| 生物質(zhì)燃燒機(jī)熱聲振動(dòng)特性的試驗(yàn)研究 |
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生物質(zhì)燃燒機(jī)熱聲振動(dòng)特性的試驗(yàn)研究 熱聲振動(dòng)是現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備的常見現(xiàn)象【11，即發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空間存在大振幅的壓力振動(dòng)，發(fā)出強(qiáng)烈的噪聲。熱聲振動(dòng)是燃料燃燒過程中火焰的熱釋放脈動(dòng)與燃燒室固有的聲學(xué)脈動(dòng)之間耦合造成的一種燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象：當(dāng)燃燒熱釋放脈動(dòng)與燃燒室聲場的相位相同時(shí)，燃燒室內(nèi)的壓力振動(dòng)被不斷加強(qiáng)，最后形成穩(wěn)定的大振幅壓力振動(dòng)。 在燃燒領(lǐng)域，一方面，人們想利用熱聲振動(dòng)開發(fā)出高效的脈動(dòng)燃燒技術(shù)；另一方面，人們追求有效地控制燒過程的熱聲振動(dòng)。不管是利用熱聲振動(dòng)以增加燃燒效率，還是控制燃燒設(shè)備的熱聲振動(dòng)，都需要深入研究燃燒熱聲振動(dòng)的特性，研究影響燃燒熱聲振動(dòng)的強(qiáng)度和頻率的相關(guān)參數(shù)。在國外，熱聲振動(dòng)的研究起步較早， 在前人的研究基礎(chǔ)上，搭建了Rik e型預(yù)混燃燒器熱聲振動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)架。試驗(yàn)研究了不同燃燒功率（llgW- 431W環(huán)口不同化學(xué)當(dāng)量比①（Q&L 0和L 2）對(duì)燃燒溫度、熱聲振動(dòng)頻率和強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)獲得的燃燒溫度位于611 K_943 K之間；熱聲振動(dòng)頻率在440 Hz- 476 Hz之間；熱聲振動(dòng)聲壓級(jí)位于131 cIBr146 dB之間。同時(shí)，試驗(yàn)得到燃燒溫度、熱聲振動(dòng)頻率和強(qiáng)度隨燃燒功率和化掌當(dāng)量比的變化規(guī)律。 1試驗(yàn)裝置 圖1(a)為自行設(shè)計(jì)建造的R iikE型預(yù)混生物質(zhì)燃燒機(jī)熱聲振動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)架的系統(tǒng)圖。壓縮空氣和甲烷分別經(jīng)過D07系列質(zhì)量流量控制器以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮空氣和甲烷流量的精確控制，其出廠精度為1J 5%。試驗(yàn)燃燒器為直徑40 rruy管長1 066 rrrn的不銹鋼圓管，管壁厚度為4 nry外壁面裸露在空氣中，不設(shè)保溫層。燃燒器下端封閉，上端開口，致密堇青石材質(zhì)的多孔介質(zhì)穩(wěn)燃體位于燃燒器四分之一管長。 圖中1 2分別為甲烷和壓縮空氣；3 4為質(zhì)量流量控制器；5為混合室；6為方孔形火焰穩(wěn)燃體，孔隙率約為Q 72,7為HP VX班機(jī)；8為HP日432A數(shù)據(jù)采集模塊，內(nèi)建8通道并行采樣通道；9為HP E8491A通訊模塊；10為HP 34970 A主機(jī)，提供3模塊插槽，精度為6位半；11為HP 34908A數(shù)據(jù)采集接線模塊；Tl T6為WPR-100熱電偶，精度為Q 25%; P1 坤為動(dòng)態(tài)壓力傳感器，精度為Q 5%。在試驗(yàn)開展過程中，壓力信號(hào)的采集是試驗(yàn)開展的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。試驗(yàn)選用的動(dòng)態(tài)壓力傳感器的頻響范圍為20 kH4數(shù)據(jù)采集模塊HP E1432A的采樣速度為SL2 KSa/,s精度為讀數(shù)的0. 01%，其先進(jìn)先出堆棧(firstin_ filstcxlt FII(》大小為2M vxi主機(jī)與計(jì)算機(jī)通信的模塊為HPE8491A使用JEEE-1394電纜，其數(shù)據(jù)傳輸速率為400MbP爭我們使用A9ilent VEE開發(fā)了高速連續(xù)并行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集程序，經(jīng)實(shí)際考驗(yàn)，該程序能穩(wěn)定高效地運(yùn)行。試驗(yàn)開展了一系列酌工況研究試驗(yàn)的工況表 2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 2 1壓力波形及頻譜分析 圖2給出①-L 0工況6的壓力波形圖和頻譜分析圖。從圖2(a)可以看到，此時(shí)Rik燃燒器內(nèi)存在強(qiáng)烈的熱聲振動(dòng)，振動(dòng)波形均勻光滑，振幅達(dá)300印從圖2（呦員譜分析可以看到，此時(shí)的熱聲振動(dòng)的主峰頻率在454 H,z在157 H處有一幅度很小的熱聲振動(dòng)。在貧燃大功率下，生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)的熱聲振動(dòng)波形呈現(xiàn)出低頻大振幅的振動(dòng)與高頻主峰振動(dòng)并存的現(xiàn)象，如圖3所示。圖3給出了①一Q 8工況7的壓力波形圖和頻譜分析，燃燒功率為431W由圖3(a)可見，此時(shí)壓力波形整體上與圖2(a)不相同，低頻的大振幅熱聲振動(dòng)明顯。這種低頻大振幅振動(dòng)反應(yīng)了此時(shí)Riikel=LJJ燃燒器內(nèi)的燃燒非常不穩(wěn)定，試驗(yàn)時(shí)聽到一強(qiáng)一弱的周期性轟鳴聲。發(fā)動(dòng)機(jī)工作日寸，低頻大振幅振動(dòng)將強(qiáng)烈地破壞發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的沆場，從而使工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，甚至出現(xiàn)局部熄火或者完全熄火，是需要通過重新設(shè)計(jì)燃燒器結(jié)構(gòu)或引入主動(dòng)控制系統(tǒng)以重點(diǎn)避免的。從圖3(b)可以看到，熱聲振動(dòng)主峰頻率為473 8 H,z而在464 1 Hat.zL存在一個(gè)側(cè)邊峰舊，兩者頻率相差10 Hz從圖3(b)和圖2(b)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，頻率發(fā)生了平移，從中一1.0燃燒功率為41g W的熱聲振動(dòng)頻率454 H呼移到中-Q 8燃燒功率為431 W的熱聲振動(dòng)頻率473 8 Hz兩者相差接近20 Hz圖4(a)給出了①一1.01況6的PI B處的極限周期振動(dòng)，圖4(b)給出了相隔Q 00109時(shí)P1 B處壓力幅值沿軸向的變化趨勢。圖4(a)中的曲線是采用測量點(diǎn)之間的直線連接來表示的，由此可以看到試驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)采集速度能滿足試驗(yàn)要求，不會(huì)產(chǎn)生波形失真。當(dāng)燃燒器內(nèi)某一流體微元得到的熱量輸入大于其對(duì)外做功時(shí)，多余的熱量轉(zhuǎn)化為燃燒室內(nèi)的聲能，當(dāng)燃燒器內(nèi)的火焰釋熱脈動(dòng)與燃燒室聲場相位一致時(shí)，燃燒室的脈動(dòng)不斷增大，最后當(dāng)聲能的增加與生物質(zhì)燃燒機(jī)出口的聲損失相平衡日寸，熱聲振動(dòng)達(dá)到極限周期振動(dòng)。PI B和B的振動(dòng)波形存在相位差，這是由于聲源同時(shí)向上下游傳播造成的，事實(shí)上，F(xiàn)1 B構(gòu)成了一維的麥克風(fēng)阼列。從圖4(b)可見，此時(shí)燃燒器內(nèi)的日處為熱聲振動(dòng)波節(jié)，曉處的熱聲振動(dòng)最為強(qiáng)烈，為振動(dòng)波腹。 2.2試驗(yàn)結(jié)果分析 圖5給出化學(xué)當(dāng)量比為Q&1.0和L 2的三組工況的燃燒溫度（rB處溫度值，rB位于火焰穩(wěn)燃體下游20 rrrn所口熱聲振動(dòng)幅值隨燃燒功率的變化規(guī)律。試驗(yàn)獲得的燃燒溫度位于611 K-943 K之間；熱聲振動(dòng)聲壓級(jí)位于131 dB- 146 dB之間，壓力幅值位于78 Pa_399 Pw2_間。從圖5（9可見，RiikOf-LJ預(yù)混生物質(zhì)燃燒機(jī)的燃燒溫度在同一燃燒功率下基本一致，不受化學(xué)當(dāng)量比的影響。這是容易理解的，因?yàn)橥瑯拥娜紵β，預(yù)混可燃物的總流量比較小，貧燃時(shí)多余的空氣量并不能顯著影響到火焰穩(wěn)燃體下游20 rrrn處rB的溫度。從圖5（晰可見，熱聲振動(dòng)強(qiáng)度強(qiáng)烈依賴于燃燒功率和化學(xué)當(dāng)量比，同一燃燒功率不同化學(xué)當(dāng)量的熱聲振動(dòng)強(qiáng)度并不相同。與化學(xué)當(dāng)量比為Q 8和1.0的熱聲振動(dòng)強(qiáng)度相當(dāng)，化學(xué)當(dāng)量比力L 2的熱聲振動(dòng)強(qiáng)度較小，但是這不能說明貧燃時(shí)的熱聲振動(dòng)幅度比富燃時(shí)的熱聲振動(dòng)幅度大，因?yàn)檫有一系列的化學(xué)當(dāng)量比沒有進(jìn)行試驗(yàn)。在燃燒功率為300 W時(shí)，①一1.0工況4的振動(dòng)幅度為326 P~Q =1. 2工況4的振動(dòng)幅度為244垮兩者相差達(dá)25%。在大燃燒功率時(shí)，①-1. 0工況6的振動(dòng)幅值為399 P,aQ一1.2工況4的振動(dòng)幅度為201 Pa兩者相差達(dá)5 0%。另外，對(duì)于試驗(yàn)的3組工況中最大燃燒功率的工況，貧燃和富燃時(shí)的振動(dòng)幅值沒有繼續(xù)上升，反而急劇下降，而化學(xué)當(dāng)量比為1.0時(shí)振動(dòng)幅值卻繼續(xù)增加，由于質(zhì)量流量計(jì)的量程范圍限制，沒有進(jìn)行更高燃燒功率的試驗(yàn)研究。圖6給出燃燒溫度( rB處溫度值潮熱聲振動(dòng)幅值隨入口速度的變化規(guī)律，從中可以看出入口速度作為燃燒系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)對(duì)燃燒溫度和熱聲振動(dòng)幅值的影響。同一入口速度時(shí)，①-Q 81Yj燃燒溫度最低，①=1. 0與①=12的燃燒功率基本一致；同一入口速度時(shí)，①-1. 0的振動(dòng)幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于①一Q 8和①-1. 2的振動(dòng)幅值，而巾-Q 8和中一1.2的振動(dòng)幅值在低入口速度時(shí)基本一致。 (a) (b) 圖5固定化學(xué)當(dāng)量日寸|(a)燃燒溫度和 (b)壓力幅值隨燃燒功率的變化趨勢 (a) (b) 囹6固定化學(xué)當(dāng)量日寸|(a)燃燒溫度和 (b)壓力幅值隨入口速度的變化趨勢 熱聲振動(dòng)強(qiáng)度隨功率上升而迅速增大的現(xiàn)象是由生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)的熱釋放脈動(dòng)與聲場之間的相互關(guān)系造成的。R iike生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)的非線性源有火焰的熱釋放和管口的聲輻射【71。功率的上升導(dǎo)致更多的熱量轉(zhuǎn)化為聲能，同時(shí)管口聲輻射強(qiáng)度也不斷增大，最終的結(jié)果是生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)進(jìn)入極限周期振蕩的狀態(tài)，此時(shí)的極限周期振蕩幅值與低功率時(shí)的極限周期振蕩幅值相比有較大的增加，具體的數(shù)學(xué)解釋可見參考文獻(xiàn)[ 7]0另外，同一燃燒功率不同化學(xué)當(dāng)量的熱聲振動(dòng)強(qiáng)度相差很大，這可能是由于火焰面及其下游小部分區(qū)域化學(xué)組分的變化造成的‘12- 13]。 圖7給出熱聲振動(dòng)的主峰頻率隨燃燒功率和入口速度的變化規(guī)律。熱聲振動(dòng)頻率隨著燃燒功率的增加輕微上升，但變化的幅度不大。從圖7(a)可見，同一燃燒功率不同化學(xué)當(dāng)量比時(shí)頻率的變化幅度不相同，貧燃和富燃時(shí)頻率隨燃燒功率的增加有較大的增加，而化學(xué)當(dāng)量比為LO時(shí)頻率變化很小。對(duì)于試驗(yàn)的3組工況中最大燃燒功率的工況，貧燃和富燃的振動(dòng)頻率有一較大的增加，上文已經(jīng)提到，此時(shí)的振動(dòng)幅值并沒有繼續(xù)增加，反而急劇下降。產(chǎn)生的原因我們將在今后采用計(jì)箅流體力學(xué)方法進(jìn)行研究。從圖7(b)可見，同一入口速度下，中-12的熱聲振動(dòng)頻率均比①一Q 8YJ振動(dòng)頻率大，而①-L 0時(shí)的振動(dòng)頻率幾乎不受入口速度的影響。 (a)燃燒功率和(b)入口速度的變化趨勢 熱聲振動(dòng)頻率隨燃燒功率的增加輕微上升的現(xiàn)象是由于生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)的溫度升高造成的，從相關(guān)的線性理論‘14-1出發(fā)，可以推導(dǎo)出R ike生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)熱聲振動(dòng)的頻率計(jì)算公式，從而得到頻率與溫度的關(guān)系為&仃、所以，隨著燃燒功率的增加，熱聲振動(dòng)頻率將輕微地升。上文己提到，貧燃和富燃時(shí)振動(dòng)頻率隨燃燒功率增加而上升的幅度與化學(xué)當(dāng)量比為LO時(shí)的上升幅度比要大得多，這可能是由于Riik~內(nèi)的非線性造成的[19，我們將在今后的工作中采用計(jì)算流體力學(xué)來研究這一現(xiàn)象，相關(guān)的聲場模擬工作可作為參考【17]。另外，在貧燃大燃燒功率④-Q 8功率為431W)時(shí)出現(xiàn)了低頻大振幅振動(dòng)與高頻振動(dòng)并存的現(xiàn)象，這是由于貧燃條件下局部區(qū)域的化學(xué)當(dāng)量比波動(dòng)產(chǎn)生的局部熄火造成的‘”。 3結(jié)論 搭建了R iike型預(yù)混生物質(zhì)燃燒爐熱聲振動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)架，開發(fā)了高速連續(xù)并行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集程序。試驗(yàn)進(jìn)行了化學(xué)當(dāng)量比中為Q&L 0和L2的3組工況研究，獲得了以下結(jié)論： 1)試驗(yàn)獲得的燃燒溫度位于611 K-943 K之間；熱聲振勸頻率在440 Hz- 476 H~_間；熱聲振動(dòng)聲壓級(jí)位于131 dB- 146 dB之間。 2) Riike型預(yù)混生物質(zhì)燃燒爐的燃燒溫度隨燃燒功率的上升而上升，基本上不受化學(xué)當(dāng)量比的影響。 3)熱聲振動(dòng)頻率隨燃燒功率的增加輕微上升，同一燃燒功率不同化學(xué)當(dāng)量比下的振動(dòng)頻率的變化幅度不相同，貧燃和富燃時(shí)頻率隨燃燒功率的增加有較大的增加，而化學(xué)當(dāng)量比為LO時(shí)的振動(dòng)頻率幾乎不受燃燒功率的影響。貧燃大燃燒功率時(shí)出現(xiàn)了低頻大振幅振動(dòng)與高頻振動(dòng)并存的現(xiàn)象。 4)熱聲振動(dòng)強(qiáng)度強(qiáng)烈依賴于燃燒功率和化學(xué)當(dāng)量比，同一燃燒功率不同化學(xué)當(dāng)量的熱聲振動(dòng)強(qiáng)度相差可達(dá)50%。 |
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