基于丙酮/CH2O雙組分PLIF技術的橫向聲波激勵預混火焰未燃區(qū)/預熱區(qū)特性研究

閆博 ，孫永超，朱家健 ，吳戈，萬明罡，田軼夫，陳爽，孫明波

1.國防科技大學 高超聲速沖壓發(fā)動機技術重點實驗室，長沙 410073 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，綿陽 621000

0 引 言

聲波與火焰之間的相互作用會導致航空發(fā)動機等動力裝置中出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象。當燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象較為嚴重時，發(fā)動機結構會受到嚴重破壞。為了揭示燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象的機理，研究者對聲波與火焰的相互作用進行了大量的研究。目前，研究主要集中在縱向聲波激勵與火焰相互作用方面，實驗研究的內容主要包括火焰結構變化、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，學者們觀察到了火焰抬舉、拉伸和大尺度渦結構等典型現(xiàn)象。這些現(xiàn)象發(fā)生時都伴隨著火焰面積的變化，顯著地影響了燃燒過程中的放熱情況。

近年來，國內外關于橫向聲波激勵對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生火焰熄滅行為的研究更是一個有趣的亮點。McKinney和Dunn-Rankin利用CCD相機拍攝自發(fā)輻射的方式研究了橫向聲波對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（SPL）隨著聲波頻率和液滴直徑的增大而增大。實驗為增強燃料和氧化劑之間的混合，一般會增大聲波頻率，因此需增大聲壓來熄滅火焰。Beisner等利用LED視覺識別的方式研究了橫向激勵聲波和微重力對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聲波對層流擴散火焰熄滅行為的影響，結果表明在較低的聲波頻率下火焰熄滅更為容易，因為引起火焰熄滅所需的最小聲壓隨著頻率的降低而降低，同時隨著聲壓的降低，燃料的平均質量損失率也降低。Niegodajew等利用紋影儀對橫向聲波激勵下的火焰形貌進行了可視化測量，結果表明，火焰熄滅是聲壓力場和振蕩擾動累積效應的結果。針對橫向聲波激勵下的火焰波動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、時均的方法，為了進一步研究橫向聲波激勵對火焰面積波動的影響，需要對火焰鋒面的瞬態(tài)結構進行研究。

與高速攝影和紋影儀相比，激光誘導熒光（LIF）技術具有非擾動、實時原位測量、組分選擇性強、靈敏度好、時空分辨率高等優(yōu)點。碳氫燃料燃燒過程中產生的重要中間產物（如CHO、CH、OH等）可以作為火焰瞬態(tài)結構的標示物。CHO可以作為火焰預熱區(qū)的標示物，丙酮示蹤LIF測量則可以顯示未燃區(qū)的分布；同時利用丙酮、CHO等PLIF瞬態(tài)結構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程，有助于研究燃燒和湍流的相互作用機理。與聲波激勵下火焰鋒面結構變化研究相比，無聲波激勵下的火焰鋒面結構變化研究開展得更多。Li等運用平面激光誘導熒光（PLIF）技術對火焰鋒面結構開展了一系列研究，發(fā)現(xiàn)增大湍流強度會導致CHO分布區(qū)域向預熱區(qū)方向擴展。Zhang和Wang等針對火焰鋒面結構變化開展了大量的研究，深入分析了火焰曲率、進度變量和火焰面密度等參數(shù)的定量測量方法。

綜上所述，橫向聲波激勵能夠顯著影響火焰的鋒面結構，而在橫向聲波與火焰相互作用的研究中，利用PLIF技術對聲波激勵預混層流火焰的研究開展得較少。本研究的目的是基于丙酮/CHO雙組分PLIF技術，對橫向聲波激勵下層流預混火焰結構的變化特性開展研究，并對PLIF的測量結果進行定量計算，進而分析未燃區(qū)抬舉高度、擴散面積等火焰結構參數(shù)的變化。

1 實驗平臺

層流預混燃具和丙酮示蹤系統(tǒng)的結構如圖1所示。燃具由長200 mm、內徑15 mm的圓管燃燒器構成。甲烷（CH）和空氣由高壓氣瓶供應，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 ℃）后產生丙酮蒸氣，隨后定量空氣被引入至高溫蒸發(fā)室，推動丙酮蒸氣進入預混合室（PMC）進行充分混合。最后，丙酮/空氣預混氣體被引入混合腔體（MC）內部，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量比、出口流速和雷諾數(shù)。實驗主要考慮預混燃燒狀態(tài)。

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

表1 層流預混燃具實驗工況Table 1 Laminar premixed combustion conditions

聲波激勵和丙酮/CHO雙組分PLIF測量裝置如圖2所示。橫向聲波由位于燃具右端的揚聲器（BMS，15C362）產生。聲波強度和頻率分別由功率放大器（Yamaha，P7000S）和信號發(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量位置的聲壓強度分布，并由此計算出聲壓強度，實驗工況如表2所示，聲壓級A到A逐步增大，其中聲壓級A對應50 Hz熄火工況。

表2 層流預混燃具實驗工況聲壓級Table 2 SPL of laminar premixed combustion conditions

圖2 丙酮/CH2O雙組分PLIF測量系統(tǒng)簡圖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種激光經過合束后通過由多個高反鏡、凹透鏡與凸透鏡組成的光學系統(tǒng)，最終經過層流預混燃具的上方，在燃具上方觀測區(qū)域匯聚成激光片光，激發(fā)流場中的丙酮和CHO（丙酮的混合體積分數(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。相機為2個GEV_B2020M型ICMOS相機（荷蘭Lambert公司），曝光門寬50 ns，增益800（總增益的2/3），采集頻率10 Hz。采用2個尼康50 mm定焦鏡頭分別拍攝丙酮和CHO，2個鏡頭前分別安裝窄帶濾波片：WG380（CHO）和Edmund 410/20（丙酮）。在PLIF實驗中，采用DG645觸發(fā)ICCD相機，通過DG645設定拍攝啟動時刻和曝光門寬，實現(xiàn)相機與激光器的嚴格同步，2個相機之間的延時為200 ns。

2 圖像處理算法

基于上述PLIF測量系統(tǒng)獲取到的丙酮LIF圖像，可以對未燃區(qū)抬舉高度和擴散面積進行定量計算?；诒狶IF累加圖像（圖3 （a）），進行二值化閾值（取LIF信號最大值的0.9倍）處理（圖3 （b）），可以直觀地獲取未燃區(qū)抬舉高度H和擴散面積S的參數(shù)信息。

圖3 未燃氣抬舉高度H、擴散面積S計算示意圖Fig.3 Schematic diagram of calculating the lifting height and diffusion area of premixed gas

3 結果與討論

3.1 LIF圖像形貌分析

在50和70 Hz聲波激勵下，利用丙酮/CHO雙組分LIF技術研究了不同聲壓級對層流預混火焰形貌的影響規(guī)律，如圖4所示。圖中，激勵聲波相位為60°，方向從左到右；綠色曲線對應外圍CHOPLIF圖像；內部紅色區(qū)域對應丙酮-LIF圖像?？梢钥吹剑瑢τ趯恿黝A混火焰，未燃區(qū)位于火焰內部，預熱區(qū)緊靠未燃區(qū)，激勵聲波同時改變了未燃區(qū)和預熱區(qū)的分布，且隨著聲壓級的增大，火焰抬舉高度降低，擴散面積減小。與50 Hz聲波激勵規(guī)律不同的是，隨著聲壓級的增大，在70 Hz聲波激勵下的未燃區(qū)抬舉高度和擴散面積減小趨勢變弱。

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

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

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

圖6展示了不同激勵聲波相位下的丙酮/CHO雙組分LIF瞬態(tài)圖像，激勵聲波頻率分別為50和70 Hz，聲壓級為122.5 dB，聲波方向從左到右。由圖可知，激勵聲波同時改變了未燃區(qū)和預熱區(qū)的分布，且在同一激勵聲波頻率下呈現(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方向與50 Hz下的偏轉方向相反，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下氣流脈動對火焰形態(tài)的作用相關。

圖6 不同激勵聲波相位下的丙酮/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）圖像計算出了不同激勵聲波頻率、聲壓級下的預混燃氣未燃區(qū)抬舉高度H和預混燃氣擴散面積S，如圖7所示。由圖可知，在聲波頻率50 、70 和100 Hz下，隨著聲壓級的增大，未燃區(qū)抬舉高度H總體呈現(xiàn)非線性下降趨勢，先略有降低，然后大幅降低。在50 Hz下，降低趨勢最為明顯。不同頻率下的擴散面積S隨聲壓級變化規(guī)律和未燃區(qū)抬舉高度隨聲壓級變化規(guī)律基本一致。

圖7 不同激勵聲波頻率、聲壓級下的預混燃氣未燃區(qū)抬舉高度 H 和擴散面積 SFig.7 Lifting height H and diffusion area S of premixed gas under different excitation sound frequencies and SPL

本文針對性分析了激勵聲波和燃燒火焰之間的關系，如圖8所示。激勵聲波對燃燒火焰可產生2種作用：橫向作用p和擴散作用p。2種作用的效果表現(xiàn)在火焰結構變化方面：p將會推動氣流向一側流動，導致未燃區(qū)抬舉高度降低，預混燃氣擴散面積減??；p將會推動預混燃氣擴散，進而促進火焰燃燒。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的增加而呈非線性增大。在低頻高聲壓級下，p作用占主導；在低頻低聲壓級和高頻條件下，p作用占主導。這也解釋了前文提及的隨著激勵聲波頻率減小和聲壓級增大，未燃區(qū)抬舉高度H降低和擴散面積S減小。在激勵聲波50 Hz下，隨著聲壓級增大，H和S的下降趨勢比在70和100 Hz下明顯。

圖8 激勵聲波對層流預混燃燒火焰作用Fig.8 The interaction between acoustic wave and the laminar premixed combustion flame

3.3 聲波激勵層流火焰熄滅特性分析

圖9為在50 Hz、較高聲壓級（125.6 dB）條件下的丙酮/CHO雙組分PLIF瞬態(tài)圖像序列，圖中t代表激勵聲波開始的時刻，聲波方向從左到右。由圖可知，在該聲壓級條件下，丙酮熒光信號僅出現(xiàn)在層流燃燒火焰根部，CHO-PLIF圖像出現(xiàn)部分斷裂情況（白色虛線圓圈標記）。隨著時間的推進，燃燒火焰出現(xiàn)振蕩。在t時刻，CHO-PLIF圖像結構出現(xiàn)破碎，有“局部熄滅”現(xiàn)象，但整體結構較為閉合完整；在t+0.3 s時刻，圖像僅存在右邊半部；在t+0.6 s時刻，圖像閉合完整；此后在t+0.9 s時刻，圖像又出現(xiàn)破碎和殘缺。在t+3.0 s時刻，火焰形貌變得很小，直到t+3.3 s時刻，圖像中僅存在丙酮熒光信號，沒有CHO-PLIF信號，說明此時層流預混火焰熄滅。

圖9 極限激勵聲波條件下的丙酮/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

對圖9中各時刻下的CHO-PLIF信號進行累加統(tǒng)計，結果如圖10所示。由圖可知，t時刻前為無聲波激勵工況，在該條件下CHO-PLIF信號基本保持不變；隨著激勵聲波的添加，流場脈動速度u′增大，流場Karlovitz （Ka）數(shù)（Ka=0.25（u/v）Re,Re=uL/ν，其中v為火焰?zhèn)鞑ニ俣?，Re為某雷諾數(shù)，L為某特征長度，ν為流體的運動黏度）增大，燃燒火焰振蕩增強。當聲波聲壓級增大到一定值時，總體速度u=u+u′（u為流場初始速度）將會大于燃燒火焰速度w，CHO-PLIF信號整體呈現(xiàn)振蕩下降趨勢，同時呈現(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 極限激勵聲波條件下的CH2O-PLIF信號累加統(tǒng)計結果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 論

本文利用丙酮/CHO雙組分PLIF技術對橫向聲波激勵層流預混火焰未燃區(qū)/預熱區(qū)結構的變化開展了研究，分析了激勵聲波參數(shù)（頻率、聲壓級和相位）對未燃氣抬舉高度H和擴散面積S的變化，利用丙酮/CHO-LIF系統(tǒng)獲取了典型聲波頻率、聲壓級下的層流火焰形貌演化過程，并分析了該典型工況下的火焰熄滅現(xiàn)象和機制。主要結論如下：

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

2）在50 Hz、較高聲壓級條件下，層流預混火焰在橫向聲波激勵下出現(xiàn)了局部熄火等現(xiàn)象。隨著時間的推進，CHO-PLIF信號累加統(tǒng)計結果呈現(xiàn)振蕩減小的趨勢，層流預混火焰呈現(xiàn)振蕩燃燒過程，直到火焰熄滅。

未燃區(qū)/預熱區(qū)分布結果的獲取對于準確認識層流/湍流燃燒火焰的基本形態(tài)和燃燒模式具有重要的意義，在基礎燃燒和工業(yè)研究中都具有重要的應用價值。尤其是對于丙酮-PLIF測量而言，如果能夠實現(xiàn)丙酮LIF信號強度和預混燃氣當量比之間的定量標定，定量獲取湍流燃氣當量比分布的信息，將有助于實現(xiàn)發(fā)動機燃燒火焰結構的定量描述和燃燒控制。