湍流射流与扩散火焰大涡拟序结构的波动特性研究

湍流射流与扩散火焰大涡拟序结构的波动特性研究 湍流射流与扩散火焰大涡拟序结构的波动 特性研究 第 7工程热物理 1999年Ii月JOURNALOFENGINEERINGTHERMoPHYSICS Vol2O,No.6 N0v.1999 湍流射流与扩散火焰大涡拟序 结构的波动特性研究 顾瑶杨宏黑,刘勇棣益谦 ———————一—.—————'一 (东南大学热能工程研究所南京2L001~) . o' 关键词湍流射流,扩散火焰,拟序结构,波动特性J,,,//7' ————一———,——k-.r,ff,,u 1前言 湍流射流扩散燃烧方式提供了射流火焰与涡团相互作用的最基本形式,对研究在湍 流射流剪切边界层内的反应物的卷吸混合,热量及动量的输运及湍流射流结构方面具有 其特殊的意义.KattaEJ利用浮力与单步反应机理模型对N2?H2射流扩散火焰进行了直 接数值模拟(DNS),获得了由于浮力驱动的不稳定性所形成的向上翻卷大涡结构及抖动 频率;SheldonI2]提出了基于拟序,大尺度涡团结构的射流扩散火焰脱火机理.随着高 速图像采集系统及计算机数字图像技术的发展,使人们有可能从空间和时问的角度更细 致地观察湍流拟序结构的发展.湍流涡团与波动是密切相关的,涡量波概念揭示了波涡 共存的现象:横波通过剪切应力作用进行能量传播,波动使得微小的涡量聚集,卷起大 涡,涡波产生共振效应,最后发生失稳而导致涡团破碎,将能量串级转移到小尺度的湍 流运动中.本文利用高速动态图像序列,对端流射流扩散火焰拟序结构的诱导,发展及 破碎行为进行研究,揭示不同射流区段波动特性的规律 2试验 燃烧器如图1所示由同轴双层钢管(d:4mil1)构 成,其上可以进行太空问同轴射流扩散火焰的燃烧.燃料 成分为液化气.图像溴I量部分由红外感光的CCD摄像机 和录像机组成.在CCD前部安装有红外滤色镜片,通透波 长为950nnlVideoStar视频压缩卡与AdobePremiere 软件工作平台配合使用,视频捕捉能力撮高为30帧/秒, 320x240点阵大小.火焰边界曲线可以很容易地通过对火 焰图像进行边界跟踪而提取.在火焰高度方向上分五点测 量左侧边界的波动值对于射流火焰,Richardson数 肛 (u1一2) 作为为衡量湍流动量与浮力控制区的指标,对双流体混合图1试验台简图 扩散过程和波动特性有很大影响,为可见边界层厚度. 国家自然科学基金资助项目. 本文曾于1998年19月在北京召开的中国工程热物理学会燃烧学学术会议上宣读. 修改稿于1999年1月24日收到. 7丁4工程热物理20卷 当<005时,混合层为动量控制实验条件如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1. 表1试验条件 工况H1H2C1C2 中心射流工质CmHnCmH混合烟气混合烟气 周界射流工质空气烟气空气空气 中心射流速率(m/s)6.16.16.16.1 周界射流速率(m/s)1.05.01.05.0 Richardson数0.000620.01332?0?0 3结果分析与讨论 3.1快速动态图像表观分析 如图2a,b所示为冷态和燃烧时大速差情况下湍流射流结构比较.从上到下为连续 图像序列,从中可以清晰的发现湍流涡团拟序结构发展过程图3所示的连续火焰图像 序列的外包络线,定量显示了射流剪切边界层的波动特性.A.B,C,D分别为四个连续火 焰的边界曲线,E为时间平均值.可见,整个湍流射流扩散火焰的大涡拟序结构可以分 为诱导区,发展区和大涡破碎区.在诱导区内边界层锋面结构始终保持相对稳定,在其末 端可以看到一个波幅很小的涡结构已经诱发形成;在发展区,湍流拟序结构更加明显, 形成了一个个规则的,波状前行的大涡结构,且波幅,波长逐步增大.跟踪一个涡团的 运动轨迹,波动的平均相速度为1.01.2m/s.在射流尾端的破碎区,湍流拟序结构基本 已经被破坏,形成了一段无序区,火焰上下抖动和左右摆动剧烈,但燃烧辐射强度在该 区最大,是剧烈反应区. 冷态工况下,拟序结构呈现蘑菇状卷吸外部流体,而不象燃烧时表现出的梨状结构. 边界剪切层的涡团尺度较燃烧时明显减小,但依然存在本文所划分的三个区域,而且射 流拟序结构所保持的距离和重复频率均比燃烧时大由于激光层析图像所采用的示踪剂 为轻质烟雾,扩散性能较好,中心与边界射流密度相差很小,波动幅度递增率小于热态 工况.另外,燃烧的热效应使得中心热流体体积膨胀,抵销了卷吸效应;冷态工况边界 的灰度的渐变,表明周界风是依靠拟序结构的边界卷吸逐步扩散至中心射流内部,而燃 烧时火焰锋面的剧烈反应造成的高亮度可能掩盖了边界传质现象. 如图2c所示为小速差情况下的燃烧图像.中心为燃烧火焰,周界为混合烟气射流. 由于速度梯度很小,剪切应力不足以产生明显的涡团翻卷结构,所以火焰表面比较 平滑. 图2a冷态射流c1图2b燃烧火焰H1图2c工况H2 6期顾瑶等:瑞漉射流与扩散火焰大涡拟序结构的波动特性研究775 火焰和混合烟气间具有明显的黑色区域,这是燃烧产物与周界风的混舍传质过程,在烟 气射流的内表面还可以看到中心射流的夹带造成的边界凸起. 3.2波动不稳定性一拟序结构产生机理的探索 涡团和波在湍流中是密不可分的,波动的能量主要来自密度或速度的差异.在 射流方式中,边界层的剪切应力是波动产生的主导因素,当切变扰动增大到某个临界值 时,边界层内很快出现波动,造成射流边界的扭曲.当波速和波幅增长到一定程度即会 形成非线性波,导致涡团的破碎分解.如图2所示,在发展段出现的波状结构及其以 后 的破碎过程,正是基于Kelvin-Helmholtz波动不稳定性造成的. 双层流体边界层K—H不稳定性造成的波动边界方程一般满足以下形式IJ: Y=(,t)=rloe'(,)(1) 户1"1十,o2u2 i 其中c为相速度,为谐波波数,为角频率,P1,P2,u,u2分别为两流体密度 和速度. 由此可见,当根号内项为负时,的虚部,导致了波幅随时间发生非线性指数递 增,而虚指数项对波幅只有脉动的影响;各次谐波的叠加,导致了行波波长的变化,进 而影响到相速度的变化.通过傅立叶级数将边界包络线波形在波数空间展开,发现存 在优势波数t=3.3. 将所研究条件下物性参数和试验参数代入式(2),波数取为k.P?,o2,得到, 进而得到波幅: A=啪exp(wl)(3) 图4所示为推导波动传递过程和图像处理后所得边界波发展过程的比较,采样间隔 为U3o秒,曲线1为小扰动波幅V/o在时间方向的指数递增,其中珊取为各初始涡团太 小的平均值;而各种符号代表不同初始涡团的结构太小变化过程(反映到边界上即为边 界包络线波动运动过程). 暑 兰 \ 弭 尽 图3火焰边界曲线 o 6o f . 图4试验与理论波幅 4结论 (1)拎态射流拟序结构尺度小于燃烧火焰时的情况,但可在下游保持较长的距离 (2)拎态试验表明:周界风是依靠拟序结构的边界卷吸逐步扩散至中心射流内部 磊r 776工程热物理20卷 (3)湍流射流及扩散火焰在流线方向上的大涡拟序结构按照其各自形态可以分为诱 导区,发展区和大涡破碎区.测量所得涡团结构尺度发展过程呈指数递增,符合Kelvin- Helmholtz不稳定性所诱发的波动特性规律. (4)射流速度差是诱导波动和拟序结构的关键因素. 参考文献 l】KattaVR,LPG删s_NumericalInvestigationsofTransitionalH2/N2JetDiffusionFramesAIAA Journal,1994,32(1):84-94 21SheldonRTAHeuristicMode[ofTurbulentMixingAppliedt0BIowoatofTurbukntJetDif fusion FlamesCombustioaandFlame1996106:442-466 31童秉纲,张炳喧等非定常流与涡运动.北京:国防工业出板社,1993,373-379 4】陶明德水被引论上海:复旦太学出版社1990,215-219 THESTUDY0N?VECHARACTERISTICS 0FTHEC0HERENTSTRUCTUREIN TURBULENTJETAND DIFFUS10NFLAME GUFanYANGHongminLIUYongXUYiqian ThermoeDergyEngineeringResearchInstitute,SoutheastUDiver~ityNa.jing210018) Abstract Usingthequasi-highspeedimagecollectingtechnologyandthedigitalimageprocessing technique,theclearimagesequencesof2-dimensionlargescalecoherentvortexstructurein shearingboundarylayerofturbulentjetanddiffusionflamewereacquired.Threeregions weredividedinstreamwiseaccordingtotheevolvingprocedureofcoherentstructure.which namedastheinducingregion,thedevelopingre~ionandthebreakingregion.Theobvious wavecharacteristicsdevelopedfromKelyin.Helmholtztypeinstabilitywereobservedinthe shearinglayerofdevelopingregionThescaleofcoherentstructureincoldjetweresmaller thanthatindiffusionflame,butthestructurecanmaintainforalongerdistanceinstream— wiseTheinfluenceofshearingvelocityofthecoherentstructureshowsthattheinstabilitv ofwavemaybethecrucialfactorwhichcontrolthecoherentphenomena. Keywordsturbulentjet,diffusionflame,coherentstructure,wavecharacteristics