预混燃烧过程热声不稳定性研究

河北工业大学硕士学位论文预混燃烧过程热声不稳定性研究姓名：谷岩申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：刘联胜20081201河北工业大学硕士学位论文预混燃烧过程热声不稳定性研究摘 要贫燃预混燃烧、空气分级燃烧等低NOx的燃烧技术可以有效的减少燃烧过程中的NOx 排放，但因其燃烧过程都是在偏离化学恰当比情况下进行，将导致火焰热声不稳定。

本文针对预混燃烧过程中火焰的热声稳定性进行了实验研究。

本文首先测定了液化石油气预混燃烧的贫燃熄火极限和贫氧熄火极限，并利用高速摄像仪对火焰结构进行测量、分析，发现随着当量比的增大涡脱落的频率逐渐减小。

其次，利用fluent软件对预混室内相同当量比、不同进气方式下的冷态流场进行了数值模拟，发现进气方式在一定程度上可以抑制预混室内的压力脉动。

然后，本文使用噪声测试仪对预混室和燃烧室内的冷态、热态流场进行了声频分析，发现在贫氧和贫燃的情况下都有可能发生热声不稳定现象，在贫氧的情况下，随着当量比的升高，压力振荡逐渐转入低频振荡，而振幅有显著增强；在贫燃的情况下，随着当量比的降低，压力振荡趋于强烈，而振幅也有显著增大。

通过调制预混室内的流场结构，可以控制火焰内部及火焰表面的涡团脱落过程，是拓宽熄火极限、抑制热声耦合振荡的有效途径。

本文的研究结果为预混燃烧过程热声耦合振荡控制策略的制定提供了实验基础数据。

关键词：预混燃烧，火焰，热声不稳定，声频，流场INVESTIGATIONS ON THE THERMO-ACOUSTICINSTABILITY OF PREMIXED FLAMEAbstractLow NOx combustion techniques such as lean premixed and air staged combustion can decrease the emission of NOx. Unfortunately, because the operating conditions deviates the chemical equivalent ratio, combustion instabilities appear. In this thesis, characteristics of thermo-acoustic instability of premixed flame were investigated experimentally.Firstly, the flame extinct limits of liquefied petroleum gas were measured. And then, the flame structures were analyzed using high speed camera. The photographs of flame reveal that the frequency of eddies shedding from the surface of flame decreases gradually with the increasing of equivalent ratio gets.Secondly, flow field was simulated using FLUENT at the conditions of same equivalent ratio and different air injecting flow-rate. The results show that pressure fluctuation in premixed chamber could be restrained through changing air injecting.Finally, the sound field of premixed chamber and combustion chamber were analyzed using Noise and Vibration Analyzer. The instability combustion appear both in lean oxygen and lean combustion. At the conditions of lean oxygen, with the augment of equivalent ratio, the frequency of pressure oscillations is lower gradually, and the amplitude significantly enhance. At the condition of lean combustion, with the decreasing of equivalent ratio, pressure oscillation will aggrandize, and the amplitude significantly enhanced. The process of eddy both inside and on the surface of the flame could be controlled by adjusting the flow field in premixed chamber, and which is regarded as an efficient path for extending the flame extinct limit and restraining thermal-acoustic combustion instabilityThe results of this thesis are regarded as an experimental basis for the strategy of controlling thermal-acoustic combustion instability in premixed combustion.Keyword: Premixed combustion, Flame, Thermal-acoustic combustion instability, Acoustical frequency, Flow filed符号说明φ——当量比 SPL ——声压级，dB。

actual V ——实际燃料的空/燃比stoch V ——理论燃料的空/燃比 N P ——空气在标准状态下的绝对压力Pa。

Pr ——参考声压，Pa。

C ——玻璃转子流量计换算系数ν——运动粘度，m 2/s 。

N ρ——空气在标准状态下的密度，kg/m 3。

Γ——粘性应力张量 SN ρ——液化石油气在标准状态下的密度，kg/m 3。

d ——管径，m 。

S P ——液化石油气在测量时的绝对压力，MPa。

υ——流速，m/s 。

S T ——液化石油气在测量时的绝对温度，K。

Re ——雷诺数。

N T ——空气在标准状态下的绝对温度，K。

Pe ——有效声压，Pa。

l J ——扩散通量R ——气体常数 p C ——比热容∇——散度原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。

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（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文第一章 绪论§1-1 引言本章首先介绍课题的背景和意义，阐述了常规燃烧方式的缺点和不足，在当今追求环保、可持续发展的社会环境下低NOx的燃烧技术可以有效的减少对环境的破坏，燃气轮机等动力装置的低NOx燃烧技术顺应了当今发展的趋势。

目前，燃气轮机等动力装置上的主要使用的低NOx燃烧技术为：贫燃预混燃烧技术、空气分级燃烧技术以及燃料分级燃烧技术等等，上述技术都是在偏离化学恰当比的情况下进行的，而偏离化学当量比的燃烧将会产生不稳定性。

本文主要对偏离化学当量比的条件下燃烧的稳定性进行详细研究，并从调整流场的角度来抑制部分燃烧不稳定的发生，取得了一定成果。

§1-2 研究背景及意义在第十届全国人民代表大会政府工作报告中，温家宝总理强调说：“我国经济社会发展中依然存在能源消耗高、环境污染严重”等问题，“要大力抓好节能降耗、保护环境；要加快节能环保技术进步”；而在第十一届人民代表大会政府工作报告中，温总理再次强调要“开发和推广节约、替代、循环利用资源和治理污染的先进适用技术”。

可见，提高常规能源的燃烧利用率、降低燃烧污染物排放量依然是当今我国亟待解决的关键问题之一，而先进燃烧技术的开发与研究是解决上述问题的唯一途径。

目前，燃气轮机、航空发动机、化工加热炉、工业锅炉、内燃机等动力设备普遍以液体燃油作为主要燃料，因此，开展液体燃料高效率、低排放燃烧技术的相关研究工作是十分必要的，也是相当迫切的。

预混燃烧方式广泛应用于航空发动机、地面燃气轮机和工业锅炉等场合。

预混燃烧过程不受组分扩散的制约，其燃烧效率比扩散火焰更高，有利于缩小燃烧器的体积；通过控制预混气中燃料的浓度能够有效的控制火焰温度，有利于调节燃烧器的热负荷，抑制NO x的生成；最后，其碳烟生成量小于扩散火焰，不易出现“冒烟”，燃烧更加清洁。

贫燃预混(Lean Premixed，简称LP)燃烧可以降低燃烧室的温度，将火焰温度控制在1650℃以下来降低NO x排放；空气分级燃烧通过降低主燃区含氧量来实现贫氧燃烧，也可以有效抑制温度型NOx的生成。

现代燃气轮机燃烧室越来越多地采用燃料—空气预混的燃烧方式。

为了保证燃料与空气之间能够达到较好的混合效果，需要向燃烧室内送入过量的空气，通常情况下，空气消耗系数控制在 1.2至2.0之间甚至更高。

尽管提高空气消耗系数、增大空气旋流强度等措施可以有效地强化混合与燃烧过程，提高燃烧效率，但是，两相燃烧的特点决定了在火焰内部会存在局部高温、局部富氧的区域，从而造成NO x和SO2生成量的显著提高[1]。