声场频率与振幅对火焰NOx 生成特性的影响

沈忠良，邓 凯，王明晓，钟英杰

（浙江工业大学 能源与动力工程研究所 脉动技术工程研究中心，浙江 杭州310014）

声作用下的燃烧过程NOx生成与火焰参数、流场参数、声参数之间存在着重要的关系，是污染物生成机理及污染物控制等方面的重要内容［1］.国内外学者对声作用下火焰NOx生成的特性进行研究［2-8］，并提出了一些有重要意义的结论和观点.

Chao等［9］通过LDV、OH-PLIF、火焰图像直拍等技术对声场频率0～110 Hz、声场振幅0、80dB作用下的氢气层流扩散火焰NOx生成特性和火焰长度、射流速度、伴流空气流速（coaxial flow）等之间的关系进行研究.结果获得了声作用下伴流空气流速、流体Re数、Da 数、全局应变率、频率等参数与NOx生成之间的关系.Zilwa等［3］获得了由于燃烧振荡而引起的当量比（空气系数）变化对燃烧过程NOx生成所产生的影响规律.Tashtoush等［10］发现声作用有效地降低了预混火焰NOx生成（降低至61.5%），且这样的降低效果依赖于声场频率和声的影响形式.Hassan等［11］关注了声场频率对不同氨含量预混火焰NOx生成的影响，结果发现，随着氨含量的增加，部分预混火焰NOx生成变化不大，都符合周期性变化的规律，认为复燃（Reburn）等情况的发生是导致NOx变化的主要原因.Bagheri等［12］研究了135至555Hz贫燃预混火焰，给出了不同频率下火焰形态的变化，使得声场频率变化对火焰NOx影响的研究可以在火焰形态上获得解释.Jeongseog等［13］给出了声作用下的扩散火焰NOx生成随声场频率（150～1 000Hz）的变化关系，指出随着声场频率的变大火焰NOx生成有所增加，但增加程度有限.

上述研究都致力于对特定声环境下火焰NOx生成与火焰参数、流场参数之间关系的研究，并没有给出火焰NOx生成与声参数之间的确切关系.近年来，国内外学者给出了频率与预混火焰、频率与扩散火焰NOx生成之间的关系［14］，而对声作用下的部分预混火焰NOx生成的研究较少，特别是声场频率、振幅与部分预混火焰NOx生成之间的定量关系.因此，现有研究不能具体、全面给出声参数对于火焰NOx生成的影响及其作用机制.

本文实验研究了频率为0～180Hz、振幅为0～1 000Pa的声场对部分预混火焰NOx生成的影响，给出了声场频率与火焰NOx生成之间的关系，并分析了频率与燃烧过程中EINOx存在的特定规律；探讨了声场振幅对火焰NOx生成的影响，并对振幅变化引起的火焰NOx生成变化进行了解释，同时从火焰形态的角度分析了原因.

1 实验系统

1.1 实验装置

本文搭建声作用下火焰NOx与动力学测试系统，该实验系统采用扬声器激励产生声的方法，为火焰创造频率f、振幅A 可调的声环境.

实验系统如图1所示，实验管段直径150mm，全长1 600mm，管内布置本生型燃烧器，燃烧器管径为18mm，燃料与一次空气由燃烧器内进入燃烧区域，二次风（coaxial air）通过外管区域进入，二次风入口设置于实验管段下部.实验系统采用上端开口、下端封闭的设计，扬声器布置于系统底部，可产生稳定可调的声环境.本实验燃料为甲烷，通过质量流量控制器控制燃料、一次风和二次风的流量.为了保证燃料与一次风充分均匀混合，实验装置在燃烧器中加入了多孔材料，增强混合效果，在二次风通道中也设置了金属多孔介质材料.

实验采 用 固 维AFG-2225 信 号 发 生 器、6.5 英寸JBL-A0208A 型扬声器搭配Accuphase PRO-3型功率放大器，管内声参数范围为频率0～180Hz、振幅0～1 000Pa.压阻传感器采样压力信号，压力传感器的测压位置设置于火焰根部以上（如图1所示），实验过程中对压力信号采用实时监测，采用S型细丝双热电偶测温，数据采集采用NI-DAQ 数据采集仪.NOx数据采用瑞士ECO Physics CLD60电化学NOx分析仪，烟气数据采用奥地利MADUR PHOTON 红外烟气分析仪；烟气采集装置参考了Costa，M 团队［15］的工作，并进行了适应性改造，数据采集过程均通过三维电动坐标架进行定位，定位精度为0.1mm；实验中，火焰图像采用Microview MVC1000DAF-GE1000 高 速 相 机 和Canon EOS 550D 进行记录，高速摄像采样频率100Hz.

图1 声场作用下火焰特性实验系统Fig.1 Experimental system of flame under acoustic excitation

1.2 误差分析

本实验主要考虑系统误差中的测量误差和传递误差，测量误差考虑测量仪器的精度误差.如表1所示给出了组分浓度分析仪的测量精度，其中rel表示实际测量的数据.

表1 组分浓度分析仪的测量精度Tab.1 Measurement precision of component concentration analyzer

本文采用NOx生成因子（EINOx）以计量NOx生成情况，EINOx被定义为每单位质量燃料所产生的NOx生成量，单位g／kg.若燃料中所有的碳均转化为CO2和CO，其定义其定义式为

式中：xi为摩尔分数，m 为燃料中碳原子的物质量，MWi为摩尔质量.

根据误差传递公式，EINOx的算术平均误差为

由实验数据计算所获得的EINOx的误差为0.001～0.005g／kg，小于实验所测得该物理量的1%，认为实验数据是准确的.

1.3 实验系统声学特性

本实验系统采用扬声器底部设置的形式，目的是为了获得较为稳定的正弦波信号，且实现振幅与频率的可调节.

如图2所示给出了f＝150 Hz、pA＝570Pa声环境下的压力信号测试值，图中显示试验系统能获得较为稳定的正弦波信号，且该正弦波信号无明显信号噪声，可以验证该声环境发生装置的可靠性.

如图3 所示给出了在不同火焰下的声特性曲线.由图可知，1）实验系统采用一端开口一端封闭形式的驻波管，存在一定的固有振动频率，当扬声器产生的声场频率与该固有频率一致时，管内气流产生共振，形成压力幅值较大的工况点.该扬声器产生声场与该实验装置的共振点分布在155和260 Hz左右.2）由于火焰的存在，使得扬声器产生的声场振幅略有变化；使得装置与声的共振频率点略有后移.3）在不同一次空气系数α 的火焰下，声场参数基本不变，且在实验过程中同步测量NOx排放与声场参数，因此，火焰对声场特性的影响可以忽略.

1.4 火焰长度验证

图2 压力信号数据Fig.2 Pressure signal

图3 不同火焰下的声特性Fig.3 Acoustic characteristics of different flames

火焰长度是燃烧研究中的重要参数，其测量方法主要包括火焰直拍图像处理、火焰红外图像测量、火 焰 区 域 热 电 偶 测 定、OH-PLIF 等4 种 方 法［16-19］.本文结合直拍图像处理和火焰高温区域热电偶测定2种方法来获取火焰长度，直拍图像采用高速摄像记录，通过选定阈值可获取火焰轮廓线与火焰长度，本实验中直拍图像的一次采样数量为200张，在所处理的火焰长度数值中，剔除有明显突变数据的基础上，对数据进行平均，以选取较为准确的数值.

本文通过细丝热电偶测温的方式，进一步确定火焰区域所在位置，通过架设热电偶的三维坐标台架的准确定位，获取火焰长度值，选取温度650K 为火焰高温区域［20-21］所在位置以验证直拍图像处理所获取火焰长度的准确性.为此，设计了用于火焰高温区域探测的细丝热电偶专用水冷套管，如图4所示，以保护补偿导线等附加电路.管内设置0.3μm 的S型细丝热电偶，衔接0.2mm 补偿导线，辅以不锈钢屏蔽外套，保证热电偶测量数据的可信.

图4 热电偶水冷套管Fig.4 Thermocouple water-cooling tube

如图5给出了甲烷体积流量为1 500nml／min，不同一次空气系数α的部分预混火焰直拍图像处理与热电偶扫描测温所获得的火焰长度Lf的对比值.由图可知，在4种不同工况下，测温所获得的火焰长度与图像处理所获得的火焰长度误差在3%以内，由此认为本文所获得的火焰长度数值是准确的.

图5 图像与热电偶扫描测温获得火焰长度对比图Fig.5 Flame length contrast figure based on tem perature and flam in age

1.5 实验工况

本文主要关注声作用下部分预混火焰的NOx生成特性，考虑到实验过程中火焰的稳定性，选取一次空气系数为0.5和0.33、甲烷体积流量为1 000和1 500ml／min的部分预混火焰进行研究.

如表2所示给出了本文的实验工况，研究的声场频率f 为0至180Hz，声场振幅pA为0至1 000 Pa.在实验过程中，气体流量通过北京圣业SY-93质量流量计进行精确控制，精度为实验所取流量的0.1%.同时，实验过程中NOx测量数据进行平均处理的时间周期为2s.

表2 实验工况表Tab.2 Experiment conditions

2 结果与讨论

本文对声作用下的甲烷／空气部分预混火焰进行研究，分析了0～180 Hz、0～1 000Pa的声作用对火焰NOx生成特性的影响，进一步探讨声场振幅、频率与火焰NOx生成之间的关系.

2.1 声场振幅对火焰EINOx 的影响

如图6所示给出了火焰EINOx与频率、振幅之间的关系，1）在0～180 Hz、0～1 000Pa的声作用下，火焰NOx生成量明显小于稳态火焰（即频率f＝0Hz）时的生成量.其原因在于，声作用使得火焰周边空气与火焰区域的传热传质加快，促使空气进入火焰，一方面强化了燃料与气体的掺混，提高了燃烧速率的同时降低了火焰温度，另一方面使得火焰高温区域减小，在反应过程中的燃气在高温区域停留时间减小，从时间角度降低了NOx的生成.

2）在f＝0～180 Hz内，火焰EINOx在不同频率的声影响下，随着振幅的变化规律是一致的.在频率不变时，随着声场振幅的增加，火焰EINOx生成降低，振幅每增加100Pa，EINOx减小幅度为15%～30%.不同频率声作用于火焰，EINOx与声场振幅之间存在线性关系，且满足

式中：∝表征正比关系，k、b为常数.

图6 部分预混火焰NOx 生成规律Fig.6 NOxemission characteristics of partially flame

火焰长度与火焰NOx生成之间存在着密切联系，如图7所示给出了火焰长度随振幅变化的关系，从图中可以看出，1）火焰在声的作用下长度小于稳态火焰长度.这说明声作用导致的掺混效果增强使得火焰高温区域（火焰长度）减小，即NOx生成区域减小，从空间区域的角度降低了NOx的生成.

2）从火焰长度来看，在相同频率下，随着振幅的增加，火焰长度逐渐减小，振幅与火焰长度之间存在线性关系，且这一线性关系与EINOx∝pA是一致的.这说明，火焰长度的变化表征了火焰高温区域的变化情况，导致了EINOx生成的变化，在部分预混火焰中，火焰长度越大，EINOx也越大.

2.2 声场频率对火焰NOx 生成的影响

如图8 所示给出了不同振幅声场下的频率与EINOx之间的关系，火焰EINOx与频率存在线性变化关系，且该关系满足：EINOx∝kf＋b，k∈［0.01，0.03］，b∈［0.4，0.5］.

火焰EINOx与频率之间存在正相关的原因在于，频率越低，在同样声场振幅作用下，火焰长度越小，如图7所示，在f＝30 Hz的声作用下，火焰长度是最小的，这说明低频的声作用更有效地降低了火焰长度，使得火焰NOx生成的时间（高温区域停留时间）和空间（高温区域）上都受到了限制.

图7 声场振幅变化与火焰长度之间关系Fig.7 Relationship between flame length and acoustic amplitude

在低频声作用于火焰的过程中，火焰出现了局部熄火的现象.如图9所示给出了火焰在相近振幅（345±10Pa）的情况下，f＝80～280 Hz的火焰直拍图像.从直拍图像中可以看出，在相同振幅下，随着声场频率的增加，声对火焰流场的影响逐渐减弱，火焰在f＝80Hz工况下明显发生了较大程度的褶皱，该褶皱程度明显强于f＝120、150Hz.

当f＝80 Hz时火焰区域明暗差别强于f＝120、150Hz工况，这说明火焰局部温度存在较大差异，可以认为火焰局部发生了熄火现象［22-23］，这是使得NOx生成降低的一个重要原因［24-25］.

图8 不同声场振幅下频率域NOx 生成特性Fig.8 NOx emission characteristics under different acoustic amplitudes

图9 345±10Pa下不同频率的火焰直拍照片Fig.9 Flame direct images of flame under different frequencies（345±10Pa）

同时，如图10所示给出了不同频率下火焰的温度T 分布，温度采样点设置于燃烧器出口上方60 mm，横坐标为水平位置，0 mm 表示燃烧器出口中心，正负表示燃烧器的左右两侧.可以发现，稳态（f＝0Hz）下火焰锋面的最高温度明显高于声作用下的火焰，进一步从温度的角度解释了声作用降低NOx生成的原理；f＝80 Hz声场作用下的火焰锋面温度、平均温度明显均低于f＝150 Hz声场作用下的火焰，这与前述EINOx的变化规律是一致的，温度的降低，使得f＝80 Hz声作用下火焰EINOx低于f＝150Hz声作用下火焰；在f＝80 Hz声作用下火焰在0 mm 处的温度明显高于稳态（f＝0 Hz）和f＝150 Hz声作用下火焰，其原因在于火焰长度明显降低，温度测温点已经接近f＝80 Hz声作用下火焰的锋面（轮廓线）区域，其温度明显高于火焰内部温度.

图10 不同频率下火焰温度分布Fig.10 Flame temperature distribution under different frequency

3 结 论

本文通过对频率f＝0～180Hz、振幅pA＝0～1 000Pa的声场作用影响部分预混火焰NOx生成特性的实验，获得了声场频率、振幅与部分预混火焰EINOx的定量关系，通过火焰长度和火焰形态的分析探讨了火焰EINOx随频率和振幅变化的原因，提出了以下结论：

（1）声作用下的部分预混火焰EINOx明显小于稳态（f＝0 Hz）部分预混火焰，其原因在于声的作用强化了火焰与周围气体的掺混，使得火焰在高温区域停留时间和高温区域几何尺寸都减小，在时间和空间上同时限制了NOx生成；

（2）在频率f＝0～180Hz、振幅pA＝0～1 000 Pa的声作用下，相同频率声场作用下的部分预混火焰EINOx随振幅的增加而减小，且满足EINOx∝kpA＋b，k∈［-0.009，-0.003］，b∈［1，5］.原因在于振幅的增加使得火焰掺混效果明显增强，火焰长度急剧减小，高温区域减小，在时间和空间上进一步减小了NOx的生成.

3）在频率f＝0～180 Hz、振幅pA＝0～1 000 Pa的声作用下，相同振幅声场作用下的部分预混火焰EINOx随频率的增加而增加，且满足关系式EINOx∝kf＋b，k∈［0.01，0.03］，b∈［0.4，0.5］.原因在于频率越大，声对火焰的影响效果越小，火焰长度越长；频率越小，声的作用促使火焰产生更多褶皱，出现局部熄火，降低了NOx的生成.

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