聲場頻率與振幅對火焰NOx 生成特性的影響

沈忠良，鄧 凱，王明曉，鐘英杰

（浙江工業大學 能源與動力工程研究所 脈動技術工程研究中心，浙江 杭州310014）

聲作用下的燃燒過程NOx生成與火焰參數、流場參數、聲參數之間存在著重要的關系，是污染物生成機理及污染物控制等方面的重要內容［1］.國內外學者對聲作用下火焰NOx生成的特性進行研究［2-8］，并提出了一些有重要意義的結論和觀點.

Chao等［9］通過LDV、OH-PLIF、火焰圖像直拍等技術對聲場頻率0～110 Hz、聲場振幅0、80dB作用下的氫氣層流擴散火焰NOx生成特性和火焰長度、射流速度、伴流空氣流速（coaxial flow）等之間的關系進行研究.結果獲得了聲作用下伴流空氣流速、流體Re數、Da 數、全局應變率、頻率等參數與NOx生成之間的關系.Zilwa等［3］獲得了由于燃燒振蕩而引起的當量比（空氣系數）變化對燃燒過程NOx生成所產生的影響規律.Tashtoush等［10］發現聲作用有效地降低了預混火焰NOx生成（降低至61.5%），且這樣的降低效果依賴于聲場頻率和聲的影響形式.Hassan等［11］關注了聲場頻率對不同氨含量預混火焰NOx生成的影響，結果發現，隨著氨含量的增加，部分預混火焰NOx生成變化不大，都符合周期性變化的規律，認為復燃（Reburn）等情況的發生是導致NOx變化的主要原因.Bagheri等［12］研究了135至555Hz貧燃預混火焰，給出了不同頻率下火焰形態的變化，使得聲場頻率變化對火焰NOx影響的研究可以在火焰形態上獲得解釋.Jeongseog等［13］給出了聲作用下的擴散火焰NOx生成隨聲場頻率（150～1 000Hz）的變化關系，指出隨著聲場頻率的變大火焰NOx生成有所增加，但增加程度有限.

上述研究都致力于對特定聲環境下火焰NOx生成與火焰參數、流場參數之間關系的研究，并沒有給出火焰NOx生成與聲參數之間的確切關系.近年來，國內外學者給出了頻率與預混火焰、頻率與擴散火焰NOx生成之間的關系［14］，而對聲作用下的部分預混火焰NOx生成的研究較少，特別是聲場頻率、振幅與部分預混火焰NOx生成之間的定量關系.因此，現有研究不能具體、全面給出聲參數對于火焰NOx生成的影響及其作用機制.

本文實驗研究了頻率為0～180Hz、振幅為0～1 000Pa的聲場對部分預混火焰NOx生成的影響，給出了聲場頻率與火焰NOx生成之間的關系，并分析了頻率與燃燒過程中EINOx存在的特定規律；探討了聲場振幅對火焰NOx生成的影響，并對振幅變化引起的火焰NOx生成變化進行了解釋，同時從火焰形態的角度分析了原因.

1 實驗系統

1.1 實驗裝置

本文搭建聲作用下火焰NOx與動力學測試系統，該實驗系統采用揚聲器激勵產生聲的方法，為火焰創造頻率f、振幅A 可調的聲環境.

實驗系統如圖1所示，實驗管段直徑150mm，全長1 600mm，管內布置本生型燃燒器，燃燒器管徑為18mm，燃料與一次空氣由燃燒器內進入燃燒區域，二次風（coaxial air）通過外管區域進入，二次風入口設置于實驗管段下部.實驗系統采用上端開口、下端封閉的設計，揚聲器布置于系統底部，可產生穩定可調的聲環境.本實驗燃料為甲烷，通過質量流量控制器控制燃料、一次風和二次風的流量.為了保證燃料與一次風充分均勻混合，實驗裝置在燃燒器中加入了多孔材料，增強混合效果，在二次風通道中也設置了金屬多孔介質材料.

實驗采 用 固 維AFG-2225 信 號 發 生 器、6.5 英寸JBL-A0208A 型揚聲器搭配Accuphase PRO-3型功率放大器，管內聲參數范圍為頻率0～180Hz、振幅0～1 000Pa.壓阻傳感器采樣壓力信號，壓力傳感器的測壓位置設置于火焰根部以上（如圖1所示），實驗過程中對壓力信號采用實時監測，采用S型細絲雙熱電偶測溫，數據采集采用NI-DAQ 數據采集儀.NOx數據采用瑞士ECO Physics CLD60電化學NOx分析儀，煙氣數據采用奧地利MADUR PHOTON 紅外煙氣分析儀；煙氣采集裝置參考了Costa，M 團隊［15］的工作，并進行了適應性改造，數據采集過程均通過三維電動坐標架進行定位，定位精度為0.1mm；實驗中，火焰圖像采用Microview MVC1000DAF-GE1000 高 速 相 機 和Canon EOS 550D 進行記錄，高速攝像采樣頻率100Hz.

圖1 聲場作用下火焰特性實驗系統Fig.1 Experimental system of flame under acoustic excitation

1.2 誤差分析

本實驗主要考慮系統誤差中的測量誤差和傳遞誤差，測量誤差考慮測量儀器的精度誤差.如表1所示給出了組分濃度分析儀的測量精度，其中rel表示實際測量的數據.

表1 組分濃度分析儀的測量精度Tab.1 Measurement precision of component concentration analyzer

本文采用NOx生成因子（EINOx）以計量NOx生成情況，EINOx被定義為每單位質量燃料所產生的NOx生成量，單位g／kg.若燃料中所有的碳均轉化為CO2和CO，其定義其定義式為

式中：xi為摩爾分數，m 為燃料中碳原子的物質量，MWi為摩爾質量.

根據誤差傳遞公式，EINOx的算術平均誤差為

由實驗數據計算所獲得的EINOx的誤差為0.001～0.005g／kg，小于實驗所測得該物理量的1%，認為實驗數據是準確的.

1.3 實驗系統聲學特性

本實驗系統采用揚聲器底部設置的形式，目的是為了獲得較為穩定的正弦波信號，且實現振幅與頻率的可調節.

如圖2所示給出了f＝150 Hz、pA＝570Pa聲環境下的壓力信號測試值，圖中顯示試驗系統能獲得較為穩定的正弦波信號，且該正弦波信號無明顯信號噪聲，可以驗證該聲環境發生裝置的可靠性.

如圖3 所示給出了在不同火焰下的聲特性曲線.由圖可知，1）實驗系統采用一端開口一端封閉形式的駐波管，存在一定的固有振動頻率，當揚聲器產生的聲場頻率與該固有頻率一致時，管內氣流產生共振，形成壓力幅值較大的工況點.該揚聲器產生聲場與該實驗裝置的共振點分布在155和260 Hz左右.2）由于火焰的存在，使得揚聲器產生的聲場振幅略有變化；使得裝置與聲的共振頻率點略有后移.3）在不同一次空氣系數α 的火焰下，聲場參數基本不變，且在實驗過程中同步測量NOx排放與聲場參數，因此，火焰對聲場特性的影響可以忽略.

1.4 火焰長度驗證

圖2 壓力信號數據Fig.2 Pressure signal

圖3 不同火焰下的聲特性Fig.3 Acoustic characteristics of different flames

火焰長度是燃燒研究中的重要參數，其測量方法主要包括火焰直拍圖像處理、火焰紅外圖像測量、火 焰 區 域 熱 電 偶 測 定、OH-PLIF 等4 種 方 法［16-19］.本文結合直拍圖像處理和火焰高溫區域熱電偶測定2種方法來獲取火焰長度，直拍圖像采用高速攝像記錄，通過選定閾值可獲取火焰輪廓線與火焰長度，本實驗中直拍圖像的一次采樣數量為200張，在所處理的火焰長度數值中，剔除有明顯突變數據的基礎上，對數據進行平均，以選取較為準確的數值.

本文通過細絲熱電偶測溫的方式，進一步確定火焰區域所在位置，通過架設熱電偶的三維坐標臺架的準確定位，獲取火焰長度值，選取溫度650K 為火焰高溫區域［20-21］所在位置以驗證直拍圖像處理所獲取火焰長度的準確性.為此，設計了用于火焰高溫區域探測的細絲熱電偶專用水冷套管，如圖4所示，以保護補償導線等附加電路.管內設置0.3μm 的S型細絲熱電偶，銜接0.2mm 補償導線，輔以不銹鋼屏蔽外套，保證熱電偶測量數據的可信.

圖4 熱電偶水冷套管Fig.4 Thermocouple water-cooling tube

如圖5給出了甲烷體積流量為1 500nml／min，不同一次空氣系數α的部分預混火焰直拍圖像處理與熱電偶掃描測溫所獲得的火焰長度Lf的對比值.由圖可知，在4種不同工況下，測溫所獲得的火焰長度與圖像處理所獲得的火焰長度誤差在3%以內，由此認為本文所獲得的火焰長度數值是準確的.

圖5 圖像與熱電偶掃描測溫獲得火焰長度對比圖Fig.5 Flame length contrast figure based on tem perature and flam in age

1.5 實驗工況

本文主要關注聲作用下部分預混火焰的NOx生成特性，考慮到實驗過程中火焰的穩定性，選取一次空氣系數為0.5和0.33、甲烷體積流量為1 000和1 500ml／min的部分預混火焰進行研究.

如表2所示給出了本文的實驗工況，研究的聲場頻率f 為0至180Hz，聲場振幅pA為0至1 000 Pa.在實驗過程中，氣體流量通過北京圣業SY-93質量流量計進行精確控制，精度為實驗所取流量的0.1%.同時，實驗過程中NOx測量數據進行平均處理的時間周期為2s.

表2 實驗工況表Tab.2 Experiment conditions

2 結果與討論

本文對聲作用下的甲烷／空氣部分預混火焰進行研究，分析了0～180 Hz、0～1 000Pa的聲作用對火焰NOx生成特性的影響，進一步探討聲場振幅、頻率與火焰NOx生成之間的關系.

2.1 聲場振幅對火焰EINOx 的影響

如圖6所示給出了火焰EINOx與頻率、振幅之間的關系，1）在0～180 Hz、0～1 000Pa的聲作用下，火焰NOx生成量明顯小于穩態火焰（即頻率f＝0Hz）時的生成量.其原因在于，聲作用使得火焰周邊空氣與火焰區域的傳熱傳質加快，促使空氣進入火焰，一方面強化了燃料與氣體的摻混，提高了燃燒速率的同時降低了火焰溫度，另一方面使得火焰高溫區域減小，在反應過程中的燃氣在高溫區域停留時間減小，從時間角度降低了NOx的生成.

2）在f＝0～180 Hz內，火焰EINOx在不同頻率的聲影響下，隨著振幅的變化規律是一致的.在頻率不變時，隨著聲場振幅的增加，火焰EINOx生成降低，振幅每增加100Pa，EINOx減小幅度為15%～30%.不同頻率聲作用于火焰，EINOx與聲場振幅之間存在線性關系，且滿足

式中：∝表征正比關系，k、b為常數.

圖6 部分預混火焰NOx 生成規律Fig.6 NOxemission characteristics of partially flame

火焰長度與火焰NOx生成之間存在著密切聯系，如圖7所示給出了火焰長度隨振幅變化的關系，從圖中可以看出，1）火焰在聲的作用下長度小于穩態火焰長度.這說明聲作用導致的摻混效果增強使得火焰高溫區域（火焰長度）減小，即NOx生成區域減小，從空間區域的角度降低了NOx的生成.

2）從火焰長度來看，在相同頻率下，隨著振幅的增加，火焰長度逐漸減小，振幅與火焰長度之間存在線性關系，且這一線性關系與EINOx∝pA是一致的.這說明，火焰長度的變化表征了火焰高溫區域的變化情況，導致了EINOx生成的變化，在部分預混火焰中，火焰長度越大，EINOx也越大.

2.2 聲場頻率對火焰NOx 生成的影響

如圖8 所示給出了不同振幅聲場下的頻率與EINOx之間的關系，火焰EINOx與頻率存在線性變化關系，且該關系滿足：EINOx∝kf＋b，k∈［0.01，0.03］，b∈［0.4，0.5］.

火焰EINOx與頻率之間存在正相關的原因在于，頻率越低，在同樣聲場振幅作用下，火焰長度越小，如圖7所示，在f＝30 Hz的聲作用下，火焰長度是最小的，這說明低頻的聲作用更有效地降低了火焰長度，使得火焰NOx生成的時間（高溫區域停留時間）和空間（高溫區域）上都受到了限制.

圖7 聲場振幅變化與火焰長度之間關系Fig.7 Relationship between flame length and acoustic amplitude

在低頻聲作用于火焰的過程中，火焰出現了局部熄火的現象.如圖9所示給出了火焰在相近振幅（345±10Pa）的情況下，f＝80～280 Hz的火焰直拍圖像.從直拍圖像中可以看出，在相同振幅下，隨著聲場頻率的增加，聲對火焰流場的影響逐漸減弱，火焰在f＝80Hz工況下明顯發生了較大程度的褶皺，該褶皺程度明顯強于f＝120、150Hz.

當f＝80 Hz時火焰區域明暗差別強于f＝120、150Hz工況，這說明火焰局部溫度存在較大差異，可以認為火焰局部發生了熄火現象［22-23］，這是使得NOx生成降低的一個重要原因［24-25］.

圖8 不同聲場振幅下頻率域NOx 生成特性Fig.8 NOx emission characteristics under different acoustic amplitudes

圖9 345±10Pa下不同頻率的火焰直拍照片Fig.9 Flame direct images of flame under different frequencies（345±10Pa）

同時，如圖10所示給出了不同頻率下火焰的溫度T 分布，溫度采樣點設置于燃燒器出口上方60 mm，橫坐標為水平位置，0 mm 表示燃燒器出口中心，正負表示燃燒器的左右兩側.可以發現，穩態（f＝0Hz）下火焰鋒面的最高溫度明顯高于聲作用下的火焰，進一步從溫度的角度解釋了聲作用降低NOx生成的原理；f＝80 Hz聲場作用下的火焰鋒面溫度、平均溫度明顯均低于f＝150 Hz聲場作用下的火焰，這與前述EINOx的變化規律是一致的，溫度的降低，使得f＝80 Hz聲作用下火焰EINOx低于f＝150Hz聲作用下火焰；在f＝80 Hz聲作用下火焰在0 mm 處的溫度明顯高于穩態（f＝0 Hz）和f＝150 Hz聲作用下火焰，其原因在于火焰長度明顯降低，溫度測溫點已經接近f＝80 Hz聲作用下火焰的鋒面（輪廓線）區域，其溫度明顯高于火焰內部溫度.

圖10 不同頻率下火焰溫度分布Fig.10 Flame temperature distribution under different frequency

3 結 論

本文通過對頻率f＝0～180Hz、振幅pA＝0～1 000Pa的聲場作用影響部分預混火焰NOx生成特性的實驗，獲得了聲場頻率、振幅與部分預混火焰EINOx的定量關系，通過火焰長度和火焰形態的分析探討了火焰EINOx隨頻率和振幅變化的原因，提出了以下結論：

（1）聲作用下的部分預混火焰EINOx明顯小于穩態（f＝0 Hz）部分預混火焰，其原因在于聲的作用強化了火焰與周圍氣體的摻混，使得火焰在高溫區域停留時間和高溫區域幾何尺寸都減小，在時間和空間上同時限制了NOx生成；

（2）在頻率f＝0～180Hz、振幅pA＝0～1 000 Pa的聲作用下，相同頻率聲場作用下的部分預混火焰EINOx隨振幅的增加而減小，且滿足EINOx∝kpA＋b，k∈［-0.009，-0.003］，b∈［1，5］.原因在于振幅的增加使得火焰摻混效果明顯增強，火焰長度急劇減小，高溫區域減小，在時間和空間上進一步減小了NOx的生成.

3）在頻率f＝0～180 Hz、振幅pA＝0～1 000 Pa的聲作用下，相同振幅聲場作用下的部分預混火焰EINOx隨頻率的增加而增加，且滿足關系式EINOx∝kf＋b，k∈［0.01，0.03］，b∈［0.4，0.5］.原因在于頻率越大，聲對火焰的影響效果越小，火焰長度越長；頻率越小，聲的作用促使火焰產生更多褶皺，出現局部熄火，降低了NOx的生成.

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