強(qiáng)聲激勵(lì)下旋流火焰周期性流動(dòng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究

劉訓(xùn)臣, 王國情

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240)

0 引 言

旋流燃燒是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中重要的燃燒組織方式，基于貧燃燃燒技術(shù)的旋流燃燒被廣泛用于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx等污染物排放[1-2]。然而貧燃旋流燃燒容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)熱聲不穩(wěn)定問題，熱聲振蕩會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部壓力的劇烈波動(dòng)，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命甚至直接破壞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。研究聲波作用下旋流流動(dòng)的特征結(jié)構(gòu)和旋流火焰的響應(yīng)特性對(duì)于理解熱聲作用機(jī)理、抑制熱聲振蕩至關(guān)重要[3-7]。

實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)生熱聲振蕩時(shí)，振蕩幅值會(huì)不斷發(fā)展放大，最終振蕩幅值會(huì)發(fā)展到極限環(huán)狀態(tài)[8]，此時(shí)熱聲系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)熱釋放向聲波輸入的能量和聲波損耗的能量達(dá)到了平衡。在達(dá)到極限環(huán)狀態(tài)時(shí)，火焰的熱釋放脈動(dòng)常常進(jìn)入了非線性區(qū)域，即此時(shí)聲波的波動(dòng)幅值和熱釋放波動(dòng)幅值之間不再呈現(xiàn)線性關(guān)系。在前人的研究中，由流體不穩(wěn)定性或聲擾動(dòng)引起的大尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)，已被證明會(huì)對(duì)旋流和火焰響應(yīng)產(chǎn)生重要影響[9]。Bellows等[3,10]發(fā)現(xiàn)火焰熱釋放脈動(dòng)在速度波動(dòng)幅值超過20%平均速度時(shí)便會(huì)出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，在波動(dòng)幅值達(dá)到30%～40%的平均速度時(shí)火焰熱釋放便呈現(xiàn)出飽和現(xiàn)象，這種非線性現(xiàn)象與渦對(duì)火焰面的卷曲和火焰前沿的舉升有關(guān)。Palies等[4,11]研究了速度波動(dòng)幅值為平均速度0.2～0.7倍的旋流預(yù)混火焰的傳遞函數(shù)，發(fā)現(xiàn)旋流數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致的火焰根部角度脈動(dòng)和聲波誘導(dǎo)渦環(huán)導(dǎo)致的火焰尖端卷曲是導(dǎo)致火焰熱釋放非線性變化的關(guān)鍵機(jī)制?？梢姡趶?qiáng)聲激勵(lì)旋流燃燒中，流動(dòng)結(jié)構(gòu)會(huì)引起火焰熱釋放脈動(dòng)的非線性變換。前人對(duì)較小至中等速度波動(dòng)下的旋流火焰響應(yīng)函數(shù)研究比較充分，但在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，熱聲振蕩普遍具有非線性特征和飽和現(xiàn)象，因此研究極端條件下大振幅速度波動(dòng)引起的火焰響應(yīng)具有一定理論意義，并可以對(duì)實(shí)際應(yīng)用起到指導(dǎo)和修正作用。

速度波動(dòng)的周期性特點(diǎn)決定了聲波擾動(dòng)下的旋流流場具有典型非定常特征，研究聲激勵(lì)旋流燃燒流場的動(dòng)態(tài)特征需要能夠在小于毫秒量級(jí)的時(shí)間分辨率上對(duì)流場進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。在過去，穩(wěn)定性分析已用于預(yù)測(cè)無激勵(lì)旋流射流流場中的不同旋流模式，軸向和周向剪切層的相對(duì)位置和厚度會(huì)影響旋流流場的主要流動(dòng)模式[12-15]。Huang等[16]研究了聲激勵(lì)下的同心旋流射流，發(fā)現(xiàn)在弱聲激勵(lì)下旋流流動(dòng)中渦環(huán)結(jié)構(gòu)便可能出現(xiàn)。Palies等[17]發(fā)現(xiàn)只有具有足夠大小和強(qiáng)度的旋流才能與火焰表面相互作用。然而這些工作主要是根據(jù)低速的實(shí)驗(yàn)測(cè)量或模擬得到。最近，Wang等[18]利用高重復(fù)頻率脈沖串式激光器對(duì)單旋流火焰進(jìn)行了20 kHz的高速測(cè)量，得到了不同火焰壁面限制條件下旋流火焰流場動(dòng)態(tài)特征。由于瞬態(tài)流場中存在許多隨機(jī)的湍流渦結(jié)構(gòu)，仍缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)旋流流場結(jié)構(gòu)的定量精細(xì)分析。

本文利用高重復(fù)頻率脈沖串式激光器對(duì)周期性聲波擾動(dòng)下的旋流流場進(jìn)行研究。高重復(fù)頻率脈沖串式激光器在研究動(dòng)態(tài)流動(dòng)和火焰相互作用中有明顯優(yōu)勢(shì)，可以方便地觀測(cè)到動(dòng)態(tài)流場的連續(xù)演變過程。本文采用50 kHz的高速粒子示蹤技術(shù)測(cè)量流場。為了理解聲波激勵(lì)非常強(qiáng)情況下的流場，選擇速度波動(dòng)幅值達(dá)到平均速度80%的強(qiáng)聲波激勵(lì)，并對(duì)流場進(jìn)行多次重復(fù)性測(cè)量，以消除流場中的湍流隨機(jī)結(jié)構(gòu)，而保留流場中固有渦結(jié)構(gòu)信息，提取出強(qiáng)聲激勵(lì)下固有渦結(jié)構(gòu)的軌跡、渦量、環(huán)量、尺寸等信息，并對(duì)這些固有渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以幫助理解強(qiáng)聲波激勵(lì)下流場的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)采用高速自發(fā)光技術(shù)測(cè)量火焰結(jié)構(gòu)，得到流場與火焰結(jié)構(gòu)的相互作用信息。

1 實(shí)驗(yàn)方法

貧燃旋流預(yù)混火焰在圖1(a)所示的開放單級(jí)旋流燃燒器上獲得。燃料(甲烷)和氧化劑(空氣)流量由2個(gè)質(zhì)量流量控制器分別控制，以得到設(shè)定的總流量50 L/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))和當(dāng)量比0.8，隨后氣體經(jīng)過2 m長的摻混管道充分混合后進(jìn)入旋流燃燒器，經(jīng)過4 mm石英珠堆積段和蜂窩板后進(jìn)入收縮段，氣流中的大尺度渦結(jié)構(gòu)被抑制，穩(wěn)定的氣流經(jīng)過軸向旋流發(fā)生器產(chǎn)生旋流流動(dòng)，對(duì)應(yīng)的旋流數(shù)約為0.6。旋流氣流流出噴嘴后隨即燃燒，一個(gè)倒錐形鈍體被放置在噴嘴的末端，以增強(qiáng)火焰的穩(wěn)定性。燃燒器噴嘴出口是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑和外徑分別為10和20 mm。為研究外部激勵(lì)下火焰動(dòng)態(tài)特性，旋流燃燒器底部安裝有一個(gè)揚(yáng)聲器。函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率和幅值的正弦信號(hào)，經(jīng)過功率放大器放大后輸入揚(yáng)聲器，以產(chǎn)生正弦形式聲波。聲波沿旋流發(fā)生器傳播到旋流火焰，對(duì)火焰產(chǎn)生擾動(dòng)，從而模擬熱聲振蕩條件下聲波和火焰的相互作用。揚(yáng)聲器對(duì)氣流的擾動(dòng)幅值由旋流發(fā)生器上游的熱線風(fēng)速儀監(jiān)測(cè)，熱線風(fēng)速儀的響應(yīng)頻率為10 kHz。

圖1(b)給出了測(cè)量高時(shí)間分辨率流場的粒子示蹤技術(shù)(PIV)系統(tǒng)原理。PIV系統(tǒng)由高重復(fù)頻率的脈沖串式Nd：YAG激光器(Spectral Energies，QuasiModo1000)和高速攝像機(jī)(Photron SA-Z)組成，拍攝幀頻為50 kHz。脈沖串激光的532 nm二倍頻輸出的單脈沖脈寬為10 ns，脈沖串時(shí)間長度為10 ms，能量約為200 mJ。在旋流氣流中布撒直徑約1.0 μm的氧化鋁顆粒作為示蹤粒子，在532 nm激光的照射下，裝有尼康鏡頭(Nikkor 50 mm f/1.4G)和窄帶通濾光片(Edmund Optics 532/10 nm)的PIV相機(jī)以50 kHz頻率記錄粒子的米散射圖像?？删幊潭〞r(shí)單元(Lavision PTU-X)同步激光、相機(jī)和聲波之間的時(shí)序。本實(shí)驗(yàn)中采用的脈沖串激光持續(xù)10 ms，可測(cè)量得到500幀原始PIV粒子圖像，隨后使用多遍互相關(guān)算法由Davis 8.0軟件包對(duì)其進(jìn)行處理。最終得到的速度場分辨率為0.62 mm/point，速度和渦度測(cè)量的不確定度分別為±3%和±5%。此外，為了捕獲旋流火焰鋒面的動(dòng)態(tài)特征，還使用一臺(tái)帶有增強(qiáng)器(Lambert HiCATT)和窄帶通濾光片(Edmund Optics，430/10 nm)的高速相機(jī)(Phantom v2012)記錄了激發(fā)態(tài)CH*自由基的化學(xué)發(fā)光，CH*圖像的空間分辨率為0.072 mm/pixel。為了保證持續(xù)時(shí)間為10 ms的激光脈沖串能夠覆蓋一個(gè)完整的聲學(xué)激勵(lì)周期，揚(yáng)聲器的激勵(lì)頻率為120 Hz，對(duì)應(yīng)聲波的周期為8.33 ms。

圖1 旋流燃燒器和激光診斷系統(tǒng)原理圖

2 結(jié)果與討論

圖2 在f=120 Hz和條件下熱線風(fēng)速儀測(cè)量的聲激勵(lì)擾動(dòng)的速度

圖3對(duì)比了無激勵(lì)情況下和強(qiáng)聲激勵(lì)下時(shí)間平均的流場特征。在不同激勵(lì)條件下，旋流火焰流場均有顯著的內(nèi)剪切層(Inner shear layer，ISL)和外剪切層(Outer shear layer，OSL)，內(nèi)剪切層起始于鈍體的邊緣r=5 mm處，外剪切層起始于噴嘴出口的外唇緣r=10 mm處，由于燃燒具有高溫升和氣體膨脹效應(yīng)，使得內(nèi)剪切層和外剪切層均向遠(yuǎn)離中軸線的區(qū)域發(fā)展。在無激勵(lì)旋流流場中，外剪切層強(qiáng)度強(qiáng)于內(nèi)剪切層。在強(qiáng)聲激勵(lì)火焰中，平均流場中外剪切層強(qiáng)度減弱，而內(nèi)剪切層強(qiáng)度略微增強(qiáng)，聲激勵(lì)對(duì)流動(dòng)速度的擾動(dòng)導(dǎo)致了時(shí)均流場中渦量更為分散。此外，圖3(b)中還可以在鈍體上方觀察到一個(gè)渦量符號(hào)和鄰近內(nèi)剪切層相反的區(qū)域，該區(qū)域是鈍體上方的尾流區(qū)域，并會(huì)受到內(nèi)剪切層渦結(jié)構(gòu)的影響[19]。

圖3 甲烷/空氣旋流火焰在和條件下的時(shí)間平均流場和渦量場

為了認(rèn)識(shí)強(qiáng)激勵(lì)旋流流場的速度波動(dòng)特征，圖4給出了受激火焰速度場的均方根分布?？梢钥闯?軸向速度波動(dòng)主要分布在旋流噴嘴出口位置，上游來流的速度波動(dòng)直接導(dǎo)致了出口處的軸向速度波動(dòng)，流動(dòng)的剪切作用導(dǎo)致外剪切層外側(cè)分布著2條帶狀軸向速度波動(dòng)區(qū)，內(nèi)剪切層內(nèi)部回流區(qū)中也存在著明顯的速度波動(dòng)區(qū)域。徑向速度波動(dòng)的均方根值在中心區(qū)域較小，主要分布在半徑大于10 mm的外剪切層以外區(qū)域，這表明徑向速度波動(dòng)并不是由上游速度變化直接引起的，而是由出口軸向速度波動(dòng)通過剪切作用傳遞到了外圍區(qū)域。此外，渦量的均方根分布也在圖4(c)中給出，可以看出,渦量的波動(dòng)區(qū)域和圖3中的內(nèi)外剪切層分布區(qū)域一致，內(nèi)外剪切層中間的渦量均方根值較小。而且外剪切層中渦量的波動(dòng)強(qiáng)度顯著大于內(nèi)剪切層中渦量波動(dòng)強(qiáng)度，說明外剪切層中渦量變化對(duì)旋流燃燒的影響更為關(guān)鍵。平均流場和速度波動(dòng)表明強(qiáng)激勵(lì)旋流流場的動(dòng)態(tài)變化非常重要，下面將進(jìn)一步分析隨時(shí)間演變的旋流流場特征。

圖4 甲烷/空氣旋流火焰在條件下軸向速度、水平速度和渦量的均方根分布

圖5給出了隨著相位演變的強(qiáng)聲激勵(lì)旋流預(yù)混火焰的流場特征，火焰CH*自發(fā)光信號(hào)最大值的40%和80%等值線也在圖中給出用以表征旋流火焰鋒面，相位0°對(duì)應(yīng)著火焰熱釋放最小值?？梢钥闯?，相平均流場和時(shí)間平均流場差別巨大，整個(gè)流場展現(xiàn)出強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)變化。在相平均流場中，外剪切層中出現(xiàn)了由速度波動(dòng)誘導(dǎo)的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，稱為“聲誘導(dǎo)渦”。聲誘導(dǎo)渦在相位288°開始出現(xiàn)并逐漸增強(qiáng)，在相位0°時(shí)開始脫離出口平面向下游移動(dòng)，在聲誘導(dǎo)渦移動(dòng)過程中，其強(qiáng)度和尺寸會(huì)先逐步增大，最后在180°相位后逐步減弱。從火焰鋒面和聲誘導(dǎo)渦的相對(duì)位置可看出，聲誘導(dǎo)渦對(duì)火焰鋒面的動(dòng)態(tài)變化起到了非常重要的作用，在72°～180°相位區(qū)間中，聲誘導(dǎo)渦強(qiáng)度大，同火焰鋒面距離近，使得火焰鋒面發(fā)生了顯著的卷曲效應(yīng)，這種效應(yīng)使得火焰尖端部分的面積大大增大，從而增強(qiáng)了火焰的熱釋放速率。相較于外剪切層中的聲誘導(dǎo)渦，內(nèi)剪切層中的渦量強(qiáng)度更弱，在324°到144°的相位區(qū)間內(nèi)可以觀測(cè)到較為明顯的渦特征，但內(nèi)剪切層的渦量主要分布在一個(gè)狹長區(qū)域中。圖中還可以看出，內(nèi)剪切層與火焰底部熱釋放區(qū)域重合，對(duì)火焰底部的動(dòng)態(tài)特性具有重要影響。此外，在內(nèi)剪切層渦量較強(qiáng)的相位區(qū)間范圍內(nèi)(36°～216°)，中軸線處可以觀察到方向同鄰近內(nèi)剪切層渦量相反的渦量生成，盡管這部分渦量特征較為微弱。

為了詳細(xì)研究強(qiáng)聲激勵(lì)旋流火焰的流場特征，將距離噴嘴出口5、10、15、20和25 mm高度處的徑向和軸向速度提取出來進(jìn)行分析。圖6所示為2個(gè)聲波激勵(lì)周期內(nèi)的速度動(dòng)態(tài)變化。在半徑小于25 mm的范圍內(nèi)，徑向速度主要分布在半徑約為10 mm的位置，隨著距離噴嘴出口的高度增加，徑向速度分布區(qū)域也逐漸增大，在高度20 mm以上的中軸線區(qū)域也出現(xiàn)了顯著的徑向速度。圖7中給出了高度5 mm處速度隨時(shí)間和半徑的分布曲線。在中軸線r=0 mm處，徑向速度隨時(shí)間變化非常微弱，在半徑r=10 mm處徑向速度在聲激勵(lì)周期內(nèi)大多數(shù)時(shí)間僅具有很小的速度值，但在特定的t/T=0.94處具有較大的速度幅值，可見絕對(duì)值較大的徑向速度分布在距離噴嘴出口較近的區(qū)域，隨著時(shí)間變化，出口附近的徑向速度波動(dòng)具有脈沖式分布的特點(diǎn)，而非正弦形式的波動(dòng)。根據(jù)圖5中周期性旋流流場結(jié)構(gòu)可知，徑向速度幅值的周期性增大主要是由聲誘導(dǎo)渦所致，在聲誘導(dǎo)渦經(jīng)過某一高度的區(qū)域時(shí)，渦的輸運(yùn)作用使得此處的徑向速度顯著增大，而在某一高度觀測(cè)，聲誘導(dǎo)渦僅在每個(gè)周期中的小部分時(shí)間經(jīng)過，而其他大部分時(shí)間內(nèi)徑向速度幅值很小。

圖5 甲烷/空氣旋流火焰在f=120 Hz和條件下的相平均流場和火焰面等值線，黑色和紅色等值線分別代表最大CH*自發(fā)光強(qiáng)度的0.4和0.8倍

圖6(b)所示的軸向速度呈現(xiàn)對(duì)稱分布，軸向速度在高度較低時(shí)也主要分布在氣流出口位置。出口速度幅值整體上呈現(xiàn)正值，即氣流主要向下游方向流動(dòng)，但在某些區(qū)域則呈現(xiàn)相反的流動(dòng)方向，在徑向距離15 mm處，可以看到由于流動(dòng)剪切作用導(dǎo)致的負(fù)的軸向速度，其原因主要是由于聲誘導(dǎo)渦的輸運(yùn)作用導(dǎo)致流動(dòng)方向反轉(zhuǎn)。在徑向距離3 mm處也呈現(xiàn)出負(fù)的軸向速度，由于強(qiáng)聲激勵(lì)下速度幅值變化非常大，內(nèi)剪切層誘導(dǎo)的負(fù)的軸向速度進(jìn)一步影響中心區(qū)域流動(dòng)，導(dǎo)致中心區(qū)域出現(xiàn)了軸向速度為正的流動(dòng)，如圖7(b)所示?？紤]到在鈍體上方鄰近區(qū)域流體質(zhì)量守恒，水平方向速度很小可以忽略，而在徑向距離3 mm處氣流流向鈍體表面，因此在鈍體正上方鄰近區(qū)域需要出現(xiàn)軸向速度為正的流動(dòng)特征，才能保證該區(qū)域內(nèi)流體質(zhì)量守恒的特性。需要注意鈍體上方的這種流場特征，同內(nèi)剪切層強(qiáng)度有密切關(guān)聯(lián)，在內(nèi)剪切層較弱時(shí)流體向鈍體上方鄰近區(qū)域輸運(yùn)的氣流很少，則不會(huì)在該處形成典型的正的軸向速度特征，如圖3中無聲激勵(lì)的平均流場。由于流動(dòng)耗散和燃燒的影響，在距離噴嘴較遠(yuǎn)的區(qū)域徑向和軸向速度均變得更加分散，但軸向速度分布中仍可觀測(cè)到中心區(qū)域由于聲誘導(dǎo)渦作用而導(dǎo)致的速度方向相反的流動(dòng)特征。

圖6 在t/T為0～2和軸向位置5～25mm高度處的徑向速度和軸向速度分布圖

圖7 在t/T為0～2和軸向位置5 mm高度處的徑向速度和軸向速度分布圖

從強(qiáng)聲激勵(lì)旋流火焰的周期性流動(dòng)結(jié)構(gòu)和速度分布圖可以看出，聲誘導(dǎo)渦是非常重要的流動(dòng)特征。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)聲誘導(dǎo)渦環(huán)的特征，將不同時(shí)刻渦環(huán)中心區(qū)域渦量最大的點(diǎn)提取出來分析。圖8(a)給出了外剪切層中聲誘導(dǎo)渦環(huán)的渦量分布圖。外聲誘導(dǎo)渦在噴嘴出口處形成，在其渦量達(dá)到最大值時(shí)渦環(huán)開始向下游逐步移動(dòng)，渦環(huán)的移動(dòng)過程可以持續(xù)近2個(gè)聲波周期，渦環(huán)也可以移動(dòng)到接近40 mm的區(qū)域。此外，渦環(huán)移動(dòng)過程基本沿著一條直線運(yùn)動(dòng)，即外聲誘導(dǎo)渦環(huán)以恒定的速度向下游移動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)速度和典型的射流誘導(dǎo)的渦環(huán)運(yùn)動(dòng)有類似特征。除了外剪切層誘導(dǎo)的渦環(huán)外，圖8(b)給出了內(nèi)剪切層誘導(dǎo)的渦環(huán)的渦量變化。不同于外部渦環(huán)的清晰分布，內(nèi)部渦環(huán)并不具有特別清晰易辨識(shí)的最大渦量，而且內(nèi)部渦環(huán)向下游傳播僅能持續(xù)1個(gè)周期，且內(nèi)部渦環(huán)主要分布在高度小于20 mm的區(qū)域，說明內(nèi)部渦環(huán)的生成和衰減過程持續(xù)時(shí)間更短。造成這種現(xiàn)象的原因主要同內(nèi)回流區(qū)的流動(dòng)特征有關(guān)，相較于外部渦環(huán)的開闊空間，內(nèi)部渦環(huán)存在的鈍體上方區(qū)域空間非常狹窄，空間區(qū)域直接導(dǎo)致了渦環(huán)的尺寸更小或分布在更為狹窄的區(qū)域，這點(diǎn)可以從圖5的渦量分布中看出。更小的空間也導(dǎo)致了左右2個(gè)內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)更容易相互影響，從而加速渦的耗散。內(nèi)部渦環(huán)存在的區(qū)域由于內(nèi)回流區(qū)的特性，其氣體主要為燃燒后的高溫氣體，溫度升高導(dǎo)致黏性增大，且內(nèi)部渦環(huán)同火焰根部的重合導(dǎo)致其始終受到更強(qiáng)的黏性耗散影響，因此內(nèi)部渦環(huán)僅能在較短的時(shí)間和空間尺度上存在。

圖8 甲烷/空氣旋流火焰在f=120 Hz和條件下外部渦環(huán)和內(nèi)部渦環(huán)的渦量分布圖

為了弄清外部聲誘導(dǎo)渦的演化特征，進(jìn)一步提取了外部聲誘導(dǎo)渦的渦核位置、渦核最大渦量、渦環(huán)量、渦面積，如圖9(a)～(d)所示。噴嘴出口的速度和加速度在圖9(e)～(f)中給出。可以看出，聲誘導(dǎo)渦以幾乎恒定的速度向下游移動(dòng)，速度大小為2.52 m/s，而出口處氣流的軸向速度分布在2～8 m/s之間，可見渦的移動(dòng)速度明顯小于氣流的速度。聲誘導(dǎo)渦的渦量呈現(xiàn)出先快速增大、隨后保持不變、最后逐步下降的特征。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，渦量最大的位置出現(xiàn)在出口氣流加速度最大的地方，可見在出口速度不斷加速時(shí)，氣流會(huì)不斷地向聲誘導(dǎo)渦輸入渦量，聲誘導(dǎo)渦渦核的渦量逐漸增大，但在氣流停止加速時(shí)，渦核渦量便不再增加。而在渦核渦量達(dá)到最大值時(shí)，聲誘導(dǎo)渦渦核的軸向位置開始增大，說明此時(shí)聲誘導(dǎo)渦開始脫離噴嘴出口鄰近區(qū)域而向下游移動(dòng)。進(jìn)入平穩(wěn)期時(shí)渦核渦量基本保持不變，但此時(shí)氣流速度仍在不斷增大，并不斷向聲誘導(dǎo)渦輸入渦量，因而聲誘導(dǎo)渦的環(huán)量在出口速度不斷增加的階段始終保持增長。在出口速度達(dá)到最大值后，聲誘導(dǎo)渦的環(huán)量便不再快速增加，而進(jìn)入一個(gè)緩慢變化的平臺(tái)期。需要注意的是，聲誘導(dǎo)渦的尺寸在速度增長階段保持增大，聲誘導(dǎo)渦對(duì)火焰的影響逐步增強(qiáng)，在速度下降的t2～t3時(shí)段，聲誘導(dǎo)渦面積仍逐漸增大?？梢姡瑥?qiáng)聲激勵(lì)下旋流的出口速度和加速度對(duì)聲誘導(dǎo)渦的生成和脫落過程至關(guān)重要，直接決定了聲誘導(dǎo)渦的渦量、環(huán)量以及脫落等關(guān)鍵過程。

圖9 甲烷/空氣旋流火焰在f=120 Hz和條件下外部渦環(huán)的定量演化過程

3 結(jié) 論

本文利用高速PIV技術(shù)研究了速度波動(dòng)幅值達(dá)到平均速度80%的強(qiáng)聲激勵(lì)單旋流預(yù)混火焰動(dòng)態(tài)流場特征。強(qiáng)聲波激勵(lì)下旋流火焰上游速度呈正弦波動(dòng)，出口處軸向速度呈周期性波動(dòng)，徑向速度呈脈沖式波動(dòng)，速度波動(dòng)在向下游傳播過程中會(huì)逐步擴(kuò)展。旋流火焰中心的回流區(qū)具有周期性的速度波動(dòng)，內(nèi)剪切層的渦作用會(huì)導(dǎo)致剪切層附近氣流向噴嘴方向流動(dòng)，而中軸線處氣流向下游流動(dòng)。內(nèi)剪切層和外剪切層是旋流流場的重要結(jié)構(gòu)，在內(nèi)外剪切層中會(huì)出現(xiàn)周期性聲誘導(dǎo)渦結(jié)構(gòu)。內(nèi)剪切層和火焰根部重合導(dǎo)致其內(nèi)部渦耗散強(qiáng)，對(duì)火焰熱釋放影響更弱。外部聲誘導(dǎo)渦發(fā)展更為充分，會(huì)通過卷曲火焰尖端區(qū)域而改變火焰熱釋放。定量提取了外部聲誘導(dǎo)渦的位置、渦量、環(huán)量、尺寸，發(fā)現(xiàn)旋流流動(dòng)噴嘴出口的速度和加速度決定了外部聲誘導(dǎo)渦的生長和脫落過程，形成的聲誘導(dǎo)渦勻速向下游移動(dòng)，聲誘導(dǎo)渦同火焰之間的相互作用導(dǎo)致其渦量在后期會(huì)經(jīng)歷非線性衰減過程。