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湍流火焰OH浓度场和速度场同步测量技术取得进展
发稿时间:2016-03-10         作者:刘艳 邵卫卫          来源:能源动力研究中心     【字号:

  燃气轮机燃烧室工作在高湍流状态下的高温高压环境,其内部燃烧过程非常复杂,很大程度上受到强烈的湍流-化学反应耦合效应影响。以目前商业上广泛应用的以贫预混燃烧为主流技术的天然气重型燃气轮机为例,如何在保证稳定燃烧的前提下实现低污染燃烧是关键,其中旋流燃烧既可增加湍流强度,促进燃料-空气均匀混合,促使高温烟气回流,且能稳定火焰,成为湍流预混火焰流场组织的重要结构形式。随着燃气轮机级别提高,燃烧室出口温度逐步增加,而提高火焰温度与降低NOx排放是一对矛盾,因此,需不断优化燃烧器结构以获得空间和时间尺度下的燃空均匀性掺混,以获得低NOx排放性能;然而,贫燃工况下可能产生的热声不稳定性会反过来影响燃空掺混和反应,此时受到湍流、化学反应和声波特征共同影响的燃烧室内部燃烧过程(如自点火延迟、局部熄火等)更趋复杂,而对于该类湍流预混火焰的理论认识尚不完整,数值模拟亦存在瓶颈。采用非接触式的激光测试方法实现多场同步测量可为建立湍流火焰内部复杂燃烧过程的深入认识提供手段。 

  国外同行对此开展了广泛深入研究,实现了PIVPartical Image Velocimetry,粒子成像测速系统)、OH-PLIFPlanar Laser Induced Fluorescence,平面激光诱导荧光系统)、CH-PLIF和温度场等多场同步测量,而国内相关实验测试技术尚未见诸报端。研究所能源动力研究中心基于建立的由平面激光诱导荧光系统(PLIF)、粒子成像测速系统(SPIV)和相位多普勒分析仪(Phase Doppler Particle AnalyzerPDPA)组成的燃烧场多功能激光诊断平台,通过光路调整、信号同步、加装机械快门等在天然气旋流预混火焰上实现了OH-PLIF浓度场和速度场的同步测量。 

  如图1所示,PLIF系统计算机作为主控机,SPIV系统计算机为从属响应机,控制两套系统各硬件的时序响应;两套系统激光器的光经过片光扩束后,汇交于测试域,照亮同一测试平面;两系统的图像采集设备都聚焦该测试面;测试每个设备的系统响应延迟时间,设置恰当的触发延迟,使PLIF系统的图像采集发生在SPIV系统的双曝光图像采集序列 [t, t+dt] 的中间,即t+0.5dt;利用两种窄带滤波镜(307-10/6,532±10)解决图像采集时两种光源的互相干扰问题,最终实现了OH痕量组分浓度场与速度场的瞬时同步冻结,如图2所示。 

 

  图1  SPIV&PLIF系统 

 

  2  OH-PLIF图像、PIV图像及速度场 

  该测量技术为973青年科学家项目柔和燃烧机理研究以及柔和燃烧室、贫预混燃烧室研制提供了基础研究手段,后续将拓展瑞利测温及高压环境下的多场同步测量方法。上述工作得到了国家973青年科学家项目的支持,相关研究成果已在国际期刊Energy Conversion and ManagementApplied Thermal Engineering上发表。 

 
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