的本地Φ(例如,1))),在温度监控剪切层的侧面环形循环。灭绝是每当参数决定= Ka /获得值大于1。

3.2。计算的细节

网格细化、系统的适应主要喷油器腔进行,在磁盘的墙壁和燃气源自环形剪切层后体平面,在火焰前锋稳定。

模拟域包括完整的multicavity预混合器部分的入口放置上游第一个磁盘。的上下文中可用的软件和计算资源使用混合网格系统。非结构化和密集的对称轴的缓解收敛问题在当下轴对称配置,在燃油喷射环形槽区域,以便正确燃气分布和结构在其他位置。在0.87和1.38之间Mcells了网格细化研究和细孔网用于最终的运行。无滑动边界条件与节点靠近墙壁附近使用磁盘墙放在Δy /= 0.00175,而墙的法律应用到其他地方。入口条件从测量,而对流条件应用在出口处。现在LES的质量进行检测计算湍流能量的解决分数,=/ (+),它实现了在主反应区值高达90%。

获得统计上稳步解决方案后,入口气流速度边界条件与固定的谐波振幅兴奋。振幅(半峰振幅之比的速度在谐波频率受迫振荡散装速度)保持不变在20%实验研究的频率范围。的方法15)后应用一致的边界条件的上下文中使用软件。

计算次(48)处理器(5660年4至强2.83 ghz)并行运行约3.7 CPU为主要材料的模拟时间(小时τ=/ U₀x = 5。时间序列的各种调查数量聚集了大约225人τ和相关统计数据通过后处理这个示例。

4所示。结果与讨论

自然的特点,“基本情况”,火焰影响的特定响应行为迫使每一层(9]。模拟温度和热释放分布,目前研究ultralean设置和与精益的情况下,比较图3和表示的特点选择限制火焰。

精益火焰的锥形形状变得圆柱ultralean下操作,而反应方面的前沿稳定在一个发射距离磁盘。这种性格类似于各分层的研究发现钝头体火焰稳定(2]。火焰形状也符合目前进口径向混合,即富裕等价比率水平持续接近墙后体边缘(图2)。这种拓扑是由测量验证的哦化学发光分布以及随之而来的哦,模拟显示在图3。

亚伯反褶积三分方案被用于从视线中提取二维信息集成实验哦图像(20.]。精益和ultralean火焰处理的位置见图3清楚地表明,限制反应本研究选择作为参考的配置确实是一个较弱的火焰拓扑,接近杠杆收购的拓扑中,锚定位置和稳定,相比以前的健壮的火焰配置用于调制研究[21]。对比测量和模拟的详细报道的速度场和温度场(3]表明,从精益过渡到ultralean火焰的变化行为充分随访的模拟方法和这借一些初始可信度扩展基本方法探讨强迫火焰配置。

的动态行为燃烧器关键取决于进口速度和混合配置文件,从后体进入燃烧区环形出口缺口。图4显示了谐波迫使面积加权入口速度,在50 Hz,作为预混合器进口边界条件。

这图中显示的结果变化的速度和等价比率值后体退出,强调结果的差异这两个信号的调制水平通过腔预混合器由于扩大影响。观察到Φ振荡在减毒后体出口燃料注入,迁移,与中央气流混合下游从主腔燃油喷射位置对火焰前锋锚定位置。Φ波动在进入反应区约180°的相位差对后体出口速度。

很明显,尽管速度信号的失真通过预混合器只是很温和(所有迫使情况维护频率),等价比率波动更加剧烈影响的大小和相位。之间的失真看到预混合器进口速度和后体出口Φ信号在50 Hz可以考虑摄动腔内流的相互作用的结果与燃油喷射导致180°的相移和振幅偏差超过100%。预混合器的影响部分后体出口Φ调制随频率迫使,放热概要如下演示;这种组合收益率的调节速度和混合梯度在入口主反应区,时尚与变频内容和振幅,不同于之前报道的研究(11,21]。

数据5(一),5(b)5(c)显示体积的变化综合,火焰区热释放资料随着时间的推移,对调制50的水平,100年和200赫兹,连同相应的后体退出,面积加权等价比率波动从模拟获得。此外,数据5(d),5(e)5(f)和数字5(g),5(h)和5(我)上面描述的光谱行为Φ和Q值,分别在同一迫使频率条件。

50赫兹的低频过激的放热反应是重要的和展览在180°的相位差对等价比率波动;很大一部分信号远足上方和下方的平均水平意味着更多的中断字符火焰低强制条件下。

相比之下,蓄热释放值较低的振幅接近的意思是,根据传入的混合变化,获得在100赫兹的频率(图5(b)),符合一个更加综合和紧凑的火焰拓扑。在200赫兹的频率越高,人物5(c),火焰展览更陡峭过冲,同时也获得相当程度的值以下的意思。分布的热释放表明进口等价的非线性响应比例配置文件。这并不奇怪,因为这迫使频率接近共振频率的预拌管/燃烧区配置。图5还表明,Φ振荡的振幅在迫使100和200赫兹的频率低于50赫兹。

证实了上述趋势某种程度上对应的光谱后体退出等价比率和集成的放热变化,如图5。Φ光谱显然在所有情况下都是由各自的频率。热释放光谱分布在50 Hz也是调制Φ分布密切相关。在100 Hz获得一种分布更广泛的光谱能量分布在整个频率范围内,在200赫兹时产生的光谱模式显得更加复杂,现在包括一些海拔较低的能量在一个广泛的频率范围。这些光谱的趋势描述符合前面的讨论时间序列的发展概况。

有点类似的行为也被观察到的实验报道迫使部分预混火焰的研究(例如,11])。在目前的情况下,这可能归因于振荡频率的影响在腔内的大规模混合过程系统。火焰越高灵敏度较低频率调制可以振幅等价比率越高振动的结果。这些可能引发了混合物浓度接近灭绝限制在本地或甚至在全球范围内,由此减少相应的热释放。ultralean,双拼式的燃烧器火焰边缘,较低的频率也可能产生局部熄灭气体样品在更长时间的,这当然可以有破坏性影响火焰前锋的完整性和连续性。结果初步证实类似发现从之前报道作品(例如,8,12)并同意在这个低频率调制响应的热释放是由于循环入口等价比率的变化,而不是由于火焰表面调制和涡相互作用。

Karlovitz比率计算,灭绝参数,Λ,监控位置位于回流区和接近反应火焰前锋((r / x)=(0.4,0.4)),这对火焰稳定是至关重要的,至少对拓扑的基本情况的火焰。

累积频率分析已经完成提供洞察一个人的概率值的归一化灭绝参数,Λ,超过给定的阈值为1。

Λ参数的累积频率图所示6强迫和自然的情况下,分别在Ka /的范围值0.5至5。发生局部灭绝是值高于1表示。在这个图表,Λ值是描述在水平轴和垂直的累积频率的百分比。的情节显示结果计算概率Λ参数超过这个临界值是59%,64%,95%,和98%的和50 Hz, 100 Hz, 200 Hz被迫情况下,分别。

分布(以及相应的散点图,为简便起见未显示)表明增加当地灭绝事件超过50%的频率调节,至少对所选的监视点。

有趣的是,灭绝事件的概率被看作是极大地增强迫使100和200赫兹的频率,相比之下的较小影响50赫兹频率调制,其中分布相对接近的案例。这意味着,随着我们从50到100 Hz的调制水平较大影响获得的灭绝的概率是在这个特定的频率差距。因此,研究范围的频率调节明显观察到产生较弱的效应和变化在当地火焰灭绝行为,整个范围从0到50 Hz,从100年到200赫兹。另一方面,这种效应显得分外明显50和100赫兹之间这种非线性行为需要进一步调查。

的明显放大,调制的影响迫使100赫兹的频率可以被关联到一个中断火焰拓扑在这种级别的调制,获得如下讨论演讲的phase-resolved哦图像。另一方面,在50赫兹的频率内容之间的密切相关性预混合器出口Φ调制和集成的热量释放,Q,表明“锁上”效应的火焰前锋的性格与预混合器进口速度和混合调制(11]。

位置的环形火焰表当然随迫使频率和整体稳定性的行为应该从其他监控岗位评估或通过空间分布,例如,哦在每种情况下。

这是相关的中断获得接近燃烧器火焰的脸在这个灯,也明显的实验获得phase-resolved图像如图8。

时间意味着哦摩尔分数计算字段显示的强制和非受迫性配置图7。这些分布表明,火焰在200 Hz, 100 Hz迫使条件范围和强度明显减弱。在50 Hz的扰动水平,至少在20%的幅度,火焰保持强度和撤回上游,接近于rim和磁盘的稳定器,在反应前展品更高水平的哦,对基地的火焰。支持这一趋势phase-averaged测量下面讨论。这样的phase-resolved图片哦取得了化学发光在上述频率不得不提供一个有用的总体情况不稳定的火焰动态行为下调制的影响。

轴对称一半火焰部分在每个阶段增加显示每90°相角。图8(一个)相位同步显示图像在50 Hz。可以指出的是,火焰前锋利差(180°),合同(90°)对轴和形成更经常在这个网站上找到条件接近火焰趋于精益排污限制操作(例如,8,10])。

非线性热释放与进口u和Φ变异进化图讨论5(一)可以定期销毁相关火焰表面积。在100赫兹的频率火焰拉伸后(0°)(90°),主要是在轴向方向,为了应对进口振荡。这种行为也明显在迫使200和300赫兹的频率就越高。的近似线性反应放热如图5(b)符合明显同步的火焰卷放置入口u和Φ信号也隐含图的拓扑8 (b)。在300赫兹附近有证据的涡环轧制后的磁盘边缘和与火焰前锋交互,促进燃气混合,导致缩短反应的程度。的非线性热释放观察到200赫兹(数据5(c),5(f)5(我)可以被认为是由于剪切层上卷和创建漩涡后一起迁移。火焰图像的拓扑结构也应该看到由于进口燃料空气混合物的振幅剖面变化后体退出,范围的频率进行了研究。这应该是对比相应的速度扰动水平,在预混合器管保持相对未受影响,似乎有一个较小的影响(数据4,5(一),5(b)5(c))。

5。结论

实验和计算的努力理解分层火焰的反应受到温和的声音迫使模型轴对称预混合器/钝头体燃烧器提出和讨论。介绍了分层通过举行了燃气预拌三磁盘双腔安排,而进气迫使应用上游的预混合器进口和持续的调制速度和燃气混合配置文件在反应入口区。

在这里的条件考虑强制条件下获得的火焰拓扑变化明显受到后体的混合物组成的扰动达到出口,是由谐波引起的强迫的预混合器进口速度。一个ultralean火焰配置选择调制的研究。

火焰被以较低的频率保持其强度和延长由于等价比率更高的振幅振动达到迫使水平。更高的频率迫使加强集中的火焰通过维护一个火焰信封内循环稳定区域。采用LES过程一起燃烧一个适当的选择复制的重要特性和化学的子这些复杂的声学调制下分层火焰操作。最后,结合声学迫使某些属性的方法暴露显著影响附近的局部和全局结构限制分层火焰操作。

命名法

罗马的象征

BR:	堵塞率
:	Smagorinsky常数
:	轴对称钝头体盘直径
:	中央空调供应管直径
F:	流变量
:	Favre-weighted解决规模流动变量
′:	次网格尺度流变量
卡:	计算Karlovitz数量
凯西:	湍流动能
:	分子量的硬币
:	燃料质量流率
接待员:	径向位置(米)
病人:	静压
问:	热释放
:	解决一部分的湍流能量
:	通用气体常数
:	可分解的应变张量
师:	时均温度
师:	时间
:	特征流时间
你:	上轴向速度
:	在预混合器进口散装速度
:	散装速度后体出口平面
x:	轴向位置(米)
:	坐标方向(i = 1、2、3)
:	气态物种质量分数。

希腊符号

:	克罗内克符号
:	火焰接近精益排污限制
:	特征网格大小
Λ:	灭绝的参数
μ:	动态粘滞度
ν:	运动粘度
, :	sgs涡粘性系数
ρ:	密度
:	化学时间表
:	柯尔莫哥洛夫时间表
, :	湍流应力
Φ:	等价比率
:	反应速率。

上标

:

化学发光物种。

下标

b:	燃烧器
c:	中央管
ext:	灭绝
f:	燃料
我:	协调在张量的符号
凯西:	湍流动能
res:	解决
sgs:	次网格尺度
师:	动荡的条件。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

摘录从上面的工作已经在2013年欧洲燃烧会议海报的形式(瑞典Lund)。

的利益冲突

作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。

确认

这项研究在一定程度上得到了佩特雷大学研究委员会的支持。

引用

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