Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器點火過程數值模擬研究

智同生，王 順，郭 利

(1.南京工程學院，江蘇 南京 211167； 2.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

脈動燃燒是指在一定聲學條件控制下周期性的燃燒過程，脈動燃燒技術的應用是通過脈動燃燒器來實現的。相比于常規的穩態燃燒技術，脈動燃燒具有眾多優點：低過量空氣系數下保持高燃燒效率，較高的燃燒強度和傳熱系數，污染物排放低(尤其是NOx的排放)[1-3]。主流的脈動燃燒器種類分為三種：Schimidt型脈動燃燒器，Helmholtz型脈動燃燒器和Rijike型脈動燃燒器，其中Helmholtz型脈動燃燒器是目前國內外應用最廣泛的脈動燃燒器。目前已開展的關于Helmholtz脈動燃燒器的研究大多都是針對脈動燃燒的工程應用問題展開的[4]，其中潘四普[5]研究了脈動燃燒器燃燒室外溫度場的溫度變化規律，為優化加熱器內部熱源結構設計提供參考。陳輝[6]對脈動燃燒器混合室進氣特性進行了數值模擬研究，得出混合室夾角對脈動發動機的燃燒穩定性、尾氣排放有著重要的影響。Xu yanying[7]對帶彎尾管的脈動燃燒器的換熱特定進行了研究，發現脈動氣流中產生的渦旋形狀和渦旋核心位置脈動燃燒器的對流傳熱特性有較大影響。對于Helmholtz脈動燃燒器整個燃燒過程的建立，尤其是實現穩定點火的機理方面尚缺乏足夠的認識。而研究脈動燃燒的著火特性對控制脈動燃燒器的穩定運行，擴展脈動燃燒器的運行范圍都有著重要指導意義，因此有必要對Helmholtz脈動燃燒器的的點火過程進行更加深入的研究。

本文基于課題組之前對Helmholtz型無閥自激燃燒器點火過程的實驗研究，利用數值模擬方法完善了對Helmholtz型無閥自激燃燒器點火過程的機理分析和探討，分析了從點火開始到實現穩定脈動燃燒整個過程中燃燒器的溫度，壓力和氣體流動特性。研究結果對于說明脈動燃燒器的點火機理，從而更好的實現脈動燃燒器的穩定點火和合理運行具有很好的指導意義。

1 實驗設備及實驗現象

1.1 實驗設備及系統

本課題組前期對Helmholtz型無閥自激燃燒器點火過程進行了實驗研究[8]，為說明本文模擬結果的可靠性，同時作為后續模擬結果的驗證依據，首先簡單介紹本課題組前期的實驗系統和實驗結果。實驗系統如圖1所示，實驗實物圖如圖2所示。實驗過程中，丙烷燃氣和空氣分別在氣瓶壓力和空氣泵的作用下進入脈動燃燒器，在預混室部位充分混合，然后由電火花點燃，在特制的石英玻璃脈動燃燒器中實現穩定脈動燃燒。實驗利用高速相機記錄了整個點火過程的火焰狀態，并利用熱電偶和壓力傳感器等設備監測了部分點位的壓力和溫度變化情況。

圖1 脈動燃燒器點火實驗研究系統圖1-電腦;2-虛擬示波器;3-壓力傳感器;4-點火電極;5-脈動燃燒器;6-熱電偶;7-高速相機;8-丙烷氣瓶;9-控制閥;10-質量流量計;11-脈沖點火控制器;12-質量流量計;13-控制閥;14-調節閥;15-空氣旁路;16-空氣過濾器;17-調節閥;18-鼓風機

圖2 脈動燃燒器點火實驗研究實物圖

1.2 實驗現象

實驗過程中利用高速相機記錄了整個脈動燃燒器成功點火過程的火焰狀態，如圖3所示，從圖中可以看出，點火過程前期存在若干次點火爆燃，從燃燒器入口處點火，爆燃火焰向上傳播，然后熄滅，經過若干次這樣的過程，燃燒器上端(出口部位)突然形成火焰，并向下傳播，最終不再熄滅，形成了穩定的脈動燃燒火焰。

由于整個實驗所得數據有限，可監測參數變化有限，因而，本文進一步利用數值模擬的方法對脈動燃燒器的整個點火過程進行了研究。

圖3 成功點火過程火焰狀態

2 數值模擬

2.1 網格劃分及模擬設置

物理模型的構建和網格劃分是FLUENT進行數值模擬計算的第一步，本文分別利用CAD和Gambit軟件對脈動燃燒器進行了物理模型構建和網格劃分。在網格劃分中，由于脈動燃燒器結構方正，采用了正方形網格，網格質量良好。經過網格無關性驗證，最終選取網格數量為215 593。

同時，在模擬過程中選取了燃燒室入口，燃燒室中心，燃燒室出口，尾管中心四個典型位置作為壓力和速度的監測分析位置，如圖4所示，分別命名為監測點1，監測點2，監測點3和監測點4。

圖4 脈動燃燒器網格劃分

脈動燃燒器中的燃燒過程是具有多組分化學反應的湍流燃燒，模擬過程中采用標準k-epsilon湍流模型模擬湍流運輸，使用組分輸運方程(species transport)模擬燃燒過程，丙烷燃燒化學機理采用丙烷一步反應模型，利用SIMPLE算法對各方程進行求解。為模擬實驗中的的電火花點火過程，在燃燒室入口的位置使用了Spark點火方式，從0 s開始，點火持續0.001 s，點火能量為1 J。

2.2 初始和邊界條件

基于脈動燃燒器運行的理論依據和前期實驗結果，對模擬中的初始和邊界條件進行了如下設置：

燃氣/空氣入口條件：入口采用速度進口邊界條件，給入的是丙烷和空氣混合氣，混合比例C3H8/O2為1∶5，進口流速為7 m/s。預混氣體的初始溫度為300 K壁面邊界條件：根據之前實驗所測得的燃燒器各處壁面溫度，模擬過程將燃燒器壁面分為三部分，分別是燃燒器混合室壁面，燃燒室壁面和尾管壁面，均設置為恒溫壁面，溫度分別為400 K，1 000 K和600 K。

尾管出口條件：壓力出口邊界條件。

3 數值模擬結果分析

脈動燃燒器點火成功的標志是實現穩定持續的脈動燃燒，而燃燒器中壓力出現穩定周期性變化是說明脈動燃燒成功建立的重要標志。因此，本文重點關注了點火過程中燃燒器中壓力的變化情況，輔以燃燒器內溫度場的云圖分布情況來說明成功點火過程。同時為闡明脈動燃燒的點火機理，還進一步分析了煙氣的回流情況和爆燃現象對點火的影響。

3.1 點火過程壓力變化及溫度場的分布情況

整個點火過程中脈動燃燒器中壓力的變化情況如圖5所示，從圖中可以看出，脈動燃燒器點火過程基本可以分為三個階段：第一階段：多次爆燃過程，爆燃過程壓力振幅極大，爆燃頻率較小，稱為爆燃區；第二階段：由于存在點火延遲，爆燃之后有一個燃燒建立的過程，這個階段壓力幅度較小(大約持續0.05 s)，稱為過渡區；第三階段：實現穩定脈動燃燒，壓力振幅平穩，振蕩頻率穩定，稱為穩燃區。根據點火時燃燒器內初始條件的不同，點火過渡過程將向著不同的方向發展。如果初始條件在燃燒器著火范圍內，點火過渡過程將發展為成功著火；如果初始條件不在燃燒器著火范圍內，燃燒器將不會著火，而可能重復爆燃過程或者轉變為無著火。這一結果和Dawson的研究結果基本吻合。Dawson[9]研究的是脈動燃燒器啟動過程中的壓力與熱量釋放，得出了脈動燃燒器的啟動時間在100 ms以內，啟動過程可以分點火階段、脈動發展階段、循環振蕩階段。在脈動發展階段，由于強烈的非線性作用的影響，頻率和相位都沒有再現性。

圖6是對應的點火成功后，穩定脈動燃燒一個周期中燃燒器中溫度場的變化情況。從上到下依次為:(a)爆燃后煙氣回流點燃燃燒室內新鮮燃料，燃燒室溫度升高;(b)燃燒產生的高溫煙氣膨脹排出;(c)新鮮燃料進入，煙氣由于慣性繼續排出，溫度下降;(d)煙氣回流重新與新鮮燃料混合點燃，溫度升高。整個過程對應圖5中穩燃區內一個壓力脈動周期。整個溫度場的數值模擬結果也和實驗結果(圖3)基本吻合。

圖5 點火過程的壓力變化情況

圖6 一個脈動周期內燃燒器溫度分布

3.2 點火過程爆燃和煙氣回流情況

3.2.1 點火過程爆燃現象

無論是實驗結果，還是從圖5的壓力變化情況可以得出：脈動燃燒器前期點火過程存在著爆燃現象。爆燃是燃燒室內積存的可燃混合物瞬間同時燃燒，從而使燃燒室壓力突然升高的一種現象。為了深入了解分析爆燃情況，進一步查看了圖5中壓力振幅最大區域的溫度云圖，如圖7(a)所示。最初在燃燒室進口處賦予能量進行點火，由于前期燃燒室燃料和空氣混合物在燃燒室內的分布還不夠均勻，容易引起爆燃。爆燃瞬間，整個燃燒器內溫度迅速上升，整個燃燒器內的可燃氣體被瞬間點燃，產生大量高溫煙氣，進而燃燒室內壓力驟升，如圖5及圖7(b)所示。之后大量煙氣向后從尾管急速噴出，造成燃燒室內壓力迅速下降，低于外界大氣壓，一些煙氣發生回流，且有部分外界冷空氣進入燃燒器，出現如圖7(c)所示的現象。

從圖5的圧力變化曲線中可以看出，本模擬中，點火過程脈動燃燒器發生了兩次爆燃現象，由于每次爆燃時燃燒的燃氣量不同，燃燒放出的熱量不同，進而燃燒室內氣體的最大溫升和最高壓力也不同。其中，由于第一次爆燃是混合最不均勻的，其爆燃程度相較與后續的爆燃會更加劇烈。同時，需要指出的是，在前期實驗過程中發現，發生爆燃的次數并不確定，主要受混合程度的影響。

圖7 爆燃過程燃燒器溫度分布

3.2.2 燃燒器點火過程速度場的變化情況

燃燒器點火過程中，整個燃燒器內的速度場分布對燃燒室內的燃氣和空氣混合程度有較大的影響。同時，尾管的煙氣回流現象也對燃燒器的成功點火有重要作用。從圖8可以看出，在兩次爆燃過程中。煙氣的回流量和回流深度都很大。

整個燃燒器速度的發展規律和壓力基本類似，大致也可以分為3個區，爆燃區，過渡區和穩燃區。爆燃過程燃燒室內的氣體流速可以高達數百米每秒，實現穩定脈動燃燒后，氣體流速為數十米每秒。尾管由于管徑較小，氣體流速要比燃燒室內高很多。總的來說，燃燒器內煙氣的速度變化與燃燒器內的壓力變化有很大的關系，壓力絕對值大小影響煙氣的流速大小，壓力的正負影響煙氣的流動方向。壓力振蕩較大時，速度的振蕩也較大。燃燒室壓力由于爆燃急劇升高時，大部分煙氣向尾管方向流動；直至由于大量氣體排出，燃燒室壓力不斷降低低于大氣壓時，尾管煙氣開始發生回流，重新進入燃燒室。同時，對于整個脈動燃燒器，各個部位的速度變化規律基本相同。

圖8 點火過程燃燒器內速度變化

脈動燃燒器內速度的變化和壓力一樣對脈動燃燒器的成功點火和火焰穩定性具有很大的影響。回流煙氣能加快新進燃氣和空氣的混合，并強化兩者間的換熱，縮短燃燒器時間。Valiev[10]等曾用一維和二維的模擬的方法研究了脈動火焰的穩定性，得出結論：脈動燃燒器內的火焰不穩定性隨著入口流速和壓力振幅的增加而增加。本文的模擬結果也表明，煙氣回流量越大，越容易點火成功和后續新鮮燃氣進入實現穩定脈動燃燒。

4 結論

本文利用FLUENT15.0軟件，在無特殊周期性邊界條件的影響下，采用標準的k-epsilon模型成功模擬了Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器的燃燒過程。得到了以下結論：

(1)數值模擬結果與前期實驗結果基本吻合。說明了標準的k-epsilon模型對于模擬脈動燃燒的可靠性。

(2)燃燒室前期爆燃積攢的能量及高溫煙氣的回流是影響Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器的成功點火和穩定燃燒的重要因素。