不同环境温度下水平喷雾燃烧火焰形态实验研究

2019-05-28仇性启崔运静王建新

工业加热 2019年2期

谢凯，仇性启，崔运静，王建新

（1.中国石油大学（华东）化学工程学院，山东青岛266580；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266580；3.云南航天工业有限公司，云南昆明605229）

液体喷雾的燃烧在各种内燃机、燃气轮机以及燃油锅炉等动力与能源设备中有着广泛的应用[1]。水平射流燃烧也存在于各种工业流程中[2]。我国幅员辽阔，北至漠河，南至海南，特别对于我国北方和高原地区，温差跨度大，环境温度的降低导致火焰形态的变化。火焰长度与燃烧室密切相关[3]，若燃烧室小火焰长，则会出现火焰直接冲刷受热面，造成未燃尽油雾或气体的急冷而在受热面上积炭；若燃烧室大，火焰短时，则会出现火焰充满度差，炉内温度低的现象，影响受热面的热利用。此前学者们主要针对与高温和高压的燃烧进行研究，最近才提出不能忽略低温对燃烧的影响[4]128，了解其变化规律可为工程设计提供依据。Gupta A K[5]对不同进气温度条件下以丙烷为燃料的火焰进行了观测，发现火焰长度随着空气预热温度的增加而增加。Awasthi I等人[6]采用数值计算的方法对不同初始液滴（正庚烷）在不同环境温度条件下对液滴燃烧的影响规律进行了深入研究。Xu G等人[7-8]实验测量了空气温度为300、633 K时正葵烷液滴燃烧速率（k=deq2/t），分别为1.15、1.24 mm2/s。Lin C Y[9]对一小型自动燃油燃烧器在20℃和40℃进行了实验，发现在20℃时，燃烧效率降低，污染物排放升高。Bao A[10]对一低NOx工业用燃烧器采用数值模拟的方法，发现入口空气温度在50～200℃，燃烧火焰的温度随入口空气温度降低而降低。Dvoinishnikov[11]同样发现旋流燃烧器的环境温度对火焰形态影响显著，但其并未深入研究。Castela M等人[12]对小型圆柱形燃烧室内进行了实验研究，大气温度为25～625℃，发现对污染物排放有显著影响。Stagni A等人[4]129对以正庚烷为燃料的对向流火焰进行了研究，发现低温条件下燃烧对其火焰温度等有显著影响，不能忽略温度变化。对柴油喷雾燃烧在常压或低压条件下的低温进气环境的燃烧的研究文献较少，特别是对低至-40℃下的大气环境，几乎未见报道。

本文主要采用实验研究的方法对不同环境温度下的水平喷雾火焰进行研究，采用MATLAB编程计算，对在试验舱内采集的连续时间序列火焰图像进行统计分析研究，得到火焰形态特性等随环境温度的变化规律。

1 实验装置和方法

本实验中对环境温度的控制是通过BTT5025F高低温试验舱来实现的，试验舱及外部采集系统实物图如图1所示。试验装置置于试验舱内部，数据线通过密封性能良好的小孔传输到采集系统。舱内实验装置整体示意图见图2，内部燃烧实验箱体尺寸为D3 410 mm×W3 810 mm×H2 630 mm。试验舱可以提供的温度范围是-50～100℃，精度为±1℃，实验箱内部温度分布均匀性通过实验测量满足实验要求。高低温试验舱具有自调节功能，可实现持续供新风，新风量可以从0到120m3/h连续调节，可以满足实验燃烧机的新风量要求。为验证舱内温度与实地环境温度变化事后一致，在当地试验舱外进行比对验证实验，对比温度为20℃时，经火焰视频图像分析其形态一致，验证了在高低温试验舱内的实验方案是可行的。

图1 BTT5025F型高低温试验舱及采集系统

图2 高低温舱内实验装置示意图

本实验选用利雅路RIELLO-40-G5型燃烧器，试验中功率为36 kW。燃料为0号柴油。环境温度变化范围为-40～35℃。试验舱所在地为昆明，当地实验环境压力为0.08 MPa。火焰视频采样正对火焰，图像采集频率为25帧/s。

2 试验舱内连续火焰的图像处理

目前研究火焰形态的方法依以图像分析法为主，主要是对火焰图像的灰度化、二值化、滤波处理和轮廓提取二值分割[13]，然后判别图像中的有效区域和干扰区域。对于图像处理在火焰特征统计的研究，陈珂等人[14]提出了基于图像特征来分析火焰形态的方法。毛翠丽等人[15]使用MATLAB对CCD相机采集的火焰图像进行了阈值分割，噪声处理，数学形态学处理，寻找了火焰的边界。周昊等人[16]对实际炉膛的火焰拍摄及处理也进行了研究。

本文利用MATLAB强大的矩阵运算处理功能，对火焰图像进行处理[17]，通过MATLAB使火焰图像灰度化、二值化，进而编程统计分析连续图像中二值化火焰图像部分亮度的出现概率，得到火焰分布概率云图，最后根据像素比例尺计算得到实际火焰的平均高度、宽度等参数。本文中分别对温度环境为-40～35℃的火焰稳定后的300帧图像实验视频进行时间序列图像处理，将其统计数据导入TECPLOT软件中，计算分布概率为50%时的平均火焰长度与宽度，总结出火焰形态随大气环境温度的变化趋势。同时也能统计出喷雾燃烧火焰的一些重要的特征，尤其是火焰脉动频率特性和火焰末端抬升特性。

3 实验结果与分析

3.1 火焰形态分析

本文所研究的不同环境温度下的火焰图像的像素概率云图如图3所示，比例尺为0.85 mm像素。从图4中可以看到，在较低温下，火焰有着明显的拉伸现象，火焰的长度值较大而宽度变窄。随着环境温度的增加，火焰长度呈现出下降趋势，火焰宽度则与之相反。图像处理过程中，-40～0℃的平均灰度图像其背景较为模糊，这是由于温度较低的原因。在低温条件下，火焰周围的空气由于热胀冷缩原理开始凝结，出现水雾等。然后水雾在火焰燃烧时发出的大量的热作用下发生汽化现象，这就导致了在舱内拍摄的背景画面有些许模糊，但由于本文图像处理采用阈值分析理论，并不影响火焰概率分布形态的判读。分别计算不同温度下火焰分布概率图中出现概率为50%的平均火焰长度和宽度等火焰形态参数，得参数变化如图4所示。

火焰宽度随温度增加而增加，整体成正比关系。而火焰长度随温度增加而降低，整体呈反比关系。火焰长度在整个实验测量范围内随温度增加而缩短，在20℃以上时，火焰形态变化不大，但当温度降低到0℃以下后，火焰迅速变长，宽度变窄，但当温度继续降低到-20℃以下时，火焰长度的变化也会愈趋平缓。在-40℃时，火焰长度较常温20℃时增长了30%，这对于小型炉灶中的使用来说其长度变化非常明显。从喷雾燃烧机理来分析，柴油从喷嘴喷出后，在低温大气环境下，其液滴的燃烧速率变慢，导致液滴运动路径越长，最终火焰的长度变长。

图3 不同大气环境温度下火焰图像像素概率云图

图4 不同大气温度下火焰形态变化

3.2 火焰抬升特性

依据之前所做工作中的火焰抬升特性定义[7]，根据火焰抬升斜率的计算方法，得到其火焰抬升的斜率随不同环境温度变化曲线如图5所示。随着环境温度的增加，火焰抬升斜率呈递增趋势，整体呈正比关系。这主要是由于随着环境温度降低，大气密度增加，火焰末端的卷吸程度降低所致。特别是在温度低于0℃时，斜率的变化较大于0℃时更陡峭，而且在0℃附近形成一个特别明显的“拐点”，形成分段的线性关系。其变化规律同火焰形态变化规律有相似之处，均在0℃以下变化较快。其火焰抬升特性在0℃左右形成拐点亦与火焰迅速拉长有密切关系。对于在0℃附近形成拐点，结合本实验分析，应与0号柴油的物理特性有密切关系，0号柴油的凝点为0℃，故而在0℃附近喷雾后液滴燃烧的特性变化较大，进而在曲线中形成一个明显拐点，后续可改变柴油标号做进一步研究。

图5 不同大气温度下火焰抬升斜率

对火焰抬升斜率与温度的数据拟合，得

式中：k为火焰抬升斜率；T为大气温度，℃；

3.3 火焰脉动频率

火焰的脉动特性是喷雾燃烧火焰的重要特征，其主要宏观表现为火焰呈现周期性抖动变化的现象。喷雾燃烧火焰在火焰末端呈现强烈的脉动状态，火焰的脉动也是火焰高度变化的特征。一般用在单位时间内火焰周期性变化次数来来表征火焰的脉动现象，即火焰脉动频率。一般的分析方法不足以求得火焰的频率，本文用对300 s稳定火焰的每帧图像与初始图像进行相关性对比，进而进行快速傅里叶变换（FTT），得到火焰的脉动频率变化[18]。由火焰脉动特性计算方法[19]分析得出水平柴油喷雾燃烧火焰在不同大气环境温度下的脉动频率特性曲线如图6所示。

图6 不同大气温度下火焰脉动频率

分析大气环境温度与火焰脉动频率变化趋势图，可以观察到火焰脉动频率与温度成正比关系 f∝T，并且可以看到，与3.2节火焰抬升特性类似，在0℃附近同样存在一个明显的“拐点”。较高温相比，在温度更低的条件下，火焰频率衰减更快。在-40℃环境下，火焰频率较常温20℃时衰减了37%。在高温段，火焰频率变化不大。

拟合火焰脉动频率与大气环境温度的数据关系，得