[原创]贫油预混燃烧火焰不稳定性机理的研究综述

ycchen100

[watermark]1.引言：
近年来，随着环保观念的普及，世界各国均订定了严格的大气污染物排放标准。因此，在设计与开发新一代燃气轮机时，各主要制造商大都采用贫油预混合燃烧技术，以取代传统的扩散火焰模式搭配燃烧室注水（或蒸汽）法[1-3]。而稀燃技术主要的特点，便在于燃烧室内燃气当量比的总体平均值，是控制在非常稀薄的条件下，以期能最大程度地降低氮氧化物的排放。另一方面，燃气轮机结合余热锅炉所组成的燃气蒸汽联合循环装置，可以显着提高热效率，热耗相对减少，做为电站发电设备，则具有相当好的经济效益，符合高效、节能的目标。此外，这项技术在实际应用上，除了适合气态燃料，也可以选择直接注油入预混预蒸发燃烧室，或甚至结合粉煤气化技术，形成一个整体煤气化联合循环发电系统，在我国电力可持续发展的前题下，有相当好的市场前景[4]。

虽然以稀燃技术为基础的燃气轮机发电机组有上述这些优点，但是在实际操作上，为了维持燃烧室内的稀薄燃烧能一直处于稳定状态，就必须要克服可能发生的火焰吹熄〔blow-out〕与振荡燃烧这两大挑战。发生火焰吹熄的主要原因在于，燃烧室内的燃气当量比被控制在非常接近于贫油可燃极限，以求尽量降低火焰的峰值温度。在这种工作条件下，火焰本身的传播速度很低，必须要藉助特别的方法，才能在相对高速的流场中维持稳定的燃烧，以及燃气轮机的正常运转。这种火焰不稳定性因为发生的时间极短，瞬间便能造成火焰的完全熄灭，亦可称为静态不稳定〔static instability〕,而和振荡燃烧所产生的动态不稳定〔dynamic instability〕,相互区别。燃气轮机燃烧室内的振荡燃烧，主要是受到燃烧的热释放率和压力扰动波的来回传递形成共振而产生。预混火焰的热释放是集中在火焰前沿，即使在湍流的作用下，仍然会集中在火焰刷所在的位置。当燃烧室内微小的压力扰动波经过火焰刷所在的位置时，一部份的热能可以被转换为放大压力扰动的动能，如果这些能量无法经由其它的方式耗散掉，便会累积在压力扰动波内而迅速形成驻波，进而与热释放率产生共振。这种自激发的压力波振荡，不仅干扰正常的燃烧过程，使得氮氧化物的排放达不到最初设计的标准，严重时更会损坏燃烧室的构件，减低燃气轮机的整体寿命。

我国现有的企业，虽具备了制造重型燃气轮机的工艺技术，但在自主开发上，仍面临相当多的核心技术瓶颈[5]。对于干式低氮氧化物燃烧室的设计研制而言，其关键技术便是在能否充分掌握火焰不稳定性发生的机理，并对此提出有效的解决之道。因此，本文的主要目地即是将国内外对贫油预混火焰稳定机理的研究现状，作一清楚的回顾，并指出未来可能的发展方向与趋势。
1.Vandervort, C. L., 9 ppm NOx/CO Combustion System for ”F” Class Industrial Gas Turbines, J. Eng. Gas Turbines Power, 2001, 123: 317-321.
2.岳建华，王凯，萨仁高娃，降低燃气电厂NOx排放量的方法比较，内蒙古电力技术，2005，23(1): 5-8.
3.Döbbeling, K., Hellat, J., and Koch, H., 25 Years of BBC/ABB/Alstom Lean Premix Combustion Technologies, J. Eng. Gas Turbines Power, 2007, 129(1): 2-12.
4.朱宝田，透平技术与我国电力的可持续发展，热力透平，2002(4): 14-20.
5.沈邱农，重型燃气轮机产业的发展与自主化，发电设备，2007(2): 93-97.

2.火焰静态不稳定的机理研究现状：
3.火焰动态不稳定的机理研究现状：
4.关于火焰稳定未来研究的方向与发展趋势:
5.结论：[/watermark]

ycchen100

2.静态火焰不稳定的机理：
静态不稳定所直接导致的火焰熄灭，可视为火焰无法在固定的空间位置上持续存在，以提供稳定的燃烧热释放。发生此现象的原因，主要在于火焰燃烧速率达不到燃气供给速率，或是火焰温度过低，无法提供足够的热量以维持燃气的持续引燃。前者是指火焰燃烧速度和流场速度之间的失衡，而后者则完全受制于热化学的特性。对大型燃气轮机内部的湍流预混火焰而言，绝大多数的静态熄火现象可归咎于速度失衡；而与之相反，火焰温度过低所导致的熄火，则较易发生在微型透平机内。此外，此熄火现象可能只发生在燃烧室内的局部某个区域，但大多数是全面性的，而局部熄火并不一定就会演变成全面熄火。局部熄火的发生，主要是因为受到流场强大的湍流扰动影响，使得局部火焰面所承受的火焰拉伸率〔flame stretch rate〕超过其最大极限，因而无法持续燃烧。全面熄火，则是因为流场的平均速度超过火焰的湍流燃烧速度，导致火焰被瞬间吹熄。

基于以上的论述可知，要维持湍流预混火焰的静态稳定燃烧，其关键就必须避免流速与燃速之间的失衡。因此，在实际应用上，可以从两个方向着手：1）提高湍流燃烧速度；2）降低流场的平均速度。提高湍流燃烧速度最有效的方法便是使用湍流产生器，提高湍流强度。然而，高湍流强度极易造成火焰的局部熄火，进而导致全面熄火，所以必须搭配值班火焰〔pilot flame〕的使用，将局部熄火的效应降至最低，一般适用于燃气轮机和锅炉中。另一方面，降低流场平均速度虽然可以透过减少燃气供给率达到，但同时却也会降低燃气轮机的出力，并不可取。目前常见的方法，是在燃烧室中安装钝体助焰器[6]，以局部降低流场的平均速度，使得在此低速区内，流速与燃速能达到平衡, 以维持稳定燃烧。这在高速反应流场中特别适合，如冲压发动机和涡轮喷气发动机内的後燃器。

除了上述的两种方法之外，旋流〔swirling flow〕因为其气动力学上的特性，也常常被利用来稳定湍流火焰[7]。在中心喷流环绕旋流的情况下，当旋流场的强度超过一定的上限后，便会发生涡破裂〔vortex breakdown〕的现象，而在中轴线下游不远处产生成一个回流区，如图一所示。这个回流区可以达到和钝体助焰器下游的回流区相类似的作用，以稳定火焰。然而近年来发现，低强度旋流无需藉助回流区，只要适度的提高湍流燃烧速度，也可以达到稳定湍流预混火焰的目的[8]；并且在相同燃气供给率的条件下，低强度旋流比高强度旋流可以稳定当量比更接近贫油可燃极限的湍流预混火焰[9]。图二显示在不同燃气当量比的条件下，低强度旋流的静态火焰稳定极限。只要实际流场的旋流强度比火焰稳定极限的旋流强度高，即使没有涡破裂而导致回流区的生成，湍流预混火焰依然能稳定地持续燃烧。值得注意的是，图二显示的火焰稳定极限和燃气供给率并没有直接的关系，也就是说在流场的平均速度以及湍流强度被提高后，并没有造成局部熄火的现象，而无需额外的值班火焰。这个现象的机理值得进一步的研究。

最后，影响预混火焰静态稳定的因素可以归纳为下列几点：
1）热化学的特性：可燃极限等。
2）环境固体表面：驻焰器的使用，喷嘴的设计等。
3）热损失：值班火焰的使用等。
4）流场结构：旋流的使用、湍流强度等。

ycchen100

3.火焰动态不稳定的机理：
燃气轮机贫油预混燃烧动态不稳定的现象主要是指发生在燃烧室内的振荡燃烧；其原因可以解释为压力波,p,与热释放率,q,之间强烈的自激发性耦合作用，严重时甚至可能导致全面熄火。振荡燃烧发生的充要条件可以用以下的数学方程式表示：

其意义为在体积V的燃烧室内，压力扰动与热释放率扰动的乘积在振荡周期,τ,内的体积积分，如果大于声能能量损耗,Ф,的体积积分，振荡燃烧即会发生。这里声能能量的损耗主要是指在燃烧室内被减震装置所吸收掉的，以及经由出入口传出燃烧室外的声能[14]。由以上方程序可知，当压力波与热释放率形成共振后，两者扰动的乘积就会异常放大，因而增加振荡燃烧发生的可能。而振荡的频率则主要取决于燃烧室的尺寸以及振荡源的特征频率。图三是一个由旋流稳定的贫油丙烷/空气预混火焰在常压下呈现动态不稳定的情况[15]。特别值得注意的是，虽然燃烧室内的压力扰动与热释放率扰动（由OH激光诱导荧光影像平均像素强度扰动表示）基本上已经形成共振，两者却并不完全同步，实际上最大压力所发生的时间要比最大热释放率的时间稍微延迟一些。相同的现象在高压燃烧的条件下也观测得到[16]。这显示当压力增加时，能量是由火焰传给压力波；而当压力减少时，能量是由压力波传给火焰。这个能量的转换并不是瞬间发生的。

因为动态不稳定的特性，燃烧室内任何压力或热释放率的扰动都有可能会被放大，而一但达到了振荡燃烧发生的充要条件时，便会自动形成一个反复调节的回馈环路，导致振荡燃烧。对湍流燃烧而言，无序的随机扰动是其特性之一；除此之外，一些本身就具有振荡特性或特征频率的有序扰动和内在不稳定，更是可能触发压力或热释放率扰动的主要原因。这其中包括1）直接引起压力振荡的Helmholtz共振[17]、燃气进气总量的瞬时振荡[18]、以及燃烧室出口的熵波[19]；2）间接引起压力扰动的，流场中的拟序涡流结构〔coherent vortical structures〕[20]，例如驻焰器或旋流下游的涡脱落〔vortex shedding〕现象[21,22]、高速喷流导致的Kelvin- Helmholtz不稳定性[23]；以及3）引起热释放率扰动的，进气口燃气当量比分布不均匀[24]或瞬时振荡[25,26]、贫油预混火焰自身的燃烧不稳定[27]。上述的许多原因其物理机制都不尽相同，由此可知，振荡燃烧是一个非常复杂的现象，其发生的实际原因甚至有可能是多重的。这使得燃气轮机在燃烧室的设计与开发上，难度相当高，而其关键技术便是要了解各种可能引起扰动的原因，并充分掌握其发生的条件。

动态燃烧不稳定是一个持续发生的现象，一但发生后，要确实厘清其真正的原因再作修正，变得十分困难。所以在实际的情况下，要打破它的循环或抑制其发生，就必须针对振荡燃烧发生的充要条件，从以下两个方向着手：1）主动控制〔active control〕:避免巨大扰动的发生，降低压力扰动与热释放率扰动乘积在振荡周期内的体积积分；2）被动控制〔passive control〕: 提高燃烧室声能能量的损耗，以有效地减弱已经产生的扰动。根据实验数据或模拟计算的结果，前者是发展一套系统的方法，得出火焰传递函数〔flame transfer function〕，再利用二次燃气注入或加额外的声源，以破坏共振；后者则透过修正燃烧室或进气口的几何构造与位置，达到实际能降低燃烧振荡的效果，操作虽然相对简单，但却只能适用于特定的燃气轮机型号。

14.Nicoud, F. and Poinsot, T., Thermoacoustic instabilities: Should the Rayleigh Criterion be Extended to Include Entropy Changes? Combustion and Flame, 2005, 142(1-2): 153–159.
15.Yi, T. and Gutmark, E. J., Combustion Instabilities and Control of a Multiswirl Atmospheric Combustor, J. Eng. Gas Turbines Power, 2007, 129(1): 31-37.
16.Broda, J. C., Seo, S., Santoro, R. J., Shirhattikar G., and Yang, V., An Experimental Study of Combustion Dynamics of a Premixed Swirl Injector, Proceedings of the Combustion Institute, 1998, 27: 1849-1856.
17.Schildmacher, K.-U., Koch, R., and Bauer, H.-J., Experimental Characterization of Premixed Flame Instabilities of a Model Gas Turbine Burner, Flow, Turbulence and Combustion, 2006 76: 177–197.
18.Polifke, W., Fischer, A., Sattelmayer, T., Instability of a Premix Burner with Nonmonotonic Pressure Drop Characteristic, J. Eng. Gas Turbines Power, 2003, 125(1): 20-27.
19.Eckstein, J., Freitag, E., Hirsch, C., and Sattelmayer, T., Experimental Study on the Role of Entropy Waves in Low-Frequency Oscillations in a RQL Combustor, J. Eng. Gas Turbines Power, 2006, 128(2): 264-270.
20.Coats, C., Coherent Structures in Combustion. Prog. Energy Combust. Sci., 1997, 22: 427–509.
21.Zukoski, E. E. and Smith, D. A, Combustion Instability Sustained by Unsteady Vortex Combustion, AIAA-1985-1248.
22.Poinsot, T., Trouve, R. F., Veynante, D. P., Candel, S. M., and Esposito, E. J., Vortex Driven Acoustically Coupled Combustion Instabilities, J. Fluid Mech., 1987, 177: 262–292.
23.Lawn, C. J., Evesque,S. and Polifke,W., A Model For The Thermoacoustic Response of a premixed Swirl Burner, Part I, Acoustic Aspects, Combustion Science and Technology, 2004, 176(8): 1331-1358.
24.Shih, W. P., Lee, J. G., and Santavicca, D. A., Stability and Emissions Characteristics of a Lean Premixed Gas Turbine Combustor, Proceedings of the Combustion Institute, 1996, 26: 2771-2778.
25.Lieuwen, T. and Zinn, B. T., The Role of Equivalence Ratio Oscillations in Driving Combustion Instabilities in Low NOx Gas Turbines, Proceedings of the Combustion Institute, 1998, 27: 1809-1816.
26.Lieuwen, T., Torres, H., Johnson, C., and Zinn, B. T., A Mechanism of Combustion Instability in Lean Premixed Gas Turbine Combustors, J. Eng. Gas Turbines Power, 2001, 123(1): 182-189.
27.Clanet, C., Searby, G. and Clavin, P., Primary Acoustic Instability of Flames Propagating in Tubes: Cases of Spray and Premixed Gas Combustion, J. Fluid Mech., 1999, 385: 157–197.

ycchen100

4.关于火焰稳定未来的研究方向与发展趋势:
目前世界上只有少数的先进国家完全掌握了燃气轮机的设计与研发能力，而这些国家仍然在大力的推动其对燃气轮机的研究，并持续提升其制造技术。底下就我个人的观察，针对燃烧不稳定现象未来的研究方向与发展趋势，提出几点意见：
1）如何有效的提高湍流燃烧速度，而同时又避免局部熄火导致全面熄火的发生，是对阐明静态火焰不稳定性的机理与理论，非常重要的基础研究。
2）为维持预混火焰的静态稳燃，目前常用的方法是在燃烧室内安装钝体助焰器或旋流产生器。如何在设计上优化这类装置[31]，以达到高燃气供给率与低燃气当量比的要求，还有相当大的空间可以努力。
3）可燃极限虽是由热化学所决定，不可逾越的天然障碍，但是如何能够透过运用部份预混燃烧的特性，例如分层燃烧（stratified combustion）、分级燃烧（staged combustion）[32]、以及无焰燃烧（flameless or mild combustion）[33]等技术，以超越这个极限，尽可能降低氮氧化物的排放与提高燃烧效率。
4）如何相互搭配低强度旋流与高强度旋流的使用，以满足燃气轮机在不同出力的工况下，都能提供均匀的热效率与工作性能，是还有待研究的课题。
5）虽然已知有许多原因可以造成燃烧室内的振荡燃烧现象，然而如何能够在燃气轮机的设计与开发初期阶段，即能考虑到不同原因下振荡燃烧发生的工作条件而加以避免，却是自主研制的关键技术所在。
6）如何对燃烧动态不稳定进行有效的主动或被动控制，仍然是目前学术界与工业界努力解决的前沿问题。

5.结论：
本文阐明贫油预混燃烧应用于燃气轮机上的静态与动态不稳定现象，并就国内外对此现象的机理研究与未来发展趋势，做一介绍。在强调自主发展高出力的重型燃气轮机目标之下，政府、学术界与企业界应当紧密结合，在政府的主导下推动建立一个长期合作的网络体系，以发展达到国际水平的研发应用学术机构，和扶持拥有自主产权的透平机生产制造工业。
31.杜一庆, 钱壬章, 张孝春, 尚守堂, 游庆江, 开缝钝体尾迹的拟序结构, 计算力学学报, 2006, 23(1): 118-123.
32.张昊，朱民，张志军, 分级预混燃烧的稳定性, 动力工程, 2006, 26(2): 221-228.
33.艾元方, 蒋绍坚, 彭好义, 周孑民, 高风温无焰燃烧锅炉的节能与环保特性, 煤气与热力, 2002, 22(3): 251-254.

Soledad

一点小疑问
1，我们知道，在燃气轮机的燃烧室中燃料是通过喷嘴喷入燃烧室的，那么这就是典型的扩散燃烧了，为什么楼主说是预混燃烧。
2,传统的观点认为预混火焰存在三种不稳定性：Three basic types of phenomena
are responsible for the intrinsic instability of premixed
flames, i.e. hydrodynamic, body-force, and diffusivethermal
effects.The hydrodynamic effect is caused by
thermal expansion through the flame surface, and it is most
essential to the flame instability, since the combustion
reaction is exothermic and all premixed flames are
accompanied by thermal expansion. Thus, it is not possible
to study the instability of premixed flames without
considering the hydrodynamic effect. The body-force effect,
together with the hydrodynamic effect, is important to
intrinsic instability. This effect is caused by the difference in
density between the upper and lower fluids, and it has a
destabilizing (stabilizing) influence on upward (downward)
propagating flames . The reason is that the upper
fluid—the unburned gas (burned gas)—is heavier (lighter)
than that of the lower fluid. The third effect is the diffusivethermal
effect, which is caused by the preferential diffusion
of mass versus heat. This effect has a destabilizing influence
when the Lewis number of the deficient reactant is lower
than unity Cellular flames are experimentally
observed in lean (rich) gas mixtures with light (heavy) fuel
In addition, the formation of cellular flames is
numerically observed at low Lewis numbers, which is based
on either the diffusive-thermal model equation with a
constant-density approximation  or the compressible
Navier–Stokes equation .
3，对于大型扩散火焰而言，空气和燃料的混合主要是靠气体的湍流和其他形式的运动来完成。在这种情况下，火焰的稳定性差歘不多都与各种气体动力学因素有关。

ycchen100

下面引用由Soledad在 2007/07/14 08:51pm 发表的内容：
一点小疑问
1，我们知道，在燃气轮机的燃烧室中燃料是通过喷嘴喷入燃烧室的，那么这就是典型的扩散燃烧了，为什么楼主说是预混燃烧。
2,传统的观点认为预混火焰存在三种不稳定性：Three basic types of phenomena
are responsible for the intrinsic instability of premixed
flames, i.e. hydrodynamic, body-force, and diffusivethermal
effects. [。。。省略。。。]

1. 把喷嘴往上游移，再预混空气后注入燃烧室，就变成是预混燃烧了。
2. 你说对一半。你所提到的三种火焰不稳定性，是造成层流预混火焰不稳定的主要原因。我所提到的静态与动态不稳定，是针对湍流预混火焰，不发生在预混火焰的情况下。[br][br][以下内容由 ycchen100 在 2007年08月14日 05:20pm 时添加] [br]
不发生在层流预混火焰的情况下。

zxg

写的不错,请问实际中有否富油预混燃烧

ycchen100

It is possible in practical combustors that fuel rich mixtures exist LOCALLY, usually in the case of multi-feed injectors. HOWEVER, such design is mainly used to meet the goal of an overall fuel lean mixture with garanteed ignition at a suitable fuel/air mixture. This is called partially premixed combustion or heterogeneous combustion or stratified combustion. This is still a very active field in combustion research community...

Hzcheng

说的太好了，受益匪浅。

flame-guo

若若的说一句，ms火焰的燃烧分类中，预混与非预混是相对的，而扩散也只是其中的一种，可以有预混扩散火焰也可以有非预混扩散火焰，这主要取决于燃料与氧化剂的混合方式......

ycchen100

下面引用由flame-guo在 2007/12/20 07:41pm 发表的内容：
火焰的燃烧分类中，预混与非预混是相对的，而扩散也只是其中的一种

The above is correct. Diffusion flame is part of NON-PREMIXED flames.

下面引用由flame-guo在 2007/12/20 07:41pm 发表的内容：
可以有预混扩散火焰也可以有非预混扩散火焰，这主要取决于燃料与氧化剂的混合方式......

The above is wrong. There is no such thing as a "premixed diffusion flame" except probably in theory (see A. Linan, Acta Astronautica 1974;1:1007 or D.S. Stewart, J. Buckmaster, SIAM Journal on Applied Mathematics, 46, 582-587, 1986). Non-premixed flames means non-premixed diffusion flames and partially premixed (or heterogeneous) flames.