不同環境溫度下水平噴霧燃燒火焰形態實驗研究

謝 凱，仇性啟，崔運靜，王建新

（1.中國石油大學（華東）化學工程學院，山東青島266580；2.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266580；3.云南航天工業有限公司，云南昆明605229）

液體噴霧的燃燒在各種內燃機、燃氣輪機以及燃油鍋爐等動力與能源設備中有著廣泛的應用[1]。水平射流燃燒也存在于各種工業流程中[2]。我國幅員遼闊，北至漠河，南至海南，特別對于我國北方和高原地區，溫差跨度大，環境溫度的降低導致火焰形態的變化。火焰長度與燃燒室密切相關[3]，若燃燒室小火焰長，則會出現火焰直接沖刷受熱面，造成未燃盡油霧或氣體的急冷而在受熱面上積炭；若燃燒室大，火焰短時，則會出現火焰充滿度差，爐內溫度低的現象，影響受熱面的熱利用。此前學者們主要針對與高溫和高壓的燃燒進行研究，最近才提出不能忽略低溫對燃燒的影響[4]128，了解其變化規律可為工程設計提供依據。Gupta A K[5]對不同進氣溫度條件下以丙烷為燃料的火焰進行了觀測，發現火焰長度隨著空氣預熱溫度的增加而增加。Awasthi I等人[6]采用數值計算的方法對不同初始液滴（正庚烷）在不同環境溫度條件下對液滴燃燒的影響規律進行了深入研究。Xu G等人[7-8]實驗測量了空氣溫度為300、633 K時正葵烷液滴燃燒速率（k=deq2/t），分別為1.15、1.24 mm2/s。Lin C Y[9]對一小型自動燃油燃燒器在20℃和40℃進行了實驗，發現在20℃時，燃燒效率降低，污染物排放升高。Bao A[10]對一低NOx工業用燃燒器采用數值模擬的方法，發現入口空氣溫度在50～200℃，燃燒火焰的溫度隨入口空氣溫度降低而降低。Dvoinishnikov[11]同樣發現旋流燃燒器的環境溫度對火焰形態影響顯著，但其并未深入研究。Castela M等人[12]對小型圓柱形燃燒室內進行了實驗研究，大氣溫度為25～625℃，發現對污染物排放有顯著影響。Stagni A等人[4]129對以正庚烷為燃料的對向流火焰進行了研究，發現低溫條件下燃燒對其火焰溫度等有顯著影響，不能忽略溫度變化。對柴油噴霧燃燒在常壓或低壓條件下的低溫進氣環境的燃燒的研究文獻較少，特別是對低至-40℃下的大氣環境，幾乎未見報道。

本文主要采用實驗研究的方法對不同環境溫度下的水平噴霧火焰進行研究，采用MATLAB編程計算，對在試驗艙內采集的連續時間序列火焰圖像進行統計分析研究，得到火焰形態特性等隨環境溫度的變化規律。

1 實驗裝置和方法

本實驗中對環境溫度的控制是通過BTT5025F高低溫試驗艙來實現的，試驗艙及外部采集系統實物圖如圖1所示。試驗裝置置于試驗艙內部，數據線通過密封性能良好的小孔傳輸到采集系統。艙內實驗裝置整體示意圖見圖2，內部燃燒實驗箱體尺寸為D3 410 mm×W3 810 mm×H2 630 mm。試驗艙可以提供的溫度范圍是-50～100℃，精度為±1℃，實驗箱內部溫度分布均勻性通過實驗測量滿足實驗要求。高低溫試驗艙具有自調節功能，可實現持續供新風，新風量可以從0到120m3/h連續調節，可以滿足實驗燃燒機的新風量要求。為驗證艙內溫度與實地環境溫度變化事后一致，在當地試驗艙外進行比對驗證實驗，對比溫度為20℃時，經火焰視頻圖像分析其形態一致，驗證了在高低溫試驗艙內的實驗方案是可行的。

圖1 BTT5025F型高低溫試驗艙及采集系統

圖2 高低溫艙內實驗裝置示意圖

本實驗選用利雅路RIELLO-40-G5型燃燒器，試驗中功率為36 kW。燃料為0號柴油。環境溫度變化范圍為-40～35℃。試驗艙所在地為昆明，當地實驗環境壓力為0.08 MPa。火焰視頻采樣正對火焰，圖像采集頻率為25幀/s。

2 試驗艙內連續火焰的圖像處理

目前研究火焰形態的方法依以圖像分析法為主，主要是對火焰圖像的灰度化、二值化、濾波處理和輪廓提取二值分割[13]，然后判別圖像中的有效區域和干擾區域。對于圖像處理在火焰特征統計的研究，陳珂等人[14]提出了基于圖像特征來分析火焰形態的方法。毛翠麗等人[15]使用MATLAB對CCD相機采集的火焰圖像進行了閾值分割，噪聲處理，數學形態學處理，尋找了火焰的邊界。周昊等人[16]對實際爐膛的火焰拍攝及處理也進行了研究。

本文利用MATLAB強大的矩陣運算處理功能，對火焰圖像進行處理[17]，通過MATLAB使火焰圖像灰度化、二值化，進而編程統計分析連續圖像中二值化火焰圖像部分亮度的出現概率，得到火焰分布概率云圖，最后根據像素比例尺計算得到實際火焰的平均高度、寬度等參數。本文中分別對溫度環境為-40～35℃的火焰穩定后的300幀圖像實驗視頻進行時間序列圖像處理，將其統計數據導入TECPLOT軟件中，計算分布概率為50%時的平均火焰長度與寬度，總結出火焰形態隨大氣環境溫度的變化趨勢。同時也能統計出噴霧燃燒火焰的一些重要的特征，尤其是火焰脈動頻率特性和火焰末端抬升特性。

3 實驗結果與分析

3.1 火焰形態分析

本文所研究的不同環境溫度下的火焰圖像的像素概率云圖如圖3所示，比例尺為0.85 mm像素。從圖4中可以看到，在較低溫下，火焰有著明顯的拉伸現象，火焰的長度值較大而寬度變窄。隨著環境溫度的增加，火焰長度呈現出下降趨勢，火焰寬度則與之相反。圖像處理過程中，-40～0℃的平均灰度圖像其背景較為模糊，這是由于溫度較低的原因。在低溫條件下，火焰周圍的空氣由于熱脹冷縮原理開始凝結，出現水霧等。然后水霧在火焰燃燒時發出的大量的熱作用下發生汽化現象，這就導致了在艙內拍攝的背景畫面有些許模糊，但由于本文圖像處理采用閾值分析理論，并不影響火焰概率分布形態的判讀。分別計算不同溫度下火焰分布概率圖中出現概率為50%的平均火焰長度和寬度等火焰形態參數，得參數變化如圖4所示。

火焰寬度隨溫度增加而增加，整體成正比關系。而火焰長度隨溫度增加而降低，整體呈反比關系。火焰長度在整個實驗測量范圍內隨溫度增加而縮短，在20℃以上時，火焰形態變化不大，但當溫度降低到0℃以下后，火焰迅速變長，寬度變窄，但當溫度繼續降低到-20℃以下時，火焰長度的變化也會愈趨平緩。在-40℃時，火焰長度較常溫20℃時增長了30%，這對于小型爐灶中的使用來說其長度變化非常明顯。從噴霧燃燒機理來分析，柴油從噴嘴噴出后，在低溫大氣環境下，其液滴的燃燒速率變慢，導致液滴運動路徑越長，最終火焰的長度變長。

圖3 不同大氣環境溫度下火焰圖像像素概率云圖

圖4 不同大氣溫度下火焰形態變化

3.2 火焰抬升特性

依據之前所做工作中的火焰抬升特性定義[7]，根據火焰抬升斜率的計算方法，得到其火焰抬升的斜率隨不同環境溫度變化曲線如圖5所示。隨著環境溫度的增加，火焰抬升斜率呈遞增趨勢，整體呈正比關系。這主要是由于隨著環境溫度降低，大氣密度增加，火焰末端的卷吸程度降低所致。特別是在溫度低于0℃時，斜率的變化較大于0℃時更陡峭，而且在0℃附近形成一個特別明顯的“拐點”，形成分段的線性關系。其變化規律同火焰形態變化規律有相似之處，均在0℃以下變化較快。其火焰抬升特性在0℃左右形成拐點亦與火焰迅速拉長有密切關系。對于在0℃附近形成拐點，結合本實驗分析，應與0號柴油的物理特性有密切關系，0號柴油的凝點為0℃，故而在0℃附近噴霧后液滴燃燒的特性變化較大，進而在曲線中形成一個明顯拐點，后續可改變柴油標號做進一步研究。

圖5 不同大氣溫度下火焰抬升斜率

對火焰抬升斜率與溫度的數據擬合，得

式中：k為火焰抬升斜率；T為大氣溫度，℃；

3.3 火焰脈動頻率

火焰的脈動特性是噴霧燃燒火焰的重要特征，其主要宏觀表現為火焰呈現周期性抖動變化的現象。噴霧燃燒火焰在火焰末端呈現強烈的脈動狀態，火焰的脈動也是火焰高度變化的特征。一般用在單位時間內火焰周期性變化次數來來表征火焰的脈動現象，即火焰脈動頻率。一般的分析方法不足以求得火焰的頻率，本文用對300 s穩定火焰的每幀圖像與初始圖像進行相關性對比，進而進行快速傅里葉變換（FTT），得到火焰的脈動頻率變化[18]。由火焰脈動特性計算方法[19]分析得出水平柴油噴霧燃燒火焰在不同大氣環境溫度下的脈動頻率特性曲線如圖6所示。

圖6 不同大氣溫度下火焰脈動頻率

分析大氣環境溫度與火焰脈動頻率變化趨勢圖，可以觀察到火焰脈動頻率與溫度成正比關系 f∝T，并且可以看到，與3.2節火焰抬升特性類似，在0℃附近同樣存在一個明顯的“拐點”。較高溫相比，在溫度更低的條件下，火焰頻率衰減更快。在-40℃環境下，火焰頻率較常溫20℃時衰減了37%。在高溫段，火焰頻率變化不大。

擬合火焰脈動頻率與大氣環境溫度的數據關系，得

式中：f為火焰脈動頻率；T為大氣溫度，℃；

4 結論

本文在高低溫試驗艙內搭建試實驗臺架，進行了水平射流柴油噴霧燃燒實驗。采用對連續時間序列火焰圖像統計分析的方法，對其火焰在-40～35℃大氣環境溫度范圍下的火焰長度、寬度，抬升特性和脈動頻率等變化規律進行了實驗分析，主要結論如下：

（1）火焰長度隨大氣環境溫度的降低而變長，而火焰寬度則隨之減小，且在-20℃以下或者20℃以上變化幅度較小。

（2）水平射流噴霧火焰末端在高溫環境下抬升特性更明顯，火焰抬升斜率隨溫度升高而升高，在0℃以下變化較快。

（3）隨大氣環境溫度降低，火焰脈動頻率隨之降低，且成線性關系，在0℃以下火焰頻率衰減更快。

（4）火焰抬升特性和其脈動頻率特性曲線都在0℃附近存在明顯的“拐點”。