双涡剪切层动力学与稳定低频振荡的临界雷诺数阈值——以应用于低排放锥形涡旋燃烧器

《Fuel Communications》：Dual-vortex shear layer dynamics and critical reynolds number threshold for stabilizing low-frequency oscillations in a low-emission conical vortex combustor

火焰稳定性由雷诺数和二次空气流量共同控制：Reair1<2000时火焰易断裂，频率1.71-5.01Hz；≥2000时中心射流抑制涡旋结构，ΔSt降至0.5%。优化区域实现效率>90%、NO<50ppm及低振荡，提供高稳定低排放燃烧室设计理论。

　　这项研究聚焦于一种锥形涡旋燃烧室中的中心火焰稳定性问题，探索其控制机制与优化路径。通过实验与数值模拟的结合，研究发现中心火焰的稳定性主要由主空气雷诺数（Reair1）和次级空气流量（Qair2）共同决定。当Reair1小于2000时，中心喷射流的动量不足，导致火焰容易受到Qair2驱动的外涡（ΔSt）的影响，从而出现周期性的火焰断裂与再点燃现象，其频率范围为1.71至5.01 Hz，振幅可达48%。相反，当Reair1大于等于2000时，强中心喷射流会破坏双涡结构，从而完全抑制不稳定性，ΔSt降低至0.5%。这种现象背后的机制被称为“涡旋-动量竞争”——Qair2通过剪切层生成涡旋，而Reair1则通过中心喷射流提供涡旋的耗散能力。当Reair1足够大时，涡旋的耗散能力超过了生成能力，从而确保了火焰的稳定性。

研究还通过性能分析指出，在低Reair1条件下，混合不均匀会导致燃烧效率低于74%（NO < 36 ppm）。而在高Reair1条件下，混合更加均匀，燃烧效率可以超过92%（NO ≤ 55 ppm）。通过多参数协同优化，研究最终确定了燃烧效率高于90%且NO排放低于50 ppm的最佳运行区域。这一区域不仅实现了接近零的振荡（ΔSt ≈ 0.5%），还同时达到了高效率和低排放的目标，为设计高稳定性的燃烧室提供了理论依据和工程指导。

涡旋火焰近年来受到广泛关注，因其独特的燃烧特性和工程潜力。涡旋火焰通常由螺旋式切向流通道形成，这些通道在燃烧室内建立了一个回流区，从而形成一个贴近内壁的管状火焰。与传统的湍流旋流燃烧不同，管状火焰表现出层流特性，其火焰结构和稳定性与预混燃烧有相似之处。旋流稳定化的管状火焰燃烧器具有诸多优势，例如扩展的可燃性极限、在高速流动中实现火焰稳定、在火箭发动机中实现壁面冷却、以及在浸没式燃烧室内提高燃料蒸发效率等。然而，实际应用中仍然面临一些挑战，例如在恶劣条件下运行的燃烧系统常遭遇等当比、氧气浓度和流量的波动，从而导致燃烧不稳定和压力振荡。管状火焰燃烧器尤其容易受到这些不稳定因素的影响，这些不稳定性会加剧热传递速率，甚至引发结构疲劳或灾难性故障。

为了解决这些问题，研究人员已经开展了大量的实验和数值模拟研究，以探讨涡旋火焰燃烧器中的不稳定性机制。关键因素包括火焰表面积的振荡、不稳定的热释放速率、燃料化学动力学、旋流强度以及涡旋脱落现象等。例如，Wu等人开发了一种静电感应方法，用于量化层流扩散火焰的振荡频率，并建立了频率谱与火焰稳定性阈值之间的相关性。燃烧不稳定性通常根据频率域进行分类：高频（>1 kHz）、中频（100–1000 Hz）和低频（<100 Hz）模式。低频不稳定性被认为会降低燃烧效率并引发机械磨损，这些不稳定性主要受到流动振荡引起的火焰表面调制的影响。Qi等人在微混合燃烧器中识别出纵向自激不稳定性，其中低频周期性的火焰抬升/再附着循环源于扩散火焰与剪切层涡旋之间的相互作用。Zhang等人在氢-氧预混燃烧室内则发现，较短的点火延迟与较高的频率压力波动（20–50 Hz）相关，表明化学动力学与声学模式之间存在反馈机制。

数值模拟的进步进一步揭示了这些动态机制。Wang等人利用大涡模拟（LES）展示，超音速燃烧器中的喷射-腔体剪切层相互作用会放大低频（5–15 Hz）火焰振荡。Pan等人则将高烟气再循环比（FGR > 30%）与工业锅炉中的1–2 Hz压力振荡联系起来，并通过间歇性火焰淬灭实现了NOx排放减少85%。尽管取得了诸多进展，低频不稳定性在各种燃烧系统中仍然普遍存在，这些不稳定性会普遍加剧效率损失、机械应力和污染物形成。缓解策略主要集中在流动控制、主动调节和几何优化方面。例如，Liu等人通过辅助空气注入减少了船舶发动机中的压力振荡幅度达40%；Zhang等人则采用聚类神经网络控制器（CNNH），通过实时调整氢气流量，成功抑制了频谱峰值达67%。Zhao等人通过重新设计隔离坡度，减少了超音速发动机中的背压驱动振荡。Yang等人则通过填充T形多孔介质增强了微型管状燃烧器的火焰稳定性。近年来，燃烧器配置的创新，如Wang等人开发的混合轴向-切向旋流设计，展示了通过振动抑制和冷流混合优化实现的稳定性提升。Sung等人在Ma2.52超音速流入条件下，利用氢气微喷射辅助实现了氨燃料喷射的稳定点火，展示了氨燃料 scramjet 发动机的可行性。Gu等人则设计了一种创新的试验设施，通过环境空气吸入和超音速喷射器压力复制解决了高海拔条件模拟的难题，使得在气动阻塞约束下能够精确测量推力。

在管状火焰系统中，Zhang等人发现，Reynolds数依赖的中心火焰振荡在燃料富条件下主导了双旋流燃烧器中的燃烧不稳定性。这些发现强调了管状火焰对燃料-氧化剂波动的敏感性，因此需要精确的流场控制。基于前期研究，我们的研究团队开发了一种具有双区管状燃烧的锥形涡旋燃烧器。在这一设计中，气体燃料和主空气（Qair1）通过喷嘴轴向注入，而次级空气则通过上部涡旋通道切向注入，形成一个结合中心喷射流和壁面涡旋的混合流场。实验与数值研究显示，通过优化过量空气比（a）和空气分配比（Qair2/Qair1），可以产生三种火焰模式：（1）壁面附着火焰，（2）中心火焰，（3）复合火焰。其中，复合模式——同时维持中心和壁面火焰——通过区域混合优化实现了峰值燃烧效率（96%）和最低NOx排放（<40 ppm）。然而，在特定的Qair2/Qair1比值下，中心火焰仍然存在持续的低频振荡，这威胁到了运行的稳定性，因此激发了当前的研究。

本研究结合LES和实验方法，旨在实现以下目标：（1）研究涡旋火焰相互作用机制，重点关注旋流强度与喷射流动量之间的耦合，即Qair2和Reair1的作用；（2）开发稳定性标准，以确保在不同流动条件下维持壁面附着火焰；（3）分析在不同振荡模式下燃烧效率与NOx之间的平衡。通过解决这些挑战，我们希望为设计具有更高效率的燃烧器以及具有强稳定性以抵御流动扰动的低排放燃烧器提供可行的见解。

研究还强调了燃烧效率与排放控制之间的权衡关系。在低Reair1条件下，由于中心喷射流动量不足，火焰容易受到次级空气剪切层的影响，导致燃烧不均匀和效率下降。而当Reair1达到一定阈值后，中心喷射流的动量增强，能够有效抑制次级空气涡旋对火焰的影响，从而实现更稳定的燃烧过程。同时，较高的Reair1值有助于提高混合均匀性，从而提升燃烧效率并减少污染物的生成。这种优化路径不仅有助于提升燃烧效率，还能够在一定程度上降低NOx排放，为实际工程应用提供了理论支持。

此外，研究还探讨了如何通过多参数协同优化来实现最佳的运行条件。在优化过程中，需要综合考虑各种因素，如过量空气比、空气分配比、喷射流速、涡旋强度等，以找到能够同时满足高燃烧效率和低排放的最佳参数组合。通过这种方式，研究团队成功确定了燃烧效率高于90%且NO排放低于50 ppm的最佳运行区域。这一区域不仅实现了接近零的振荡（ΔSt ≈ 0.5%），还同时达到了高效率和低排放的目标，为设计高稳定性的燃烧室提供了理论依据和工程指导。

研究的实验部分展示了如何通过调整主空气和次级空气的流量与分配比例来优化燃烧性能。实验装置包括一个锥形燃烧室，其中燃料通过同心式喷嘴的中心内管注入，而主空气则通过外管进入燃烧室。次级空气则通过上部涡旋通道切向注入，形成旋转流。燃料与空气的混合在燃烧室内完成，而燃烧过程则受到喷射流动量和涡旋强度的共同影响。通过调整这些参数，可以有效控制火焰的稳定性，并优化燃烧效率和排放水平。例如，在较低的Reair1条件下，混合不均匀会导致燃烧效率下降，而较高的Reair1值则有助于提高混合均匀性，从而提升燃烧效率。

在实验过程中，研究团队还通过测量火焰的振荡频率和振幅，分析了不同条件下的火焰行为。实验结果显示，在Reair1较低的情况下，火焰容易受到次级空气涡旋的影响，导致周期性的断裂与再点燃，其振幅可达48%。而在Reair1较高的情况下，中心喷射流的动量增强，能够有效抑制次级空气涡旋对火焰的影响，从而实现稳定的燃烧过程。这种稳定性不仅体现在火焰的持续燃烧上，还表现在燃烧效率的提升和污染物排放的降低。

研究还通过数值模拟进一步验证了这些实验结果。模拟结果显示，中心喷射流的动量对火焰稳定性有重要影响，而次级空气的流量则通过剪切层生成涡旋，从而影响火焰的振荡行为。当Reair1达到一定阈值后，中心喷射流的动量能够有效抑制涡旋的生成，从而实现稳定的燃烧过程。同时，较高的Reair1值有助于提高混合均匀性，从而提升燃烧效率并减少污染物的生成。

通过实验与模拟的结合，研究团队不仅揭示了中心火焰稳定性的控制机制，还探索了优化路径。这些发现对于实际工程应用具有重要意义，尤其是在设计高稳定性的燃烧室时，需要综合考虑多种因素，如喷射流动量、涡旋强度、混合均匀性等，以实现最佳的燃烧性能。此外，研究还强调了燃烧效率与排放控制之间的平衡关系，指出在不同的运行条件下，需要找到能够同时满足高效率和低排放的最佳参数组合。

总的来说，这项研究通过实验与数值模拟的结合，揭示了中心火焰稳定性的控制机制，并探索了优化路径。研究结果表明，中心火焰的稳定性主要由主空气雷诺数和次级空气流量共同决定，而通过多参数协同优化可以实现最佳的燃烧性能。这些发现不仅为设计高稳定性的燃烧室提供了理论依据，还为实际工程应用提供了重要的指导。未来的研究可以进一步探讨如何通过调整其他参数，如燃料类型、喷射方式等，来优化燃烧性能，并实现更广泛的工程应用。