用户速递丨氨掺混对贫预混旋流甲烷火焰热声不稳定性影响的实验研究

本文《Experimental study on effects of ammonia enrichment on the thermoacoustic instability of lean premixed swirling methane flames》发表在《Fuel》IF是6.6

研究背景
 

随着化石燃料短缺和温室效应日益严重，实现碳中和已成为全球能源领域的迫切需求。氨（NH₃）作为一种无碳燃料，具有高氢含量、高能量密度以及易于液化储存等优势，被认为是极具潜力的替代能源载体。然而，氨的化学反应活性低、火焰传播速度慢，直接应用于燃气轮机等燃烧系统面临诸多挑战。将氨与甲烷（CH₄）混合燃烧是改善其燃烧性能的有效途径，但氨的加入会改变火焰的动力学特性，可能诱发或抑制热声不稳定性——这是制约贫预混燃烧系统稳定运行的关键问题之一。
 

实验设备与核心仪器

图1. 实验台示意图。

上海交通大学机械与动力工程学院吕兴才团队搭建了实验室规模的燃气轮机模型燃烧室，系统研究了不同氨掺混比例（0%~70%）对热声不稳定性的影响。实验中，压力波动采用高灵敏度压力传感器（PCB 112A22）采集，火焰宏观结构由尼康 d7500 数码相机记录，而 火焰 OH 化学发光（CL）动态成像* 则借助以下核心设备完成：
 

• 高速相机：Photron Mini AX-200，分辨率 1024×1024 像素，帧速 4000 fps
• 高速增强型相机附件：IIM-C，Zolix（双微通道板 MCP，高增益、低噪声）
• 紫外镜头：Nikon 105 mm 紫外镜头（PF10545MF-UV，高紫外透过率）
• 带通滤光片：HNIF010-310-D25，中心波长 310±10 nm，用于选择性收集 OH* 化学发光信号

该成像系统视场为 75×90 mm²，每次实验采集 4000 帧图像，可同时获得时间平均和相位平均的火焰结构。通过逆阿贝尔变换（Inverse Abel Transform）对视线积分信号进行反卷积，得到燃烧室中心截面上的平均火焰结构。实验中，相机与压力采集系统同步触发，确保每帧图像可根据压力信号对齐到特定相位。
 

此外，为了获取流场信息，还采用了 PIV 系统（Flow-Master LaVision），包括双腔高速 Nd:YLF 激光器（527 nm）、高速双快门 CMOS 相机及可编程时序单元，以 Al₂O₃ 粒子（直径 0.5 μm）作为示踪粒子。
 

实验方法与条件

实验中，氨的摩尔分数 η_NH₃ 从 0.0 变化至 0.7（步长 0.1），当量比 Φ 在 0.55~1.05 之间调节，入口速度 U 为 8~18 m/s。通过压力信号频谱分析，结合连续小波变换（CWT）和同步压缩变换（SST），识别不同氨掺混比例下的不稳定性模态。
 

关键实验结果

1. 稳定性图谱与模态转变

图2. 全工况范围内的稳定性图谱。

图3. 不同入口速度和当量比下，不同 NH₃ 掺混比例对应的不稳定频率和振幅的变化。

（图4. 选定工况下 (Φ = 0.87, U = 10 m/s)，随着 NH₃ 比例增加，动态压力的典型连续小波变换（CWT）频谱。）

图5. 压力轨迹、频谱分析、相空间轨迹和递归图。(a) 纯 CH₄，(b) 20% NH₃，(c) 40% NH₃，(d) 50% NH₃，(e) 60% NH₃。
 

实验结果表明，氨掺混比例对热声不稳定性具有决定性影响：

• 低掺混比例（η_NH₃ < 50%）：氨的加入会导致不稳定性模态发生转变。纯甲烷火焰表现为间歇性振荡（Mode 1）；掺入 10%~20% 氨后，转变为极限环振荡（Mode 2）；掺入 40% 氨时，出现双频振荡（Mode 3，164 Hz 和 138 Hz 同时存在）。
• 高掺混比例（η_NH₃ ≥ 50%）：不稳定性被抑制，燃烧趋于稳定（Mode 4 及稳定燃烧）。当 η_NH₃ 达到 60% 以上时，系统仅存在燃烧噪声，无主导频率。

这一发现表明，适量掺氨可增强甲烷火焰的稳定性，为氨燃料在燃气轮机中的安全应用提供了重要依据。

2. 火焰与流场动力学分析

图6. 不同 NH₃ 比例下的火焰图像。(a) 长时间曝光，(b) Abel 变换后。

图7. 选定工况下 (Φ = 0.87, U = 10 m/s) 通过 PIV 测量获得的时间平均流场。(a) 纯 CH₄，(b) 20% NH₃，(c) 40% NH₃，(d) 50% NH₃。

图8. 选定工况下 (Φ = 0.87, U = 10 m/s) 相位平均火焰结构的演变。(a) 纯 CH₄，(b) 20% NH₃，(c) 40% NH₃，(d) 50% NH₃。
 

通过 Zolix IIM-C 增强相机 采集的高时间分辨率 OH* 化学发光图像，研究团队详细分析了不同模态下的火焰动态：
 

• 随着氨比例增加，火焰颜色从蓝色转变为橙黄色（NH₂ 氨 α 带发光），火焰长度显著增加，火焰根部反应区减弱，反应区逐渐向燃烧室下游和壁面迁移。
• 相位平均结果表明，纯甲烷火焰的 OH* 强度波动主要在剪切层和火焰尾部，火焰根部始终附着在燃烧器突扩面；而掺氨 20%~40% 时，火焰结构剧烈波动，甚至出现几乎熄灭与完全燃烧的交替，火焰根部不再附着。
• 在 40% 氨条件下，火焰尾部观察到明显的火焰-涡旋卷起现象（flame-vortex roll up），导致较强的热释放率波动。

PIV 流场测量显示，氨掺混显著改变了内回流区（IRZ）和剪切层结构。纯甲烷时 IRZ 呈单一大型涡旋；掺氨 20% 后，IRZ 拉长并分裂为两个子涡旋，剪切层变长且更弯曲；掺氨 50% 时，IRZ 出现更明显的回流泡，射流区明显缩短，射流与火焰中心线夹角增大，有利于火焰稳定。
 

图9. 选定工况下 (Φ = 0.87, U = 10 m/s) 相位平均流场的演变。(a) 纯 CH₄，(b) 20% NH₃，(c) 40% NH₃，(d) 50% NH₃。

图10. 选定工况下 (Φ = 0.87, U = 10 m/s) 旋流火焰和流场的前两个主要能量 POD 模态。(a) 纯 CH₄，(b) 20% NH₃，(c) 40% NH₃，(d) 50% NH₃，(e) 各火焰模态捕获的能量，(f) 各流场模态捕获的能量。

3. 本征正交分解（POD）与瑞利指数分布

图11. 选定工况下 (Φ = 0.87, U = 10 m/s) 旋流火焰的瑞利指数分布。(a) 纯 CH₄，(b) 20% NH₃，(c) 40% NH₃，(d) 50% NH₃。

对 2000 帧瞬时 OH* CL 图像和 2000 帧 PIV 快照进行 POD 分析，揭示了不同模态下火焰与流场的相干结构：

• 纯甲烷和 20% 氨条件下，火焰模态主要表现沿燃烧室中心轴的纵向振荡（轴向声学模态）。
• 40% 和 50% 氨条件下，不稳定模态转为沿壁面的横向振荡，说明氨掺混导致火焰与燃烧室壁面的相互作用增强。
• 能量占比分析表明，前两阶模态的能量随氨比例先增后减，与压力振荡幅值的变化趋势一致。

瑞利指数（Rayleigh Index）分布进一步验证了热释放率与压力波动的耦合区域。纯甲烷时，驱动区与阻尼区分布分散；20%~40% 氨时，驱动区集中在内剪切层和火焰尾部，阻尼区位于两者之间；50% 氨时，大部分区域瑞利指数为负，表明热释放率与压力波动未形成正反馈耦合，系统趋于稳定。

4. 低阶热声网络模型与机理分析
 

图12. 本研究中使用的声学网络模型示意图。

图13. 选定工况下 (Φ = 0.87, U = 10 m/s)，通过 OH⁺ 化学发光强度*大值位置表征的平均火焰高度。(a) 纯 CH₄，(b) 20% NH₃，(c) 40% NH₃，(d) 50% NH₃。
 

基于实验观察，研究团队建立了低阶热声网络模型（使用开源工具箱 OSCILOS），采用 n-τ 模型描述火焰对速度波动的响应。结果表明：

• 氨掺混使火焰长度增加（L_f 从纯甲烷的 34.89 mm 增至 50% 氨时的 45.57 mm），导致对流时间延迟 τ_conv 从 5.82 ms 延长至 7.60 ms。
• 模型成功预测了随 τ 增加出现的不稳定性模态转变：τ 在 3~6 ms 时对应 Mode 1（454.8 Hz），6~10.5 ms 时对应 Mode 2（172.7 Hz）和 Mode 4（152.3 Hz）。
• Mode 3 的双频特性可归因于对流时间延迟随时间的变化，导致系统在 Mode 2 和 Mode 4 之间交替。

图14. 燃烧系统中主频随火焰增益 n（0.3, 0.6, 0.9, 1.2, 1.5）和总时间延迟 τ（3 ms-10.5 ms）的变化。

（图15. 热声系统的稳定性图谱。(a) τ = 4.2 ms，主频为 454.8 Hz，(b) τ = 6.8 ms，主频为 172.7 Hz，(c) τ = 9.2 ms，主频为 152.3 Hz，(d) 模态 1 形状，(e) 模态 2 形状，(f) 模态 4 形状。）

图16. 模态 3 的动态压力典型同步压缩变换（SST）频谱。
 

结论与意义
 

本研究系统揭示了氨掺混对贫预混旋流甲烷火焰热声不稳定性特征的影响规律，主要结论如下：

本研究为氨-甲烷混合燃料在燃气轮机中的安全、稳定运行提供了重要的理论依据和实验数据支持。其中，Zolix 高速像增强器IIM-C 凭借其高增益、低噪声、高时间分辨率等优势，在捕捉火焰瞬态结构、揭示不稳定性机理方面发挥了不可替代的关键作用，充分展示了其在燃烧诊断与极端环境光学测量领域的卓越性能。