Helmholtz型无阀自激脉动燃烧器点火过程数值模拟研究

智同生，王 顺，郭 利

(1.南京工程学院，江苏 南京 211167； 2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

脉动燃烧是指在一定声学条件控制下周期性的燃烧过程，脉动燃烧技术的应用是通过脉动燃烧器来实现的。相比于常规的稳态燃烧技术，脉动燃烧具有众多优点：低过量空气系数下保持高燃烧效率，较高的燃烧强度和传热系数，污染物排放低(尤其是NOx的排放)[1-3]。主流的脉动燃烧器种类分为三种：Schimidt型脉动燃烧器，Helmholtz型脉动燃烧器和Rijike型脉动燃烧器，其中Helmholtz型脉动燃烧器是目前国内外应用最广泛的脉动燃烧器。目前已开展的关于Helmholtz脉动燃烧器的研究大多都是针对脉动燃烧的工程应用问题展开的[4]，其中潘四普[5]研究了脉动燃烧器燃烧室外温度场的温度变化规律，为优化加热器内部热源结构设计提供参考。陈辉[6]对脉动燃烧器混合室进气特性进行了数值模拟研究，得出混合室夹角对脉动发动机的燃烧稳定性、尾气排放有着重要的影响。Xu yanying[7]对带弯尾管的脉动燃烧器的换热特定进行了研究，发现脉动气流中产生的涡旋形状和涡旋核心位置脉动燃烧器的对流传热特性有较大影响。对于Helmholtz脉动燃烧器整个燃烧过程的建立，尤其是实现稳定点火的机理方面尚缺乏足够的认识。而研究脉动燃烧的着火特性对控制脉动燃烧器的稳定运行，扩展脉动燃烧器的运行范围都有着重要指导意义，因此有必要对Helmholtz脉动燃烧器的的点火过程进行更加深入的研究。

本文基于课题组之前对Helmholtz型无阀自激燃烧器点火过程的实验研究，利用数值模拟方法完善了对Helmholtz型无阀自激燃烧器点火过程的机理分析和探讨，分析了从点火开始到实现稳定脉动燃烧整个过程中燃烧器的温度，压力和气体流动特性。研究结果对于说明脉动燃烧器的点火机理，从而更好的实现脉动燃烧器的稳定点火和合理运行具有很好的指导意义。

1 实验设备及实验现象

1.1 实验设备及系统

本课题组前期对Helmholtz型无阀自激燃烧器点火过程进行了实验研究[8]，为说明本文模拟结果的可靠性，同时作为后续模拟结果的验证依据，首先简单介绍本课题组前期的实验系统和实验结果。实验系统如图1所示，实验实物图如图2所示。实验过程中，丙烷燃气和空气分别在气瓶压力和空气泵的作用下进入脉动燃烧器，在预混室部位充分混合，然后由电火花点燃，在特制的石英玻璃脉动燃烧器中实现稳定脉动燃烧。实验利用高速相机记录了整个点火过程的火焰状态，并利用热电偶和压力传感器等设备监测了部分点位的压力和温度变化情况。

图1 脉动燃烧器点火实验研究系统图1-电脑;2-虚拟示波器;3-压力传感器;4-点火电极;5-脉动燃烧器;6-热电偶;7-高速相机;8-丙烷气瓶;9-控制阀;10-质量流量计;11-脉冲点火控制器;12-质量流量计;13-控制阀;14-调节阀;15-空气旁路;16-空气过滤器;17-调节阀;18-鼓风机

图2 脉动燃烧器点火实验研究实物图

1.2 实验现象

实验过程中利用高速相机记录了整个脉动燃烧器成功点火过程的火焰状态，如图3所示，从图中可以看出，点火过程前期存在若干次点火爆燃，从燃烧器入口处点火，爆燃火焰向上传播，然后熄灭，经过若干次这样的过程，燃烧器上端(出口部位)突然形成火焰，并向下传播，最终不再熄灭，形成了稳定的脉动燃烧火焰。

由于整个实验所得数据有限，可监测参数变化有限，因而，本文进一步利用数值模拟的方法对脉动燃烧器的整个点火过程进行了研究。

图3 成功点火过程火焰状态

2 数值模拟

2.1 网格划分及模拟设置

物理模型的构建和网格划分是FLUENT进行数值模拟计算的第一步，本文分别利用CAD和Gambit软件对脉动燃烧器进行了物理模型构建和网格划分。在网格划分中，由于脉动燃烧器结构方正，采用了正方形网格，网格质量良好。经过网格无关性验证，最终选取网格数量为215 593。

同时，在模拟过程中选取了燃烧室入口，燃烧室中心，燃烧室出口，尾管中心四个典型位置作为压力和速度的监测分析位置，如图4所示，分别命名为监测点1，监测点2，监测点3和监测点4。

图4 脉动燃烧器网格划分

脉动燃烧器中的燃烧过程是具有多组分化学反应的湍流燃烧，模拟过程中采用标准k-epsilon湍流模型模拟湍流运输，使用组分输运方程(species transport)模拟燃烧过程，丙烷燃烧化学机理采用丙烷一步反应模型，利用SIMPLE算法对各方程进行求解。为模拟实验中的的电火花点火过程，在燃烧室入口的位置使用了Spark点火方式，从0 s开始，点火持续0.001 s，点火能量为1 J。

2.2 初始和边界条件

基于脉动燃烧器运行的理论依据和前期实验结果，对模拟中的初始和边界条件进行了如下设置：

燃气/空气入口条件：入口采用速度进口边界条件，给入的是丙烷和空气混合气，混合比例C3H8/O2为1∶5，进口流速为7 m/s。预混气体的初始温度为300 K壁面边界条件：根据之前实验所测得的燃烧器各处壁面温度，模拟过程将燃烧器壁面分为三部分，分别是燃烧器混合室壁面，燃烧室壁面和尾管壁面，均设置为恒温壁面，温度分别为400 K，1 000 K和600 K。

尾管出口条件：压力出口边界条件。

3 数值模拟结果分析

脉动燃烧器点火成功的标志是实现稳定持续的脉动燃烧，而燃烧器中压力出现稳定周期性变化是说明脉动燃烧成功建立的重要标志。因此，本文重点关注了点火过程中燃烧器中压力的变化情况，辅以燃烧器内温度场的云图分布情况来说明成功点火过程。同时为阐明脉动燃烧的点火机理，还进一步分析了烟气的回流情况和爆燃现象对点火的影响。

3.1 点火过程压力变化及温度场的分布情况

整个点火过程中脉动燃烧器中压力的变化情况如图5所示，从图中可以看出，脉动燃烧器点火过程基本可以分为三个阶段：第一阶段：多次爆燃过程，爆燃过程压力振幅极大，爆燃频率较小，称为爆燃区；第二阶段：由于存在点火延迟，爆燃之后有一个燃烧建立的过程，这个阶段压力幅度较小(大约持续0.05 s)，称为过渡区；第三阶段：实现稳定脉动燃烧，压力振幅平稳，振荡频率稳定，称为稳燃区。根据点火时燃烧器内初始条件的不同，点火过渡过程将向着不同的方向发展。如果初始条件在燃烧器着火范围内，点火过渡过程将发展为成功着火；如果初始条件不在燃烧器着火范围内，燃烧器将不会着火，而可能重复爆燃过程或者转变为无着火。这一结果和Dawson的研究结果基本吻合。Dawson[9]研究的是脉动燃烧器启动过程中的压力与热量释放，得出了脉动燃烧器的启动时间在100 ms以内，启动过程可以分点火阶段、脉动发展阶段、循环振荡阶段。在脉动发展阶段，由于强烈的非线性作用的影响，频率和相位都没有再现性。

图6是对应的点火成功后，稳定脉动燃烧一个周期中燃烧器中温度场的变化情况。从上到下依次为:(a)爆燃后烟气回流点燃燃烧室内新鲜燃料，燃烧室温度升高;(b)燃烧产生的高温烟气膨胀排出;(c)新鲜燃料进入，烟气由于惯性继续排出，温度下降;(d)烟气回流重新与新鲜燃料混合点燃，温度升高。整个过程对应图5中稳燃区内一个压力脉动周期。整个温度场的数值模拟结果也和实验结果(图3)基本吻合。

图5 点火过程的压力变化情况

图6 一个脉动周期内燃烧器温度分布

3.2 点火过程爆燃和烟气回流情况

3.2.1 点火过程爆燃现象

无论是实验结果，还是从图5的压力变化情况可以得出：脉动燃烧器前期点火过程存在着爆燃现象。爆燃是燃烧室内积存的可燃混合物瞬间同时燃烧，从而使燃烧室压力突然升高的一种现象。为了深入了解分析爆燃情况，进一步查看了图5中压力振幅最大区域的温度云图，如图7(a)所示。最初在燃烧室进口处赋予能量进行点火，由于前期燃烧室燃料和空气混合物在燃烧室内的分布还不够均匀，容易引起爆燃。爆燃瞬间，整个燃烧器内温度迅速上升，整个燃烧器内的可燃气体被瞬间点燃，产生大量高温烟气，进而燃烧室内压力骤升，如图5及图7(b)所示。之后大量烟气向后从尾管急速喷出，造成燃烧室内压力迅速下降，低于外界大气压，一些烟气发生回流，且有部分外界冷空气进入燃烧器，出现如图7(c)所示的现象。

从图5的圧力变化曲线中可以看出，本模拟中，点火过程脉动燃烧器发生了两次爆燃现象，由于每次爆燃时燃烧的燃气量不同，燃烧放出的热量不同，进而燃烧室内气体的最大温升和最高压力也不同。其中，由于第一次爆燃是混合最不均匀的，其爆燃程度相较与后续的爆燃会更加剧烈。同时，需要指出的是，在前期实验过程中发现，发生爆燃的次数并不确定，主要受混合程度的影响。

图7 爆燃过程燃烧器温度分布

3.2.2 燃烧器点火过程速度场的变化情况

燃烧器点火过程中，整个燃烧器内的速度场分布对燃烧室内的燃气和空气混合程度有较大的影响。同时，尾管的烟气回流现象也对燃烧器的成功点火有重要作用。从图8可以看出，在两次爆燃过程中。烟气的回流量和回流深度都很大。

整个燃烧器速度的发展规律和压力基本类似，大致也可以分为3个区，爆燃区，过渡区和稳燃区。爆燃过程燃烧室内的气体流速可以高达数百米每秒，实现稳定脉动燃烧后，气体流速为数十米每秒。尾管由于管径较小，气体流速要比燃烧室内高很多。总的来说，燃烧器内烟气的速度变化与燃烧器内的压力变化有很大的关系，压力绝对值大小影响烟气的流速大小，压力的正负影响烟气的流动方向。压力振荡较大时，速度的振荡也较大。燃烧室压力由于爆燃急剧升高时，大部分烟气向尾管方向流动；直至由于大量气体排出，燃烧室压力不断降低低于大气压时，尾管烟气开始发生回流，重新进入燃烧室。同时，对于整个脉动燃烧器，各个部位的速度变化规律基本相同。

图8 点火过程燃烧器内速度变化

脉动燃烧器内速度的变化和压力一样对脉动燃烧器的成功点火和火焰稳定性具有很大的影响。回流烟气能加快新进燃气和空气的混合，并强化两者间的换热，缩短燃烧器时间。Valiev[10]等曾用一维和二维的模拟的方法研究了脉动火焰的稳定性，得出结论：脉动燃烧器内的火焰不稳定性随着入口流速和压力振幅的增加而增加。本文的模拟结果也表明，烟气回流量越大，越容易点火成功和后续新鲜燃气进入实现稳定脉动燃烧。

4 结论

本文利用FLUENT15.0软件，在无特殊周期性边界条件的影响下，采用标准的k-epsilon模型成功模拟了Helmholtz型无阀自激脉动燃烧器的燃烧过程。得到了以下结论：

(1)数值模拟结果与前期实验结果基本吻合。说明了标准的k-epsilon模型对于模拟脉动燃烧的可靠性。

(2)燃烧室前期爆燃积攒的能量及高温烟气的回流是影响Helmholtz型无阀自激脉动燃烧器的成功点火和稳定燃烧的重要因素。