駐波聲場(chǎng)對(duì)層流火焰燃燒的影響

宋 強(qiáng)，聶萬(wàn)勝，王 輝，蘇凌宇，楊新壘

（航天工程大學(xué)，北京，101416）

0 引 言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，燃料液滴的蒸發(fā)燃燒是獲取推力的主要方式，但是液滴的不穩(wěn)定燃燒過(guò)程與聲學(xué)震蕩相耦合時(shí)就會(huì)產(chǎn)生自激震蕩，其中流動(dòng)與混合過(guò)程的擾動(dòng)導(dǎo)致了熱釋放率的振動(dòng)，熱釋放率的振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生聲音的振動(dòng)，反過(guò)來(lái)聲壓的振動(dòng)又會(huì)重新造成流場(chǎng)參數(shù)的改變[1]，形成不穩(wěn)定燃燒的閉合反饋。聲與火焰的耦合，將影響蒸發(fā)燃燒過(guò)程，因此研究火焰與聲波的耦合很有意義。

Duvvur[2]和 Ha[3]采用數(shù)值模擬揭示了聲音可以替代流動(dòng)，闡明聲場(chǎng)對(duì)液滴蒸發(fā)過(guò)程產(chǎn)生影響；Umemura[4]把聲音作為壓力震蕩并且闡明聲波對(duì)蒸發(fā)穩(wěn)定性的影響；Sujith[5]等在密閉聲波導(dǎo)管中利用揚(yáng)聲器產(chǎn)生小幅聲場(chǎng)振蕩，研究了軸向聲場(chǎng)振蕩對(duì)煤油液滴蒸發(fā)燃燒過(guò)程的影響；甄麗[6]采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了圓柱形空間內(nèi)的聲波對(duì)燃燒火焰穩(wěn)定性的影響，找到了引起燃燒火焰不穩(wěn)定的聲波頻率和聲壓級(jí)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)駐波聲場(chǎng)中的聲音流對(duì)液滴蒸發(fā)燃燒的影響占主導(dǎo)，Mitsuaki[7]提出在駐波聲場(chǎng)中存在一種類似于自然對(duì)流的聲輻射流動(dòng)，控制著火焰的形狀和燃燒率；此外，多數(shù)研究中為了簡(jiǎn)化常常針對(duì)預(yù)混燃燒；曹紅加[8]等研究了層流預(yù)混火焰的燃燒不穩(wěn)性，提出聲波擾動(dòng)時(shí)層流預(yù)混火焰表面溫度脈動(dòng)的簡(jiǎn)化模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明預(yù)混火焰表面溫度隨著聲波擾動(dòng)的頻率脈動(dòng)；張?jiān)椒錥9]獲取了聲場(chǎng)激勵(lì)下的脈動(dòng)預(yù)混燃燒火焰的動(dòng)態(tài)溫度序列，得出火焰溫度的低頻脈動(dòng)頻率分布；李祥晟[10]等對(duì)貧油預(yù)混燃燒室的燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值研究，指出貧焰燃燒可以使氮氧化物的排放量降低，并且會(huì)受到燃燒穩(wěn)定性的影響，因?yàn)樨氂皖A(yù)混燃燒有較大的動(dòng)態(tài)范圍，可以促進(jìn)壓力振蕩和火焰熱釋放波動(dòng)的耦合，導(dǎo)致了持續(xù)的大幅度振蕩的熱聲流。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際屬于擴(kuò)散燃燒，而針對(duì)擴(kuò)散燃燒過(guò)程的研究較少，Dattarajan[11]等對(duì)密閉聲波導(dǎo)管中單個(gè)聲學(xué)激勵(lì)的甲醇液滴在微重力和正常重力條件下的燃燒特征開展了研究，提出一種新型的液滴懸掛方法，并且指出在微重力情況下液滴在聲壓波節(jié)處燃燒時(shí)，液滴燃燒率增加了200%，聲場(chǎng)影響了火焰結(jié)構(gòu)和燃燒率；Saito[12]等提出駐波聲場(chǎng)頻率小于100 Hz，聲壓級(jí)在高于90 dB時(shí)，測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)在有聲場(chǎng)擾動(dòng)的火焰溫度較無(wú)聲場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)高出673～1073 K，得出聲場(chǎng)促進(jìn)了火焰和環(huán)境介質(zhì)的混合，增強(qiáng)了傳熱傳質(zhì)。但聲場(chǎng)作用機(jī)制仍不清晰。現(xiàn)有結(jié)果表明，聲場(chǎng)促進(jìn)了液滴的蒸發(fā)與燃燒，但具體促進(jìn)機(jī)理尚不明確。

本文實(shí)驗(yàn)研究了駐波聲場(chǎng)強(qiáng)度、位置對(duì)層流擴(kuò)散火焰（酒精燈）的影響，以進(jìn)一步明確駐波聲場(chǎng)對(duì)層流擴(kuò)散火焰的影響，提出聲音流促進(jìn)燃燒的機(jī)制，對(duì)進(jìn)一步揭示熱聲不穩(wěn)定現(xiàn)象機(jī)理具有重要意義。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

駐波聲場(chǎng)對(duì)火焰燃燒影響的試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組合如圖1所示。系統(tǒng)包括產(chǎn)生駐波聲場(chǎng)的揚(yáng)聲器系統(tǒng)和高速攝影成像系統(tǒng)。聲信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器放大后傳至揚(yáng)聲器發(fā)出聲波，兩列聲波進(jìn)行疊加產(chǎn)生駐波聲場(chǎng)，經(jīng)過(guò)高速攝影成像系統(tǒng)拍攝之后傳回電腦觀察處于聲場(chǎng)不同位置時(shí)的火焰燃燒進(jìn)程，揚(yáng)聲器系統(tǒng)放置于水平刻度尺上。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of Experimental System

將揚(yáng)聲器距離設(shè)置為一個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中不斷調(diào)節(jié)火焰的位置，并采用高速攝影對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行拍攝，極易觀察火焰對(duì)壓力震蕩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在常溫常壓的環(huán)境下?lián)P聲器發(fā)出頻率為1000 Hz的聲波，并對(duì)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲頻率進(jìn)行校核，頻譜分析如圖2所示，校核結(jié)果顯示發(fā)聲頻率準(zhǔn)確。

本試驗(yàn)采用激光紋影技術(shù)，可清晰地觀察到火焰內(nèi)部的密度梯度分布。本文主要研究火焰對(duì)駐波聲場(chǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，基于光學(xué)顯示的陰影法，可捕捉到密度梯度的變化，所采用的陰影法雖然不能準(zhǔn)確對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行定量分析，但可以很容易地觀察到壓力震蕩環(huán)境下火焰形態(tài)變化及火焰整體的傳質(zhì)過(guò)程，對(duì)所得陰影圖像進(jìn)行處理，對(duì)于定性分析駐波聲場(chǎng)對(duì)火焰燃燒的影響幫助很大。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 駐波聲場(chǎng)對(duì)不同位置的火焰燃燒影響

火焰處于聲場(chǎng)不同位置時(shí)的火焰形態(tài)如圖3所示。

圖3 火焰偏移結(jié)果示意Fig.3 Schematic of Flame Migration Results

由圖3可以看出，處于壓力波腹和壓力波節(jié)之間的火焰發(fā)生指向壓力波腹的偏轉(zhuǎn)，沿著壓力波節(jié)至壓力波腹的方向上火焰偏移角度減小，處于壓力波腹處時(shí)，火焰偏轉(zhuǎn)角度為零。

由圖3還可知，駐波聲場(chǎng)中存在一種聲輻射壓力，使火焰發(fā)生偏轉(zhuǎn)，Mitsuaki[7]等首先提出了在駐波聲場(chǎng)中存在一種類似于自然對(duì)流的聲輻射流動(dòng)。這種聲輻射流動(dòng)是在駐波聲場(chǎng)中燃?xì)馀c環(huán)境氣體的密度差和駐波聲場(chǎng)的速度脈動(dòng)共同引起的聲輻射壓力導(dǎo)致的。

式中 V為燃?xì)獾捏w積；aρ，fρ分別為環(huán)境氣體密度和燃?xì)獾拿芏?；為脈動(dòng)速度平方的梯度。

在沿著壓力波節(jié)至壓力波腹的方向上，流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)速度逐漸減小，速度平方梯度為負(fù)值，并且燃?xì)饷芏鹊陀诃h(huán)境介質(zhì)，因此會(huì)產(chǎn)生由壓力波節(jié)指向壓力波腹的聲輻射壓力，使火焰發(fā)生指向壓力波腹的偏轉(zhuǎn)。并且越靠近壓力波節(jié)的位置火焰偏移角度越大，伴隨著上下跳動(dòng)的現(xiàn)象，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒的特性，直至壓力波腹處時(shí)，如火焰處于波節(jié)位置170 mm時(shí)，火焰所受到的聲輻射力消失，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，火焰的偏移角度呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖 4 火焰偏移角度示意Fig.4 Schematic of Flame Migration Results

2.2 駐波聲場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)火焰燃燒的影響

不同聲場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)火焰的影響如圖 5所示。由圖 5可知，從左至右的4組試驗(yàn)中揚(yáng)聲器發(fā)聲的分貝數(shù)依次為0 dB、120 dB、124 dB和128 dB，并且火焰相對(duì)于聲場(chǎng)處于同一位置。

圖5 火焰偏移結(jié)果示意Fig.5 Schematic of Flame Migration Results

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)聲場(chǎng)的聲壓級(jí)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，火焰形態(tài)才會(huì)發(fā)生一定角度的偏移。將火焰放置于壓力波腹和壓力波節(jié)之間，通過(guò)調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音強(qiáng)度并進(jìn)行觀察，第1組試驗(yàn)中火焰無(wú)變化，沒(méi)有發(fā)生指向壓力波腹的偏移，同時(shí)沒(méi)有被壓縮；第 2組試驗(yàn)中火焰被輕微壓縮，無(wú)偏移；第 3組試驗(yàn)中火焰被較大程度壓縮，無(wú)偏移；第4組中火焰發(fā)生了偏移，說(shuō)明只有當(dāng)聲場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)駐波聲場(chǎng)才會(huì)影響火焰的燃燒進(jìn)程。

2.3 聲場(chǎng)對(duì)火焰燃燒進(jìn)程的影響

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)越靠近壓力波節(jié)處的火焰，燃燒越劇烈?；鹧嫔舷绿鴦?dòng)，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒的特性，因此取試驗(yàn)中最靠近壓力波節(jié)位置處的火焰進(jìn)行分析。圖6給出了在駐波聲場(chǎng)中火焰隨著時(shí)間的燃燒形態(tài)變化。

圖6 火焰燃燒進(jìn)程示意Fig.6 Schematic of Flame Combustion Process

由圖6可知，聲場(chǎng)剛出現(xiàn)時(shí)，在聲壓作用下火焰整體被壓縮，外焰內(nèi)焰及蒸氣區(qū)體積變小，呈現(xiàn)出如圖6b所示的變化。聲輻射壓力使火焰逐漸發(fā)生指向壓力波腹的偏轉(zhuǎn)，逐漸偏轉(zhuǎn)至最大角度，并趨于穩(wěn)定偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖6c所示。之后火焰上下跳動(dòng)，整體呈現(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒的現(xiàn)象，如圖6d所示。關(guān)閉駐波聲場(chǎng)后，聲輻射壓力消失，火焰形態(tài)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，如圖6e所示。

可見光條件下觀測(cè)結(jié)果無(wú)法反映火焰內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，很難解釋不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，并且未有文獻(xiàn)提出過(guò)這一現(xiàn)象。由于無(wú)法觀測(cè)火焰的燃燒狀態(tài)，因此采用激光紋影觀測(cè)方法對(duì)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行研究。

取同樣位置的火焰通過(guò)紋影拍攝如圖7所示，紋影觀察出駐波聲場(chǎng)中層流火焰內(nèi)部的蒸氣存在密度梯度，呈現(xiàn)明亮交替的條紋，并且蒸氣為層流流動(dòng)，如圖7a所示。

駐波聲場(chǎng)開啟后，產(chǎn)生了指向壓力波腹的聲輻射壓力，最靠近壓力波節(jié)的蒸氣區(qū)域首先受力發(fā)生了偏向壓力波腹的移動(dòng)，并且?guī)?dòng)鄰近的蒸氣層流區(qū)域偏轉(zhuǎn)，如圖7b所示；燃燒過(guò)程中蒸氣在向外焰層流流動(dòng)的同時(shí)受到聲輻射壓力，即在聲輻射壓力的方向受到了擾動(dòng)，因此蒸氣區(qū)呈現(xiàn)震蕩的波形，波形沿蒸氣層流的方向傳遞，如圖7c所示；之后火焰發(fā)生偏移并逐漸增大至最大偏轉(zhuǎn)角，趨于穩(wěn)定偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖7d和7e所示。當(dāng)未開啟駐波聲場(chǎng)即火焰處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，蒸氣燃燒消耗周圍的環(huán)境介質(zhì)氧氣，并且燃料蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸氣量大于燃燒的消耗量，形成穩(wěn)定的蒸氣區(qū)，火焰受到聲場(chǎng)擾動(dòng)之后，附近的空氣流動(dòng)速度增加，為燃燒提供了充足的氧氣，促進(jìn)了蒸氣與環(huán)境介質(zhì)的混合，加速蒸氣的消耗。在穩(wěn)定偏轉(zhuǎn)一定時(shí)間之后，蒸氣區(qū)的消耗率增大，導(dǎo)致穩(wěn)定的蒸氣區(qū)與環(huán)境介質(zhì)在火焰根部燃燒產(chǎn)生低密度燃?xì)夂蜔?，增?qiáng)了熱對(duì)流，在向上對(duì)流時(shí)對(duì)穩(wěn)定偏轉(zhuǎn)的蒸氣造成擾動(dòng)，火焰形態(tài)呈現(xiàn)出如圖7f所示的變化。

圖7 火焰偏轉(zhuǎn)過(guò)程示意Fig.7 Schematic of Flame Migration Results

由于試驗(yàn)狀態(tài)為重力環(huán)境，并且駐波聲場(chǎng)促進(jìn)了火焰與環(huán)境氧氣的混合，加速了燃料的消耗，所以產(chǎn)生的低密度燃?xì)夂蜔崃烤鸵蛏蠈?duì)流，流動(dòng)的同時(shí)會(huì)對(duì)穩(wěn)定偏移的火焰產(chǎn)生向上的擾動(dòng)?；鹧嬲鹗庍^(guò)程如圖8所示。

圖8 火焰震蕩過(guò)程示意Fig.8 Schematic of Flame Oscillation Process

如圖8a所示，當(dāng)時(shí)間t=7.35 s時(shí)，火焰根部燃?xì)忾L(zhǎng)度為 L1，層流蒸氣偏轉(zhuǎn)位置如圖中箭頭所示，駐波聲場(chǎng)促進(jìn)燃燒的同時(shí)，穩(wěn)定的蒸氣區(qū)加速消耗產(chǎn)生大量的燃?xì)猓M(jìn)而層流蒸氣受到向上的擾動(dòng)；當(dāng)t=7.36 s時(shí)，蒸氣和波峰受到擾動(dòng)進(jìn)而向上波動(dòng)，并且低密度燃?xì)庠谥饾u越過(guò)火焰根部的過(guò)程中，火焰會(huì)發(fā)生分離現(xiàn)象，出現(xiàn)裂隙，L1長(zhǎng)度變短，如圖8b）所示。燃?xì)饫^續(xù)向上流動(dòng)，外側(cè)燃?xì)饬严毒嚯x逐漸增加，蒸氣向上波動(dòng)，如圖8c～e所示。燃?xì)馔耆竭^(guò)層流蒸氣后，對(duì)蒸氣產(chǎn)生的擾動(dòng)消失，層流蒸氣又回到原來(lái)穩(wěn)定的偏轉(zhuǎn)位置，因此形成周期的振蕩，同時(shí)帶動(dòng)振蕩的波形向上傳遞。

由于駐波聲場(chǎng)使火焰周圍的氣相場(chǎng)密度發(fā)生周期性變化，環(huán)境介質(zhì)密度變化較快，促進(jìn)了蒸氣的消耗，因此低密度燃?xì)夂痛罅康臒峋蜁?huì)不斷產(chǎn)生，燃?xì)庠谙蛏蠈?duì)流不斷向上補(bǔ)充，導(dǎo)致L1長(zhǎng)度增加，就會(huì)再次向上流動(dòng)對(duì)層流造成擾動(dòng)，層流蒸氣受到擾動(dòng)后向上波動(dòng)并且燃?xì)獍l(fā)生分離現(xiàn)象，在完全越過(guò)蒸氣區(qū)域后對(duì)蒸氣的擾動(dòng)消失，層流蒸氣又會(huì)恢復(fù)至穩(wěn)定的偏轉(zhuǎn)位置，所以整個(gè)過(guò)程就會(huì)對(duì)火焰整體產(chǎn)生持續(xù)的震蕩，不斷產(chǎn)生震蕩的波形向上傳遞，層流流動(dòng)變成湍流流動(dòng)，火焰重復(fù)如圖8f～i所示的燃燒過(guò)程。燃?xì)獾牟粩喈a(chǎn)生并且在向上對(duì)流時(shí)向外焰補(bǔ)充時(shí)導(dǎo)致火焰上下跳動(dòng)，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒的現(xiàn)象。因此駐波聲場(chǎng)影響了火焰的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，駐波聲場(chǎng)消失時(shí)，聲輻射力消失，火焰恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

3 結(jié) 論

通過(guò)駐波聲場(chǎng)對(duì)火焰燃燒影響的研究中，得出火焰對(duì)駐波聲場(chǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析討論，結(jié)論如下：

a）駐波聲場(chǎng)中存在一種聲輻射流動(dòng)，由壓力波節(jié)指向臨近的壓力波腹，并且控制著處于其中的火焰燃燒進(jìn)程，越靠近壓力波節(jié)的火焰，內(nèi)部的傳質(zhì)傳熱過(guò)程越劇烈，沿著壓力波節(jié)至壓力波腹的方向火焰的偏轉(zhuǎn)角度逐漸減少，直至處于壓力波腹處的火焰不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，聲輻射流動(dòng)消失。

b）駐波聲場(chǎng)促進(jìn)了火焰的燃燒，產(chǎn)生的聲輻射壓力促進(jìn)了火焰蒸氣與環(huán)境介質(zhì)的混合，最靠近壓力波節(jié)的蒸氣區(qū)先發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且?guī)?dòng)鄰近的蒸氣發(fā)生偏轉(zhuǎn)，穩(wěn)定偏轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，蒸氣區(qū)消耗量加快，燃燒產(chǎn)生低密度燃?xì)鈱?duì)火焰產(chǎn)生擾動(dòng)，使蒸氣發(fā)生持續(xù)的震蕩，層流流動(dòng)變成了湍流流動(dòng)。聲場(chǎng)消失時(shí)，火焰恢復(fù)原狀。因此得出駐波聲場(chǎng)影響了燃燒的傳質(zhì)傳熱過(guò)程，在總體上促進(jìn)了火焰的燃燒，并且靠近壓力波節(jié)處的火焰燃燒越劇烈，并伴有上下跳動(dòng)的現(xiàn)象，火焰呈現(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒的現(xiàn)象。

c）駐波聲場(chǎng)的聲場(chǎng)強(qiáng)度要達(dá)到一定數(shù)值時(shí)才會(huì)影響火焰的燃燒進(jìn)程。