Rijke型燃烧器中声波对碳烟抑制影响的试验研究

祝艺彬,郭 辉,吴敏乐,张治国,索艳格

(浙江科技学院 机械与能源工程学院,杭州 310023)

燃烧广泛存在于日常生活中,而不完全燃烧[1]会产生大量气体和固体颗粒污染物,碳烟就是其一[2-3]。有效抑制碳烟生成的方法一般有两种:一种是从碳烟生成机理角度减少碳烟颗粒的生成,另一种则是通过提高燃烧效率促使碳烟颗粒的再氧化[4-5]。脉动燃烧是一种周期性燃烧,其燃烧状态参数随时间周期性变化,可以强化传热、传质,提高燃烧效率并显著降低燃烧污染物的产生[6]。

外加声场导致的强制性脉动燃烧对碳烟有较好的抑制效果[7-8],其特点是输入燃烧系统内的声波幅值与碳烟抑制率呈线性关系[9]。郭辉等[10]对强制性脉动燃烧的影响因素进行归一化处理,发现强制性脉动燃烧的碳烟抑制率与输入声能呈线性关系,这表明在强制性脉动燃烧中,为获得更好的碳烟抑制效果必须相应地提高外部声波能量的输入。Saito等[11]对双侧声激励下乙炔火焰碳烟抑制效率进行了研究,发现脉动燃烧可抑制碳烟的原因是脉动强化了空气与可燃物的混合从而提高了燃烧效率。Zheng等[12]研究了声激励下上升射流火焰的化学荧光波动和涡结构,发现瞬时混合组分的波动与火焰提升高度变化相关。

Rijke型燃烧器[13]具有自激振荡发声特性,可以诱发脉动燃烧。朱永波等[14]在对Rijke型燃烧器的研究中发现,热源功率决定了发声频率及强度。任建兴等[15]对Rijke型变截面燃烧器的研究中发现当燃烧器长度与直径之比在10以上时,能够实现燃烧器的自激脉动燃烧,热源位置、进口空气流速和温度梯度都会对脉动燃烧产生影响;在后续的研究中,任建兴等[16]还发现燃烧装置的结构特性对自激脉动燃烧也有很大的影响。这表明了在Rijke型燃烧器中自激产生脉动燃烧的条件较为严格。周昊等[17]通过扬声器对Rijke型燃烧器中自激震荡控制的研究,发现扬声器施加的声场激励可以使管内产生与声波同频的压力震荡,在某些工况下与声波同频的压力震荡幅值会高于自激震荡幅值。这意味着外部声场激励可以诱发较强的压力震荡并与火焰进行耦合。冯建畅等[18]对水平Rijke管热声模型的数值求解,发现在线性不稳定区域内,震荡幅值随时间延迟呈先增大后减小的趋势。杨亚晶等[19]研究了具有破坏性的自激震荡现象,发现声波频率和声压随热声功率和空气流量的提高呈上升趋势。由此可见,现有的对Rijke型燃烧器的研究集中在采用主动控制对自激震荡的抑制上,利用外部声场控制进行碳烟抑制的研究还较少。

本研究采用外部声场诱发火焰与声波的共振,解决了强制性脉动燃烧存在的经济性差和Rijke型燃烧器自激脉动燃烧的条件过于严格的问题,通过改变扬声器输入声波的频率、振幅、波形和燃料流量等参数,研究Rijke型燃烧器中乙炔扩散火焰对声波的响应和碳烟抑制效果,以便为利用脉动燃烧进行碳烟抑制提供新思路和新方法。

1 试验设计

1.1 试验仪器

玻璃管(外径55 mm,内径50 mm,长1 m),喷嘴(不锈钢,内径2 mm,外径4 mm,长10 cm),压力传感器(昆山双桥传感器测控技术有限公司,C1406YG),高速相机(日本奥林匹斯公司(Olympus)i-speed CCD,12～120 mm 1∶1.8 C变焦镜头),双色测温仪(美国先进能源(Advanced Energy)公司,ONYX-2C)、玻璃纤维滤纸(孔径1 μm),电子天平(德国塞多利斯电子天平,BSA2245-CW,精度0.1 mg),质量流量计(美国艾里卡特(Alicat)高精度质量流量计,MC-5SLPM-D),真空泵,数据采集卡,扬声器。

1.2 试验过程

Rijke型燃烧器试验装置示意见图1。乙炔气体流量Q(0.06 L/min、0.08 L/min)由质量流量计控制,气体由管道传输至不锈钢喷嘴处点燃。声波由玻璃管下方扬声器发出,进入玻璃管中形成驻波场来影响乙炔火焰的燃烧状态。该声波可由LabVIEW软件控制其频率(50～400 Hz)、振幅(0～0.2 V)及波形(正弦波、方波、三角波)。扬声器与玻璃管底部距离为10 mm,以保证空气可自由进入燃烧系统中。碳烟颗粒用玻璃纤维滤纸收集,利用真空泵将漏斗内部抽至负压以保证碳烟颗粒被充分收集,使用电子天平测量1 min内收集到的碳烟质量。同时,使用双色测温仪测量距离喷嘴处5 mm和10 mm处的火焰温度。使用高速相机分别拍摄不同频率和振幅声波影响下的火焰图片,采用Adobe Premiere 2020软件对图片进行处理。

图1 Rijke型燃烧器试验装置示意

2 结果与讨论

2.1 声波波形与频率对碳烟抑制率的影响

无声波干扰时1 min内收集到的碳烟质量为M0,施加声波干扰时1 min内收集到的碳烟质量为M1。碳烟抑制率

(1)

图2为碳烟抑制率与声波频率的关系,输入振幅为0.05 V,波形分别为正弦波、方波、三角波,乙炔流量为0.08 L/min,频率变化范围为50～400 Hz。从图2中可以看出,当3种波形的声波处于共振频率(170 Hz、346 Hz)时,碳烟抑制率得到了显著的提升,最高可接近100%,在其他频率下,碳烟抑制率均低于20%。这说明试验搭建的燃烧系统共振频率与声波的波形无关。

图2 碳烟抑制率与声波频率的关系

2.2 声波波形与振幅对碳烟抑制率的影响

图3为170 Hz声波下不同波形时碳烟抑制率与振幅的关系,波形分别为正弦波、方波、三角波,乙炔流量为0.08 L/min,输入振幅变化范围为0～0.05 V。从图3中可以看出,在3种波形的声波影响下,碳烟抑制率均随振幅增大而提升,呈非线性增长。碳烟抑制率随输入振幅的增大经历了初期缓慢提升(0～0.01 V)、中期快速提升(0.01～0.03 V)和后期缓慢提升(0.03～0.05 V)3个阶段。形成该曲线趋势的原因可能是火焰在0～0.01 V时输入振幅较小,火焰较为稳定,受声波的影响较小;而当处于0.01～0.03 V时,火焰与声波发生共振,火焰波动程度迅速提升,此时的剧烈波动使碳烟颗粒得到充分的氧化;当处于0.03～0.05 V时,火焰波动程度已接近极限,提升速度减缓,故碳烟抑制率的提升也同样减缓。此外,碳烟抑制率与声波波形相关,方波的碳烟抑制率最好,正弦波次之。例如,在输入振幅为0.02 V时,方波的碳烟抑制率为55%,正弦波的碳烟抑制率为50%,三角波的碳烟抑制率为40%。同时,方波在达到相同的抑制效果时所需的声波振幅比其他2种波形更小。例如,在碳烟抑制率接近100%时,方波的输入振幅仅需0.04 V,正弦波则需0.05 V,而三角波在0.05 V时碳烟抑制率才达到98%,需要更高的振幅输入才能接近100%的碳烟抑制率。

图4为346 Hz声波下不同波形时碳烟抑制率与输入振幅的关系,其波形分别为正弦波、方波、三角波,乙炔流量为0.08 L/min,振幅变化范围为0.15～0.2 V。从图4中可以看出,在声波处于较高频(346 Hz)时,随着振幅的增加碳烟抑制率呈上升趋势,由波形引起的碳烟抑制率差异更加明显。例如在振幅为0.16 V时,正弦波的碳烟抑制率为35%,三角波仅为28%,然而方波达到了88%。对比图3与图4,频率较低(170 Hz)时,较小的声波振幅就可获得较高的碳烟抑制率,而频率较高时则需要更大的声波振幅输入。例如,在较低频率时,方波在0.03 V的振幅输入下可达到95%的碳烟抑制率,而在较高频率时则需要0.17 V的振幅才能达到类似的效果。产生此现象的原因可能是较低频率的声波能量较高,其对火焰波动的作用效果明显,在相同条件下较高频率的声波能量较低,因此需要更大的振幅才能拥有同样的能量。且在较高频率时,由于能量较低,由波形导致的能量差异更为明显,从而导致了在较高频率时碳烟抑制率的差异更为明显。

图4 346 Hz声波下不同波形时碳烟抑制率与振幅的关系

2.3 声波波形与乙炔流量对碳烟抑制率的影响

图5和图6分别为170 Hz和346 Hz声波下不同乙炔流量和声波波形时碳烟抑制率与振幅的关系。乙炔流量分别为低流量0.06 L/min和高流量0.08 L/min,输入振幅变化范围分别为0.01～0.06 V和0.01～0.2 V。对比图5和图6可以看出,在其他条件相同的情况下,乙炔流量较低时碳烟抑制效果较好,乙炔流量较高时需要较大输入振幅的声波才能得到与低流量时相当的碳烟抑制效果。不同的声波波形不影响整体趋势,其原因可能是大流量的乙炔火焰长度和体积均大于小流量时的情况,大体积火焰稳定性更强。因此,需要更大振幅的声波来诱发火焰与声波的共振。综上，不同声波波形对碳烟抑制效果的影响小于乙炔流量的影响。

图5 170 Hz声波下不同乙炔流量和声波波形时碳烟抑制率与振幅的关系

图6 346 Hz声波下不同乙炔流量和声波波形时碳烟抑制率与振幅的关系

2.4 声波波形对碳烟抑制率影响的原因分析

图7显示了乙炔流量为0.08 L/min,振幅为0.04 V,频率为170 Hz时,正弦波、方波、三角波影响下火焰的周期性变化。与自然火焰相比,3种声波影响下的火焰表面均出现明显的褶皱,其相对表面积均大于自然火焰,较大的火焰表面积使火焰与空气的接触充分,也使得火焰中的可燃物与氧气混合更充分。在声波作用下,火焰呈现周期性的推举和掐灭现象,这与发生热声不稳定现象的火焰形态相吻合[20]。同时,火焰高度也随时间的推移周期性变化,方波影响下的火焰高度变化更明显,其次为正弦波,而三角波影响下火焰的高度变化较小。根据图3曲线数据,此时正弦波、方波、三角波影响下的碳烟抑制效率分别为97%、99%和92%,这与图7中火焰高度变化的趋势一致。根据马大猷[21]对热声不稳定现象的解释,声波将导致局部气团压力、气流速度及密度的周期性变化。在声波的影响下被压缩的气团经过火焰附近时会吸收能量使得声压提高,导致局部空气流速提升,使得火焰中可燃物与氧气更加充分地混合,从而提高了燃烧效率,并导致火焰高度的降低。图8为正弦波、方波、三角波的波形对比,从图中可以看出,除平衡位置和波峰波谷位置,其他任意位置(例如图中红线位置)方波的幅值最大,正弦波振幅和三角波相比差距较小。因此,由图8可以推测:方波影响下的局部气团被压缩程度明显大于其他两种,而正弦波的压缩程度则略大于三角波。可见,在其他条件相同的情况下,方波携带的能量最高,使得局部空气流速最快,火焰燃烧也最充分;正弦波次之。当声波频率为346 Hz时,变化规律与频率为170 Hz时一致。

图7 3种声波波形影响下火焰的周期性变化

图8 正弦波、方波、三角波波形对比

图9是乙炔流量为0.08 L/min、振幅为0.04 V、频率为170 Hz时3种波形影响下火焰的温度对比,测量位置分别为距离喷嘴5 mm和10 mm处。自然火焰在5 mm处温度在1 825 ℃左右,在10 mm处降低至1 625 ℃左右,由于温度的降低,未完全燃烧的碳烟颗粒将随着气流释放到火焰区域外。而受声波影响的火焰在5 mm和10 mm处均处于高温状态,这是由碳烟颗粒的再氧化导致的。对比3种波形影响下的火焰温度,方波影响下的火焰温度在5 mm和10 mm处均大于正弦波和三角波。

图9 3种波形影响下火焰的温度对比

3 结 语

本研究针对乙炔扩散火焰在声波与火焰共振的燃烧体系中碳烟生成问题,通过改变声波波形、频率、振幅及乙炔流量等参数探究了它们对碳烟抑制效果的影响,并初步分析了波形对其造成的影响。结果显示,在共振频率下,根据乙炔流量的不同选用合适的振幅可达到很好的碳烟抑制效果。方波相比正弦波和三角波,能对局部气团施加较大的压力,使燃料与氧气充分混合,从而提高了燃烧效率,获得较好的碳烟抑制效果。