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声场频率与振幅对火焰NOx 生成特性的影响

2015-07-11沈忠良王明晓钟英杰

浙江大学学报(工学版) 2015年11期
关键词:热电偶声场振幅

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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