基于丙酮/CH2O雙組分PLIF技術(shù)的橫向聲波激勵(lì)預(yù)混火焰未燃區(qū)/預(yù)熱區(qū)特性研究

閆博 ，孫永超，朱家健 ，吳戈，萬(wàn)明罡，田軼夫，陳爽，孫明波

1.國(guó)防科技大學(xué) 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410073 2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，綿陽(yáng) 621000

0 引 言

聲波與火焰之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力裝置中出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象。當(dāng)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象較為嚴(yán)重時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)會(huì)受到嚴(yán)重破壞。為了揭示燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象的機(jī)理，研究者對(duì)聲波與火焰的相互作用進(jìn)行了大量的研究。目前，研究主要集中在縱向聲波激勵(lì)與火焰相互作用方面，實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)容主要包括火焰結(jié)構(gòu)變化、非穩(wěn)態(tài)熱釋放、火焰?zhèn)鬟f函數(shù)和燃燒污染物減少等。在這些研究中，學(xué)者們觀察到了火焰抬舉、拉伸和大尺度渦結(jié)構(gòu)等典型現(xiàn)象。這些現(xiàn)象發(fā)生時(shí)都伴隨著火焰面積的變化，顯著地影響了燃燒過(guò)程中的放熱情況。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于橫向聲波激勵(lì)對(duì)火焰行為控制方面的研究迅速增多，尤其是利用橫向聲波產(chǎn)生火焰熄滅行為的研究更是一個(gè)有趣的亮點(diǎn)。McKinney和Dunn-Rankin利用CCD相機(jī)拍攝自發(fā)輻射的方式研究了橫向聲波對(duì)甲醇液滴流火焰熄滅行為的影響，發(fā)現(xiàn)火焰熄滅所需的聲壓級(jí)（SPL）隨著聲波頻率和液滴直徑的增大而增大。實(shí)驗(yàn)為增強(qiáng)燃料和氧化劑之間的混合，一般會(huì)增大聲波頻率，因此需增大聲壓來(lái)熄滅火焰。Beisner等利用LED視覺(jué)識(shí)別的方式研究了橫向激勵(lì)聲波和微重力對(duì)火焰熄滅行為的影響，發(fā)現(xiàn)火焰在微重力條件下比在規(guī)則的重力場(chǎng)中更容易熄滅，且在較低頻率下火焰熄滅速度更快。Friedman和Stoliarov利用高速攝影研究了橫向激勵(lì)聲波對(duì)層流擴(kuò)散火焰熄滅行為的影響，結(jié)果表明在較低的聲波頻率下火焰熄滅更為容易，因?yàn)橐鸹鹧嫦缢璧淖钚÷晧弘S著頻率的降低而降低，同時(shí)隨著聲壓的降低，燃料的平均質(zhì)量損失率也降低。Niegodajew等利用紋影儀對(duì)橫向聲波激勵(lì)下的火焰形貌進(jìn)行了可視化測(cè)量，結(jié)果表明，火焰熄滅是聲壓力場(chǎng)和振蕩擾動(dòng)累積效應(yīng)的結(jié)果。針對(duì)橫向聲波激勵(lì)下的火焰波動(dòng)和熄滅行為的可視化方法多為高速攝影和紋影儀等路徑積分、時(shí)均的方法，為了進(jìn)一步研究橫向聲波激勵(lì)對(duì)火焰面積波動(dòng)的影響，需要對(duì)火焰鋒面的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

與高速攝影和紋影儀相比，激光誘導(dǎo)熒光（LIF）技術(shù)具有非擾動(dòng)、實(shí)時(shí)原位測(cè)量、組分選擇性強(qiáng)、靈敏度好、時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。碳?xì)淙剂先紵^(guò)程中產(chǎn)生的重要中間產(chǎn)物（如CHO、CH、OH等）可以作為火焰瞬態(tài)結(jié)構(gòu)的標(biāo)示物。CHO可以作為火焰預(yù)熱區(qū)的標(biāo)示物，丙酮示蹤LIF測(cè)量則可以顯示未燃區(qū)的分布；同時(shí)利用丙酮、CHO等PLIF瞬態(tài)結(jié)構(gòu)圖像就可以獲取火焰扭曲、褶皺、破碎、局部熄火和重燃等變化過(guò)程，有助于研究燃燒和湍流的相互作用機(jī)理。與聲波激勵(lì)下火焰鋒面結(jié)構(gòu)變化研究相比，無(wú)聲波激勵(lì)下的火焰鋒面結(jié)構(gòu)變化研究開(kāi)展得更多。Li等運(yùn)用平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）技術(shù)對(duì)火焰鋒面結(jié)構(gòu)開(kāi)展了一系列研究，發(fā)現(xiàn)增大湍流強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致CHO分布區(qū)域向預(yù)熱區(qū)方向擴(kuò)展。Zhang和Wang等針對(duì)火焰鋒面結(jié)構(gòu)變化開(kāi)展了大量的研究，深入分析了火焰曲率、進(jìn)度變量和火焰面密度等參數(shù)的定量測(cè)量方法。

綜上所述，橫向聲波激勵(lì)能夠顯著影響火焰的鋒面結(jié)構(gòu)，而在橫向聲波與火焰相互作用的研究中，利用PLIF技術(shù)對(duì)聲波激勵(lì)預(yù)混層流火焰的研究開(kāi)展得較少。本研究的目的是基于丙酮/CHO雙組分PLIF技術(shù)，對(duì)橫向聲波激勵(lì)下層流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)的變化特性開(kāi)展研究，并對(duì)PLIF的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行定量計(jì)算，進(jìn)而分析未燃區(qū)抬舉高度、擴(kuò)散面積等火焰結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

層流預(yù)混燃具和丙酮示蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃具由長(zhǎng)200 mm、內(nèi)徑15 mm的圓管燃燒器構(gòu)成。甲烷（CH）和空氣由高壓氣瓶供應(yīng)，其體積流量由流量控制器MF（SevenStar，CS200系列）控制。丙酮原液被精量柱塞泵（ADP）定量抽取至高溫蒸發(fā)室（EC，180 ℃）后產(chǎn)生丙酮蒸氣，隨后定量空氣被引入至高溫蒸發(fā)室，推動(dòng)丙酮蒸氣進(jìn)入預(yù)混合室（PMC）進(jìn)行充分混合。最后，丙酮/空氣預(yù)混氣體被引入混合腔體（MC）內(nèi)部，與甲烷氣體充分混合形成甲烷-丙酮-空氣的混合氣體。甲烷、丙酮和空氣的體積流量（Q）如表1所示，表中的Φ、v和Re分別表示燃燒器的當(dāng)量比、出口流速和雷諾數(shù)。實(shí)驗(yàn)主要考慮預(yù)混燃燒狀態(tài)。

圖1 層流預(yù)混燃具和丙酮示蹤系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of laminar premixed combustion burner and acetone tracer system

表1 層流預(yù)混燃具實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Laminar premixed combustion conditions

聲波激勵(lì)和丙酮/CHO雙組分PLIF測(cè)量裝置如圖2所示。橫向聲波由位于燃具右端的揚(yáng)聲器（BMS，15C362）產(chǎn)生。聲波強(qiáng)度和頻率分別由功率放大器（Yamaha，P7000S）和信號(hào)發(fā)生器（Rigoll，DG1022U）控制。本文利用聲傳感器（BSWA，MP201）和數(shù)據(jù)采集（DAQ）儀器采集燃具上方測(cè)量位置的聲壓強(qiáng)度分布，并由此計(jì)算出聲壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)工況如表2所示，聲壓級(jí)A到A逐步增大，其中聲壓級(jí)A對(duì)應(yīng)50 Hz熄火工況。

表2 層流預(yù)混燃具實(shí)驗(yàn)工況聲壓級(jí)Table 2 SPL of laminar premixed combustion conditions

圖2 丙酮/CH2O雙組分PLIF測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of acetone / CH2O PLIF system

丙酮PLIF的激發(fā)光源采用Nd:YAG激光器（Q-smart 850），輸出波長(zhǎng)為266 nm，激光最高能量、脈沖寬度和重頻分別為55 mJ、10 ns、10 Hz。CHO的激發(fā)光源也為Nd:YAG激光器（Innolas-Spitlight DPSS），輸出波長(zhǎng)為355 nm，激光最高能量、脈沖寬度和重頻分別為65 mJ、10 ns、10 Hz。2種激光經(jīng)過(guò)合束后通過(guò)由多個(gè)高反鏡、凹透鏡與凸透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，最終經(jīng)過(guò)層流預(yù)混燃具的上方，在燃具上方觀測(cè)區(qū)域匯聚成激光片光，激發(fā)流場(chǎng)中的丙酮和CHO（丙酮的混合體積分?jǐn)?shù)為1.3%）。片光的厚度和寬度分別約為0.5 mm、46.5 mm，片光下緣靠近圓管燃燒器管口。相機(jī)為2個(gè)GEV_B2020M型ICMOS相機(jī)（荷蘭Lambert公司），曝光門(mén)寬50 ns，增益800（總增益的2/3），采集頻率10 Hz。采用2個(gè)尼康50 mm定焦鏡頭分別拍攝丙酮和CHO，2個(gè)鏡頭前分別安裝窄帶濾波片：WG380（CHO）和Edmund 410/20（丙酮）。在PLIF實(shí)驗(yàn)中，采用DG645觸發(fā)ICCD相機(jī)，通過(guò)DG645設(shè)定拍攝啟動(dòng)時(shí)刻和曝光門(mén)寬，實(shí)現(xiàn)相機(jī)與激光器的嚴(yán)格同步，2個(gè)相機(jī)之間的延時(shí)為200 ns。

2 圖像處理算法

基于上述PLIF測(cè)量系統(tǒng)獲取到的丙酮LIF圖像，可以對(duì)未燃區(qū)抬舉高度和擴(kuò)散面積進(jìn)行定量計(jì)算。基于丙酮LIF累加圖像（圖3 （a）），進(jìn)行二值化閾值（取LIF信號(hào)最大值的0.9倍）處理（圖3 （b）），可以直觀地獲取未燃區(qū)抬舉高度H和擴(kuò)散面積S的參數(shù)信息。

圖3 未燃?xì)馓e高度H、擴(kuò)散面積S計(jì)算示意圖Fig.3 Schematic diagram of calculating the lifting height and diffusion area of premixed gas

3 結(jié)果與討論

3.1 LIF圖像形貌分析

在50和70 Hz聲波激勵(lì)下，利用丙酮/CHO雙組分LIF技術(shù)研究了不同聲壓級(jí)對(duì)層流預(yù)混火焰形貌的影響規(guī)律，如圖4所示。圖中，激勵(lì)聲波相位為60°，方向從左到右；綠色曲線對(duì)應(yīng)外圍CHOPLIF圖像；內(nèi)部紅色區(qū)域?qū)?yīng)丙酮-LIF圖像。可以看到，對(duì)于層流預(yù)混火焰，未燃區(qū)位于火焰內(nèi)部，預(yù)熱區(qū)緊靠未燃區(qū)，激勵(lì)聲波同時(shí)改變了未燃區(qū)和預(yù)熱區(qū)的分布，且隨著聲壓級(jí)的增大，火焰抬舉高度降低，擴(kuò)散面積減小。與50 Hz聲波激勵(lì)規(guī)律不同的是，隨著聲壓級(jí)的增大，在70 Hz聲波激勵(lì)下的未燃區(qū)抬舉高度和擴(kuò)散面積減小趨勢(shì)變?nèi)酢?/p>

圖4 不同激勵(lì)聲壓級(jí)下的丙酮/CH2O雙組分LIF圖像Fig.4 The single-shot acetone/CH2O LIF images at different excitation sound pressure levels.

對(duì)比研究了不同激勵(lì)聲波頻率對(duì)層流預(yù)混火焰形貌的影響（聲壓級(jí)124.1 dB，聲波相位為60°，方向從左到右），如圖5所示。可以看到，當(dāng)激勵(lì)聲波頻率從50 Hz增大到100 Hz時(shí)，未燃區(qū)抬舉高度升高，擴(kuò)散面積增大，丙酮-LIF圖像邊緣彎曲角度減小，湍流效應(yīng)減弱。

圖5 不同激勵(lì)聲波頻率下的丙酮/CH2O雙組分LIF圖像Fig.5 The single-shot acetone/CH2O LIF images at different excitation sound frequencies

圖6展示了不同激勵(lì)聲波相位下的丙酮/CHO雙組分LIF瞬態(tài)圖像，激勵(lì)聲波頻率分別為50和70 Hz，聲壓級(jí)為122.5 dB，聲波方向從左到右。由圖可知，激勵(lì)聲波同時(shí)改變了未燃區(qū)和預(yù)熱區(qū)的分布，且在同一激勵(lì)聲波頻率下呈現(xiàn)周期性變化。在50 Hz頻率下，相位60°、120°、180°的丙酮-LIF圖像總體朝左偏，相位240°、300°、360°時(shí)的丙酮-LIF圖像總體朝右偏；在70 Hz頻率下，不同相位下的火焰偏轉(zhuǎn)方向與50 Hz下的偏轉(zhuǎn)方向相反，例如相位60°、120°、180°的丙酮-LIF圖像總體朝右偏，這可能與不同聲波激勵(lì)下氣流脈動(dòng)對(duì)火焰形態(tài)的作用相關(guān)。

圖6 不同激勵(lì)聲波相位下的丙酮/CH2O雙組分LIF 圖像Fig.6 The single-shot acetone/CH2O LIF images at different excita-tion sound phases

3.2 LIF圖像定量分析

基于丙酮-LIF累加（50幀）圖像計(jì)算出了不同激勵(lì)聲波頻率、聲壓級(jí)下的預(yù)混燃?xì)馕慈紖^(qū)抬舉高度H和預(yù)混燃?xì)鈹U(kuò)散面積S，如圖7所示。由圖可知，在聲波頻率50 、70 和100 Hz下，隨著聲壓級(jí)的增大，未燃區(qū)抬舉高度H總體呈現(xiàn)非線性下降趨勢(shì)，先略有降低，然后大幅降低。在50 Hz下，降低趨勢(shì)最為明顯。不同頻率下的擴(kuò)散面積S隨聲壓級(jí)變化規(guī)律和未燃區(qū)抬舉高度隨聲壓級(jí)變化規(guī)律基本一致。

圖7 不同激勵(lì)聲波頻率、聲壓級(jí)下的預(yù)混燃?xì)馕慈紖^(qū)抬舉高度 H 和擴(kuò)散面積 SFig.7 Lifting height H and diffusion area S of premixed gas under different excitation sound frequencies and SPL

本文針對(duì)性分析了激勵(lì)聲波和燃燒火焰之間的關(guān)系，如圖8所示。激勵(lì)聲波對(duì)燃燒火焰可產(chǎn)生2種作用：橫向作用p和擴(kuò)散作用p。2種作用的效果表現(xiàn)在火焰結(jié)構(gòu)變化方面：p將會(huì)推動(dòng)氣流向一側(cè)流動(dòng)，導(dǎo)致未燃區(qū)抬舉高度降低，預(yù)混燃?xì)鈹U(kuò)散面積減小；p將會(huì)推動(dòng)預(yù)混燃?xì)鈹U(kuò)散，進(jìn)而促進(jìn)火焰燃燒。由圖8（b）可知，2種作用隨著聲波頻率的增大而呈非線性減小，但p變化斜率比p更大。從圖8（c）可以看到，2種作用隨著聲波聲壓級(jí)的增加而呈非線性增大。在低頻高聲壓級(jí)下，p作用占主導(dǎo)；在低頻低聲壓級(jí)和高頻條件下，p作用占主導(dǎo)。這也解釋了前文提及的隨著激勵(lì)聲波頻率減小和聲壓級(jí)增大，未燃區(qū)抬舉高度H降低和擴(kuò)散面積S減小。在激勵(lì)聲波50 Hz下，隨著聲壓級(jí)增大，H和S的下降趨勢(shì)比在70和100 Hz下明顯。

圖8 激勵(lì)聲波對(duì)層流預(yù)混燃燒火焰作用Fig.8 The interaction between acoustic wave and the laminar premixed combustion flame

3.3 聲波激勵(lì)層流火焰熄滅特性分析

圖9為在50 Hz、較高聲壓級(jí)（125.6 dB）條件下的丙酮/CHO雙組分PLIF瞬態(tài)圖像序列，圖中t代表激勵(lì)聲波開(kāi)始的時(shí)刻，聲波方向從左到右。由圖可知，在該聲壓級(jí)條件下，丙酮熒光信號(hào)僅出現(xiàn)在層流燃燒火焰根部，CHO-PLIF圖像出現(xiàn)部分?jǐn)嗔亚闆r（白色虛線圓圈標(biāo)記）。隨著時(shí)間的推進(jìn)，燃燒火焰出現(xiàn)振蕩。在t時(shí)刻，CHO-PLIF圖像結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破碎，有“局部熄滅”現(xiàn)象，但整體結(jié)構(gòu)較為閉合完整；在t+0.3 s時(shí)刻，圖像僅存在右邊半部；在t+0.6 s時(shí)刻，圖像閉合完整；此后在t+0.9 s時(shí)刻，圖像又出現(xiàn)破碎和殘缺。在t+3.0 s時(shí)刻，火焰形貌變得很小，直到t+3.3 s時(shí)刻，圖像中僅存在丙酮熒光信號(hào)，沒(méi)有CHO-PLIF信號(hào)，說(shuō)明此時(shí)層流預(yù)混火焰熄滅。

圖9 極限激勵(lì)聲波條件下的丙酮/CH2O雙組分PLIF瞬態(tài)圖像序列Fig.9 The single-shot acetone /CH2O PLIF images sequences under the limited excitation acoustic wave condition

對(duì)圖9中各時(shí)刻下的CHO-PLIF信號(hào)進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖10所示。由圖可知，t時(shí)刻前為無(wú)聲波激勵(lì)工況，在該條件下CHO-PLIF信號(hào)基本保持不變；隨著激勵(lì)聲波的添加，流場(chǎng)脈動(dòng)速度u′增大，流場(chǎng)Karlovitz （Ka）數(shù)（Ka=0.25（u/v）Re,Re=uL/ν，其中v為火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琑e為某雷諾數(shù)，L為某特征長(zhǎng)度，ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度）增大，燃燒火焰振蕩增強(qiáng)。當(dāng)聲波聲壓級(jí)增大到一定值時(shí)，總體速度u=u+u′（u為流場(chǎng)初始速度）將會(huì)大于燃燒火焰速度w，CHO-PLIF信號(hào)整體呈現(xiàn)振蕩下降趨勢(shì)，同時(shí)呈現(xiàn)火焰皺褶扭曲→局部熄火→重燃循環(huán)現(xiàn)象，直到層流燃燒火焰熄滅。

圖10 極限激勵(lì)聲波條件下的CH2O-PLIF信號(hào)累加統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.10 The accumulated CH2O-PLIF signal results of the singleshot acetone/CH2O PLIF images sequences under the limited excitation acoustic wave condition

4 結(jié) 論

本文利用丙酮/CHO雙組分PLIF技術(shù)對(duì)橫向聲波激勵(lì)層流預(yù)混火焰未燃區(qū)/預(yù)熱區(qū)結(jié)構(gòu)的變化開(kāi)展了研究，分析了激勵(lì)聲波參數(shù)（頻率、聲壓級(jí)和相位）對(duì)未燃?xì)馓e高度H和擴(kuò)散面積S的變化，利用丙酮/CHO-LIF系統(tǒng)獲取了典型聲波頻率、聲壓級(jí)下的層流火焰形貌演化過(guò)程，并分析了該典型工況下的火焰熄滅現(xiàn)象和機(jī)制。主要結(jié)論如下：

1）激勵(lì)聲波與層流燃燒火焰之間的相互作用隨著激勵(lì)聲波頻率的減小、聲壓級(jí)的增大而增強(qiáng)。未燃區(qū)抬舉高度H和擴(kuò)散面積S隨聲壓級(jí)的增大呈現(xiàn)非線性減小趨勢(shì)，在50 Hz頻率下的減小趨勢(shì)比70和100 Hz下的減小趨勢(shì)明顯。層流火焰形貌隨著激勵(lì)聲波相位的變化呈現(xiàn)周期性變化。

2）在50 Hz、較高聲壓級(jí)條件下，層流預(yù)混火焰在橫向聲波激勵(lì)下出現(xiàn)了局部熄火等現(xiàn)象。隨著時(shí)間的推進(jìn)，CHO-PLIF信號(hào)累加統(tǒng)計(jì)結(jié)果呈現(xiàn)振蕩減小的趨勢(shì)，層流預(yù)混火焰呈現(xiàn)振蕩燃燒過(guò)程，直到火焰熄滅。

未燃區(qū)/預(yù)熱區(qū)分布結(jié)果的獲取對(duì)于準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)層流/湍流燃燒火焰的基本形態(tài)和燃燒模式具有重要的意義，在基礎(chǔ)燃燒和工業(yè)研究中都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。尤其是對(duì)于丙酮-PLIF測(cè)量而言，如果能夠?qū)崿F(xiàn)丙酮LIF信號(hào)強(qiáng)度和預(yù)混燃?xì)猱?dāng)量比之間的定量標(biāo)定，定量獲取湍流燃?xì)猱?dāng)量比分布的信息，將有助于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒火焰結(jié)構(gòu)的定量描述和燃燒控制。