使用LDA和PIV测量氢燃料旋流火焰的速度场

       从使用碳氢化合物转变到使用氢等替代燃料预计将是一项非常复杂和花费昂贵的任务。其要求将燃料和氧化剂混合过程进行详细分析。

       在目前的工作中，使用激光多普勒测速仪和粒子成像测速技术在典型旋流燃烧室内研究了天然气-氢-空气反应混合物的特性。旋流流动是改善和控制混合速率和火焰稳定性的有效方式。PIV和LDA是用于研究不同旋流火焰结构如何相互作用的互补速度测量技术。

互补技术

       PIV用于获取速度场（100x80mm2）测量值并提取流线和涡量信息。 LDA提供时间分辨点速度信息，能够测量平均流速。对于这两种技术，都使用氧化铝颗粒（Al2O3，标称直径：2μm）用作示踪剂。

使用PIV测量再循环和混合区

       在紧邻燃烧器出口下游的区域中，叠加在火焰图上的流线表示存在中心环形再循环区（CTRZ）和角部再循环区（CRZ）。还证明，氢的添加导致放热区域移动到更接近反应物出口的位置。

图1：流线和图片的叠加：氢含量0%（左）；氢含量80%（右）

       在图2中，显示0％和80％氢含量的火焰，在CTRZ和CRZ之间的剪切层中观察到了涡度的峰值。这些结果强调了在该区域中来自燃烧器头部的反应物与来自再循环区域的热产物之间发生的强烈混合过程。可以推断，主要在流场的这个区域中，热燃烧产物和自由基为进入的燃料-空气混合流提供点火能量。

       此外，PIV测量证明，由于加氢，反应区的位移不仅影响速度场，而且影响高涡量水平的区域。随着氢含量的增加，这导致高涡量水平区域尺寸减小。

图2：涡度场和流线的叠加：含氢量0%（左）; 含氢量80％（右）

使用LDA测量间歇流动结构的相互作用

       LDA数据的概率密度函数（PDF）允许用户研究旋流的不同结构如何在CTRZ和CRZ之间的剪切层中相互作用。通常，完全处于CTRZ和CRZ之内的轴向速度PDF很明显是高斯类型的分布; 然而，它们在剪切层区域变得更平坦，其中在流出的反应物流和反向流之间存在混合。例如，如下所示，轴向速度分量的间歇性主要在r»10-15mm处观察到。因此，逆时针旋转的涡流与向下的逆向流动和来自燃烧器头部的向上的流动之间的相互作用有关系。

图3：通过LDA测量得到的3个径向不同位置的轴向速度波动

参考文献：

"Analysis of Hydrogen Enriched Flames by Laser Diagnostics".
Authors: Andrea Olivani, Fabio Cozzi, Aldo Coghe
13th Intl Symp on Application of Laser Techniques to Fluid Mechanics
Lisbon, Portugal, 26-29 June, 2006