張昊東 楊溢凡 李林燁 夏 溪 齊 飛

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院航空動力研究所,上海 200240)

引言

擴(kuò)散火焰(diffusion flame)又稱為非預(yù)混火焰(non-premixed flame),是初始彼此分開的燃料和氧化劑通過分子擴(kuò)散在接觸面發(fā)生燃燒反應(yīng)而產(chǎn)生的火焰[1-2],是日常生活和工業(yè)應(yīng)用中最普遍的燃燒方式.由于難以預(yù)測,不穩(wěn)定燃燒長期以來一直是火災(zāi)研究及許多工業(yè)燃燒應(yīng)用中的重要問題.火焰不穩(wěn)定性是不穩(wěn)定燃燒研究的關(guān)鍵分支,一種典型的火焰不穩(wěn)定性是擴(kuò)散火焰的自然振蕩運(yùn)動,其主要特點(diǎn)是火焰頂端會周期性地與火焰主體分離.這種現(xiàn)象最早由Chamberlin 等[3]發(fā)現(xiàn),稱為火焰閃爍(flame flickering).燭火[4]、池火[5]以及射流擴(kuò)散火焰[6]都存在這種現(xiàn)象,針對此現(xiàn)象的研究已持續(xù)了數(shù)十年[7-10].火焰閃爍通常發(fā)生在層流擴(kuò)散火焰中,是一種低頻(10～ 20 Hz)[11]自激振蕩現(xiàn)象,是擴(kuò)散火焰的固有不穩(wěn)定性.

射流動量和浮力對火焰動力學(xué)影響的相對重要程度常用弗勞德數(shù)(Froude number,Fr)或理查德森數(shù)(Richardson number,Ri)量化[12].可以根據(jù)燃料弗勞德數(shù)將火焰分為浮力主控型(buoyancy-driven)和動量主控型(momentum-driven).當(dāng)Fr遠(yuǎn)小于1 時,射流擴(kuò)散火焰被認(rèn)為是浮力主控的,也稱為浮力射流擴(kuò)散火焰(buoyant jet diffusion flame).Fang 等[13]研究了浮力主控和動量主控的閃爍層流甲烷擴(kuò)散火焰的形態(tài)和輻射特性.

一方面,閃爍頻率作為火焰閃爍現(xiàn)象的一個核心特征被廣泛研究.Hamins 等[11]通過實(shí)驗(yàn)探究了擴(kuò)散火焰的閃爍頻率,并綜合其他研究者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在寬Fr數(shù)范圍內(nèi)擬合得到經(jīng)驗(yàn)頻率標(biāo)度率.結(jié)果表明,動量主控擴(kuò)散火焰的頻率顯著偏離浮力主控擴(kuò)散火焰的1/2 標(biāo)度律(f∝(g/D)1/2,即火焰閃爍頻率只與燃燒器出口直徑倒數(shù)的1/2 次方有關(guān))[5,11,14],并且發(fā)現(xiàn)頻率標(biāo)度率受出口速度影響.Xia 等[14]從渦動力學(xué)出發(fā)分析了火焰外環(huán)渦周期性地生長和脫落,并成功預(yù)測浮力主控擴(kuò)散火焰的自然閃爍頻率,但無法有效預(yù)測動量主控擴(kuò)散火焰的頻率.

另一方面,研究者發(fā)現(xiàn)火焰閃爍存在不同的不穩(wěn)定性模態(tài).Sato 等[6,15]發(fā)現(xiàn)射流擴(kuò)散火焰存在兩種模態(tài): 一種是整體閃爍(bulk flickering),其特征是火焰夾斷現(xiàn)象,即火焰頂部與火焰主體周期性地分離;另一種是尖端閃爍(tip flickering),其特征是火焰頂部輕微振蕩或者周期性地延長.他們分別探究了兩種模態(tài)的頻率特性,發(fā)現(xiàn)前者滿足浮力主控擴(kuò)散火焰閃爍頻率的1/2 標(biāo)度律,而后者則顯著偏離該定律.Cetegen 等[16]對射流擴(kuò)散火焰不穩(wěn)定性模態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,他們認(rèn)為伴隨著火焰面軸對稱收縮和延展的閃爍模態(tài)是varicose 模態(tài)(varicose mode),這種模態(tài)是以往火焰閃爍研究中的常見模態(tài).此外,還發(fā)現(xiàn)了一種被稱作sinuous 模態(tài)(sinuous mode)的不穩(wěn)定性模態(tài),其特征是火焰在近噴管出口處穩(wěn)定,而在下游發(fā)展為非對稱甚至蜿蜒的形狀.雖然他們確認(rèn)了兩種不穩(wěn)定性模態(tài)的特征頻率不同,但沒有深入研究其頻率特性.最近,Zhang 等[17]利用火焰不對稱度對sinuous 模態(tài)和varicose 模態(tài)之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行量化分析,并指出雷諾數(shù)是除弗勞德數(shù)之外影響火焰不穩(wěn)定性模態(tài)的另一重要機(jī)制,但同樣沒有研究不同模態(tài)的頻率特性.

火焰閃爍研究的另一個重要方面是不穩(wěn)定性背后的物理機(jī)制.Buckmaster 等[18]對無限蠟燭火焰進(jìn)行了線性穩(wěn)定性分析,指出火焰閃爍是一種Kelvin-Helmholtz (K-H)不穩(wěn)定性.Hu 等[19]對中小尺度池火的頸縮現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的定量研究,確認(rèn)了3 種火焰不穩(wěn)定性: 短時Rayleigh-Taylor (R-T)不穩(wěn)定性、擴(kuò)展R-T 不穩(wěn)定性及puffing 不穩(wěn)定性.Chen等[20-22]利用反應(yīng)Mie 散射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自由射流擴(kuò)散火焰的二維流場可視化,他們發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定性與火焰及浮力引起的旋渦流動之間的相互作用有關(guān).近期,Xia 等[14]對浮力擴(kuò)散火焰進(jìn)行了渦動力學(xué)分析,建立了解釋火焰附著渦增長機(jī)制的物理模型.

對火焰閃爍現(xiàn)象及其物理機(jī)制的研究通常需要深入了解其流場特性.粒子圖像測速技術(shù)(particle image velocimetry,PIV)是一種經(jīng)典的流場測量技術(shù),廣泛應(yīng)用于火焰研究中.利用此技術(shù),Gutmark等[23]測量了甲烷擴(kuò)散火焰的速度場,指出擴(kuò)散火焰的閃爍是由火焰面周圍形成的大尺度旋渦引起的.Papadopoulos 等[24]報告了聲激勵閃爍擴(kuò)散火焰的初始速度擾動和速度場,他們更加清晰地指出了浮力引起的旋渦結(jié)構(gòu)和火焰面之間的相互作用.上述工作只測量了火焰面內(nèi)側(cè)的流場,而Yilmaz 等[25]的工作同時測量了槽口擴(kuò)散火焰的火焰面內(nèi)外的流場,為分析外部旋渦流動提供了更豐富的信息.

由上可見,前人工作已經(jīng)發(fā)現(xiàn)火焰閃爍頻率標(biāo)度率受射流動量影響,動量主控擴(kuò)散火焰的標(biāo)度率與浮力主控火焰存在差別,并且射流擴(kuò)散火焰存在varicose 和sinuous 兩種典型模態(tài).然而,兩種不穩(wěn)定性模態(tài)的頻率特性尚未被系統(tǒng)地探究,其中的物理關(guān)聯(lián)也未被清楚地揭示.本文采用火焰自發(fā)光高速成像和高速PIV 同步測量技術(shù)對浮力主控和動量主控圓口射流擴(kuò)散火焰的閃爍現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.流場測量結(jié)果清楚地展現(xiàn)了浮力主控和動量主控的varicose 模態(tài)和sinuous 模態(tài)火焰的流場結(jié)構(gòu),提供了火焰閃爍的外渦環(huán)機(jī)制的直接證據(jù).研究了閃爍火焰的頻率特性,驗(yàn)證了1/2 頻率標(biāo)度律對浮力主控火焰的有效性,獲取了動量主控火焰的頻率標(biāo)度律,同時指出已有研究由于未區(qū)分不穩(wěn)定性模態(tài)而存在的局限性.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 射流火焰裝置

如圖1 所示,本文使用的射流火焰裝置的主要部分為一根不銹鋼圓口噴管.噴管出口做15°倒角處理以減小壁厚對燃料射流初始狀態(tài)的影響.通過更換不同內(nèi)徑的噴管調(diào)整燃燒器出口尺寸,以覆蓋寬范圍的工況.噴管內(nèi)徑D為2.07～ 20 mm、長度L為200 mm.采用的燃料氣體為乙烯(C2H4)或者氮?dú)庀♂尲淄?氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為25%,下文記作CH4-N2).利用質(zhì)量流量控制器(MKS GM50A),燃料流量(Q)的調(diào)節(jié)范圍為100～ 1400 sccm.燃料流的進(jìn)口段長度可以根據(jù)0.05DRemax(Remax為每個管徑對應(yīng)的最大雷諾數(shù))進(jìn)行估算,而本文實(shí)驗(yàn)工況對應(yīng)的最大進(jìn)口段長度為103 mm,遠(yuǎn)小于噴管長度,因此可認(rèn)為燃料流到達(dá)噴管出口時已充分發(fā)展,具有拋物線型速度分布.本實(shí)驗(yàn)中射流火焰的最大雷諾數(shù)為930,研究的火焰均為層流擴(kuò)散火焰.

圖1 射流火焰裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the jet flame setup

擴(kuò)散火焰的閃爍行為對外部擾動十分敏感,為研究其自然不穩(wěn)定性,須保證實(shí)驗(yàn)在準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境中進(jìn)行,并且盡量減小外部干擾.為隔絕環(huán)境中的雜亂氣流,將燃燒器固定在透明亞克力腔體(長668 mm、寬512 mm、高1000 mm) 內(nèi)部.腔體底部裝有20 mm 厚的環(huán)形蜂窩整流網(wǎng),頂部裝有不銹鋼網(wǎng),這樣的設(shè)計(jì)相比于密閉腔體,可以保證燃燒過程中產(chǎn)生的熱氣流正常流出,避免腔體內(nèi)部形成干擾火焰閃爍的回流.此外,整個實(shí)驗(yàn)區(qū)被垂至地板的厚重防火簾圍住,以進(jìn)一步減小外部氣流的干擾.噴管外側(cè)裝有銅制盤管冷卻器(圖1 中未標(biāo)出),使得燃燒狀態(tài)下噴管出口溫度穩(wěn)定在50 °C 左右,從而保證所有實(shí)驗(yàn)組的燃料入口溫度一致.此外,每組實(shí)驗(yàn)完成后還將對實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行充分地通風(fēng).上述措施可以避免噴管管壁溫度及環(huán)境氣體溫度變化干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

1.2 火焰自發(fā)光高速成像

本文首先以C2H4氣體為燃料開展擴(kuò)散火焰自發(fā)光的高速測量,因?yàn)槠浠鹧嫣紵煗舛雀?火焰較為明亮,火焰自發(fā)光能夠清楚地表征火焰面的形態(tài)變化.實(shí)驗(yàn)工況如圖2 所示,利用6 根不同管徑的噴管,覆蓋了寬范圍的弗勞德數(shù)(Fr=0.0009～ 2434,Fr=U2/(gD),其中U是燃料射流在噴管出口處的速度),確保研究的射流擴(kuò)散火焰包括浮力主控和動量主控型.如圖3 所示,成像裝置為一臺高速CMOS相機(jī)(Phantom v2012),該相機(jī)裝有UV 鏡頭(CERCO 2178,100 mm F/2.8),采集的火焰自發(fā)光信號的波長范圍為250～ 410 nm.相機(jī)拍攝速率為400 fps,每個實(shí)驗(yàn)組拍攝時長設(shè)為30 s,每個工況重復(fù)實(shí)驗(yàn)3 次.

圖2 C2H4 射流擴(kuò)散火焰自發(fā)光高速成像實(shí)驗(yàn)工況圖: 弗勞德數(shù)vs 燃料流量Fig.2 Experimental conditions of high-speed imaging of C2H4 jet diffusion flame chemiluminescence: Fr vs Q

圖3 C2H4 射流擴(kuò)散火焰自發(fā)光高速成像示意圖Fig.3 Schematic diagram of high-speed imaging of C2H4 jet diffusion flame chemiluminescence

1.3 火焰自發(fā)光/PIV 同步高速測量

為了研究閃爍火焰的流動特性,本文還開展了火焰自發(fā)光/PIV 同步高速測量實(shí)驗(yàn).由于C2H4擴(kuò)散火焰碳煙較濃,其產(chǎn)生激光散射信號會嚴(yán)重影響示蹤粒子的信號,因此該實(shí)驗(yàn)將燃料氣體更換為火焰碳煙含量顯著降低的CH4-N2.采用內(nèi)徑20 mm 和3.08 mm 兩種噴管,燃料流量設(shè)為1400 sccm.這兩種工況對應(yīng)的弗勞德數(shù)分別為0.034 和201,即相應(yīng)的射流擴(kuò)散火焰分別為浮力主控型和動量主控型.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示,包括光源、成像裝置和示蹤粒子布撒裝置.為了同時測量火焰面內(nèi)外的流場,采用基于合成射流的特制示蹤粒子發(fā)生器將粒徑為10 μm 的TiO2顆粒分別混入燃料流和空氣流中.含有示蹤粒子的空氣流通過環(huán)布在噴管周圍的8 根不銹鋼管,以極低流速(約0.07 m/s)將示蹤粒子均勻地布撒在火焰面外側(cè).引入空氣流后火焰閃爍頻率的波動范圍約為0.1 Hz,可以認(rèn)為火焰閃爍行為幾乎沒有受到干擾.該示蹤粒子撒布策略在極低干擾的情況下實(shí)現(xiàn)了對射流擴(kuò)散火焰內(nèi)外流場的測量,保證了火焰呈現(xiàn)的不穩(wěn)定性源于火焰本身的自然振蕩而非外部的干擾,這是后續(xù)深入分析不穩(wěn)定性機(jī)制和頻率特性的基礎(chǔ).

圖4 CH4-N2 射流擴(kuò)散火焰自發(fā)光/PIV 同步高速測量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of high-speed flame chemiluminescence/PIV measurement of CH4-N2 jet diffusion flame

成像裝置為兩臺高速CMOS 相機(jī)(均為Phantom VEO 1310 L)、一臺波長為527 nm 的雙腔Nd: YLF脈沖激光器(beamtech optronics,Vilte-Hi-527-40).激光重復(fù)頻率和相機(jī)拍攝頻率均設(shè)置為500 Hz,遠(yuǎn)大于火焰的自然頻率,足以解析閃爍火焰的動態(tài)特性.使用基于可編程數(shù)字采集卡(NI PCIe-7856)的時序控制程序?qū)崿F(xiàn)相機(jī)和激光的同步.激光束經(jīng)過成片光學(xué)元件(包括激光反射鏡、焦距-50 mm 的平凹透鏡和500 mm 的平凸透鏡)后整形為約1 mm 的激光片,隨后通過腔體側(cè)面光學(xué)窗口進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段,照亮火焰面內(nèi)外的示蹤粒子.所產(chǎn)生的Mie 散射光信號可通過裝有短帶通濾波片(edmund optics 527/20 nm)的高速相機(jī)1 記錄(鏡頭AF DC-Nikkor105 mm f/2 D).高速相機(jī)1 以雙曝光模式運(yùn)行,幀間隔時間可調(diào),視場為200 mm × 80 mm,相應(yīng)的空間分辨率為62.5 μm/pixel.示蹤粒子圖像由DaVis 軟件中的多遍互相關(guān)算法處理,最終獲得分辨率為1.16 mm/point 的速度場.高速相機(jī)2 (鏡頭AF Nikkor 50 mm f/1.8 D)同步記錄火焰自發(fā)光信號.該相機(jī)視場為260 mm ×80 mm,相應(yīng)的空間分辨率為175 μm/pixel.

2 射流擴(kuò)散火焰的閃爍模態(tài)

當(dāng)流量足夠小時,射流擴(kuò)散火焰通常處于穩(wěn)定層流狀態(tài),在目前的實(shí)驗(yàn)中,各管徑噴管在極小流量(小于150 sccm)下均可以觀察到穩(wěn)定的火焰.如圖5(a)所示,穩(wěn)定火焰的火焰面呈錐形,火焰不發(fā)生抖動,這樣的火焰是典型的層流擴(kuò)散火焰.在層流擴(kuò)散火焰的研究中,通過在火焰周圍引入同軸伴流可以抑制火焰自發(fā)的不穩(wěn)定性[26],使更高流量的射流擴(kuò)散火焰保持穩(wěn)定.在自然狀態(tài)下,當(dāng)燃料流量增大到一定程度后,射流擴(kuò)散火焰會逐漸失穩(wěn),出現(xiàn)如圖5(b)所示的不穩(wěn)定狀態(tài),其特征是火焰尖端周期性地伸縮,這也是Sato 等[6]提出的尖端閃爍模態(tài).更高的燃料流量會導(dǎo)致更長的火焰和更顯著的火焰面形變.如圖5(c)所示,火焰面會出現(xiàn)拉伸(stretching)、頸縮(neck-in)和夾斷(pinch-off)現(xiàn)象,以及火焰面兩側(cè)周期性的凸起(bulge).這些形態(tài)結(jié)構(gòu)正是varicose 模態(tài)的典型特征.如圖5(d)所示,在更大燃料流量的工況下,火焰呈現(xiàn)出sinuous 模態(tài)的典型特征,即火焰根部較為穩(wěn)定,火焰面下游發(fā)展為蜿蜒形狀(meandering).火焰面的夾斷實(shí)際上是一種由于燃料供應(yīng)不足導(dǎo)致的擴(kuò)散火焰的局部熄火(local extinction)現(xiàn)象.對于擴(kuò)散火焰而言,整體流動引起的空氣的向內(nèi)對流和分子擴(kuò)散引起的燃料的向外擴(kuò)散存在競爭.在火焰下游,燃料濃度低,向外擴(kuò)散較弱,而卷吸空氣引起的向內(nèi)對流較強(qiáng),這就導(dǎo)致火焰面某處產(chǎn)生燃料短缺,進(jìn)而引起局部熄火.

圖5 C2H4 射流擴(kuò)散火焰自發(fā)光瞬態(tài)圖像序列(時長0.06 s,D=9.9 mm)Fig.5 Instantaneous flame-chemiluminescence image sequences(duration 0.06 s,D=9.9 mm) of C2H4 jet diffusion flames

前人的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明[27-30],火焰面外附著的大尺度環(huán)形渦的產(chǎn)生、增長是導(dǎo)致火焰面頸縮、拉伸乃至夾斷的直接原因.然而,利用反應(yīng)Mie 散射技術(shù)[31]和紋影法[32]等測量方法只能從定性的角度驗(yàn)證火焰周圍大尺度渦環(huán)的存在,無法對其產(chǎn)生和發(fā)展過程進(jìn)行精準(zhǔn)捕捉和定量分析.本文設(shè)計(jì)的示蹤粒子發(fā)生和撒布裝置,可以在幾乎不干擾火焰周圍流場的情況下將粒子均勻撒布在火焰面內(nèi)外,從而實(shí)現(xiàn)對火焰面內(nèi)外流場的測量.下一節(jié)將分析射流擴(kuò)散火焰的流場特性,以深入理解火焰閃爍現(xiàn)象的物理機(jī)制.

3 火焰閃爍的物理機(jī)制

3.1 流動特性

圖6(a)和圖6(b)分別展示了varicose 和sinuous模態(tài)閃爍火焰的火焰形態(tài)和同步的示蹤粒子圖像.可以看到示蹤粒子的分布不均勻,如火焰上游由外到內(nèi)的粒子密度是高-低-高.擴(kuò)散火焰的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在火焰面上,劇烈的放熱抑制了火焰面兩側(cè)的大量示蹤粒子向火焰面的擴(kuò)散,最終形成這種顯著的粒子濃度差異.這種差異不影響火焰面內(nèi)外的流動顯示效果.此外,由于攜帶示蹤粒子的空氣流速極低,因此火焰外側(cè)示蹤粒子的布撒主要受到火焰誘導(dǎo)的對流效應(yīng)影響,以與火焰閃爍一致的周期性被一股一股卷吸至火焰面附近,這也導(dǎo)致了火焰外側(cè)示蹤粒子分布的不均勻性.需要注意,在根據(jù)粒子圖像計(jì)算速度場時,較為關(guān)鍵的是局部圖像在前后幀的相關(guān)性,而這種全局不均勻性并不會影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖6 CH4-N2 射流擴(kuò)散火焰自發(fā)光瞬態(tài)圖像及同步的示蹤粒子圖像Fig.6 Simultaneous instantaneous flame-chemiluminescence and tracer particles images of CH4-N2 jet diffusion flames

可以看到火焰面內(nèi)側(cè)處于穩(wěn)定的層流狀態(tài),而外側(cè)存在明顯的渦環(huán).在非反應(yīng)射流的研究中,渦環(huán)是主要關(guān)注的流動結(jié)構(gòu),而對于射流擴(kuò)散火焰這種反應(yīng)射流,渦環(huán)的影響依然顯著.區(qū)別于火焰面內(nèi)側(cè)的流動結(jié)構(gòu),火焰面外側(cè)的這種大尺度環(huán)形旋渦結(jié)構(gòu)也稱為外渦環(huán)(outer vortex ring,OVR).可以看到當(dāng)前視場中存在兩個外渦環(huán),從空間演化的角度看,其可以表示外渦環(huán)產(chǎn)生后運(yùn)動到不同位置后的形態(tài);從時間演化的角度看,其可以表示外渦環(huán)演化的第1 個周期和第2 個周期.同步的火焰和粒子圖像清楚地顯示火焰面形變之處和外渦環(huán)所在位置一致.需要注意的是,varicose 模態(tài)和sinuous 模態(tài)火焰的外渦環(huán)的演化并不相同.前者在演化過程中基本保持軸對稱,后者在初期保持軸對稱,在向下游對流的過程中發(fā)生傾斜和扭轉(zhuǎn),這也導(dǎo)致了火焰面的蜿蜒.

根據(jù)示蹤粒子圖像計(jì)算得到的流場如圖7 所示.閃爍射流擴(kuò)散火焰流場的主要結(jié)構(gòu)是火焰內(nèi)側(cè)的內(nèi)剪切層(inner shear layer,ISL)和外側(cè)的外剪切層(outer shear layer,OSL),前者是燃料射流初始剪切層的延續(xù),后者源自火焰誘導(dǎo)浮力導(dǎo)致的剪切作用.如圖7(a)所示,浮力主控火焰的內(nèi)剪切層比外剪切層弱,內(nèi)剪切層大約在下游40 mm (2D)處消失,而外剪切層則持續(xù)演化.外剪切層增長、卷起形成外渦環(huán),外渦環(huán)在向下游對流的過程中尺寸逐漸變大,發(fā)展到一定程度后從其附著的外剪切層上脫落.與浮力主控火焰不同,圖7(b)所示的動量主控火焰的內(nèi)剪切層更強(qiáng),其不但具有更高的渦量,還貫穿至下游60 mm (20D)處.此外,動量主控火焰的內(nèi)外剪切層同號,而浮力主控火焰的內(nèi)外剪切層異號.這是由于前者具有很強(qiáng)的初始射流,在火焰上游,噴管軸線處的速度最大,而后者的初始射流很弱,在火焰上游,火焰面上的速度最大.雖然動量主控火焰具有較強(qiáng)的內(nèi)剪切層,但其外剪切層依然有明顯的增長及分叉,這對應(yīng)著外渦環(huán)的演化.

圖7 CH4-N2 射流擴(kuò)散火焰的疊加了流線的瞬態(tài)渦量場: (a) 浮力主控、varicose 模態(tài) (D=20 mm,Q=1400 sccm);(b) 動量主控、sinuous 模態(tài) (D=3.08 mm,Q=1400 sccm)Fig.7 The instantaneous vorticity field overlapped with streamline of CH4-N2 jet diffusion flamess: (a) buoyance-driven,varicose mode(D=20 mm,Q=1400 sccm);(b) momentum-driven,sinuous mode(D=3.08 mm,Q=1400 sccm)

火焰閃爍這種不穩(wěn)定性的出現(xiàn)可以從渦動力學(xué)的角度去理解.根據(jù)Xia 等[14]的工作,隨著渦量沿火焰面進(jìn)行對流傳導(dǎo),外剪切層變得更強(qiáng),并最終卷成對稱的渦環(huán).外渦環(huán)反過來導(dǎo)致射流中心更強(qiáng)的軸向流動,而這導(dǎo)致了火焰面的拉伸、頸縮甚至夾斷的出現(xiàn).因此閃爍火焰的varicose 模態(tài)源于外渦環(huán)的周期性產(chǎn)生、增長和脫落,但這一結(jié)論局限于浮力主控射流擴(kuò)散火焰.圖7(b)表明,外渦環(huán)機(jī)制對于動量主控火焰依然成立,浮力對火焰的作用依然不可忽略.當(dāng)外渦環(huán)的軸對稱性遭到破壞,其發(fā)展至下游就會出現(xiàn)明顯的傾斜.隨著外渦環(huán)繞著火焰的增長和扭曲,旋渦便和火焰面耦合在一起,使其變得蜿蜒.由于外渦旋無法像外渦環(huán)一樣導(dǎo)致高軸向流速,因此火焰面的拉伸和頸縮效應(yīng)顯著減弱,而這抑制了火焰的夾斷或?qū)⑵溲舆t至更下游的位置.這種平面上表現(xiàn)的蜿蜒結(jié)構(gòu)實(shí)際上對應(yīng)著三維空間中的螺旋結(jié)構(gòu),射流擴(kuò)散火焰的sinuous 模態(tài)正是一種螺旋不穩(wěn)定性的體現(xiàn)[33].除了上述兩種典型的不穩(wěn)定性模態(tài)外,處于穩(wěn)定-閃爍過渡狀態(tài)的尖端閃爍模態(tài)同樣可以從渦動力學(xué)角度解釋.當(dāng)流量逐漸增大時,火焰增高,外渦環(huán)形成后從火焰面獲取更多的渦量從而能夠生長,但流量比較小時火焰較短,導(dǎo)致外渦環(huán)未增長到足夠大時便脫落[34],因此火焰只有頂部周期性的延展、拉伸而沒有頸縮和夾斷等varicose 模態(tài)的主要特征.

3.2 閃爍頻率

火焰閃爍是一種流動不穩(wěn)定性現(xiàn)象,流場測量結(jié)果表明火焰面內(nèi)外的剪切層、外渦環(huán)和速度均處于動態(tài)變化.以CH4-N2射流擴(kuò)散火焰(D=20 mm,Q=1400 sccm)為例,為了分析流場的頻率特性,考察速度場上、中、下游3 個位置處的速度波動.考察位置如圖8(a) 所示,為噴管中心下游20,80 和140 mm (D,4D和7D)處.各測點(diǎn)速度波動及相應(yīng)的頻譜(FFT 分析)如圖8(c)所示,可以看到速度波動具有準(zhǔn)周期性,頻譜分析得到的頻率具有單峰性.此外,各測點(diǎn)得到的主頻均為9.84 Hz,本文還選取了更多的測點(diǎn),得到的頻率均完全一致,這說明流場整體具有唯一的主頻.這種明顯的頻率選擇性表明閃爍火焰的varicose 和sinuous 不穩(wěn)定性模態(tài)均是一種整體不穩(wěn)定性[35].其出現(xiàn)首先依賴于外渦環(huán)的增長和卷起,從而在火焰下游產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動.該擾動反作用于外剪切層,進(jìn)一步誘導(dǎo)出絕對不穩(wěn)定性并向上游傳播,最終導(dǎo)致管口處剪切層失穩(wěn),從而進(jìn)入下一個閃爍周期.

圖8 CH4-N2 射流擴(kuò)散火焰(D=20 mm,Q=1400 sccm)Fig.8 CH4-N2 jet diffusion flame (D=20 mm,Q=1400 sccm)

為了驗(yàn)證流場的主頻是否與火焰閃爍頻率一致,如圖8(b)所示,選取速度測點(diǎn)對應(yīng)位置處的局部火焰自發(fā)光圖像進(jìn)行亮度分析.累加選定區(qū)域內(nèi)的像素值指示火焰局部亮度.由于各區(qū)域亮度的絕對值有較大差異,因此圖8(d)展示了歸一化的局部火焰亮度的波動及對應(yīng)的頻譜.可以看到,火焰亮度波動依然具有準(zhǔn)周期性,而且其頻率與流場的主頻完全一致.此外,對視場內(nèi)的火焰整體亮度波動做頻譜分析也能得到一致的頻率.這充分說明了射流擴(kuò)散火焰閃爍現(xiàn)象的流動不穩(wěn)定性本質(zhì),也證明了正是外渦環(huán)的周期性演化造成了火焰面的周期性形變,即火焰閃爍.在沒有相應(yīng)流場測量結(jié)果時,可以通過火焰亮度波動頻譜分析得到火焰閃爍頻率.下一節(jié)將利用這種方法獲取閃爍頻率,分析C2H4射流擴(kuò)散火焰的頻率特性.

需要指出,燃料類型和稀釋情況的差異確實(shí)會造成燃料射流的物性差異,而且會影響火焰的釋熱率,改變火焰溫度和火焰剪切層的增長率,進(jìn)而影響渦演化和脫落周期,導(dǎo)致火焰閃爍頻率的變化.然而,這種影響不會造成火焰閃爍物理機(jī)制的差異.本文第2 及第4 部分均以C2H4射流擴(kuò)散火焰為對象開展關(guān)于射流擴(kuò)散火焰閃爍模態(tài)和頻率特性的詳細(xì)研究,這是為了和我們此前的工作[17]保持一致,便于進(jìn)行結(jié)果的對比分析.然而由于C2H4射流擴(kuò)散火焰碳煙含量過多、亮度較高,會嚴(yán)重干擾用于流場測量的粒子圖像質(zhì)量,因此本文對CH4-N2射流擴(kuò)散火焰開展了流場/火焰同步測量,主要是通過其流場及火焰結(jié)構(gòu)的演化過程去理解一般的火焰閃爍物理機(jī)制.

4 閃爍火焰的頻率特性

4.1 不穩(wěn)定性模態(tài)對閃爍頻率的影響

對源于不同燃燒器尺寸的射流擴(kuò)散火焰,在燃料流量足夠小時火焰均保持穩(wěn)定,流量逐漸增大后火焰會出現(xiàn)尖端閃爍然后過渡至varicose 模態(tài).varicose 模態(tài)是一種“穩(wěn)定的”不穩(wěn)定性模態(tài),其具有準(zhǔn)周期性,而尖端閃爍實(shí)際上是火焰從穩(wěn)定的層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的varicose 模態(tài)的一種過渡狀態(tài).此外,火焰還可能處于varicose 模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閟inuous 模態(tài)的過渡狀態(tài).為對不同的不穩(wěn)定性模態(tài)有更清晰的認(rèn)識,得到一致性較高的結(jié)果,在分析閃爍火焰的頻率特性時應(yīng)選擇遠(yuǎn)離過渡狀態(tài)的工況,即選擇表現(xiàn)出varicose 模態(tài)和sinuous 模態(tài)的工況.

圖9(a)～ 圖9(b)展示了6 個不同管徑的C2H4射流擴(kuò)散火焰的閃爍頻率隨燃料流量的變化,圖9(c)～圖9(d)展示了分別代表動量/浮力主控火焰的2.07 mm和20 mm 管徑的典型工況的火焰形態(tài).如圖9(b)和圖9(d)所示,對于9.9 mm 和20 mm 這兩種較大的管徑,火焰總體上處于varicose 模態(tài),但在某些較大燃料流量下,閃爍火焰也可能表現(xiàn)為sinuous 模態(tài),甚至還會出現(xiàn)兩種模態(tài)的切換.

圖9 C2H4 射流擴(kuò)散火焰閃爍頻率隨燃料流量的變化Fig.9 The flickering frequency of C2H4 jet diffusion flame varies with the fuel flow rate

與浮力主控火焰不同,如圖9(a)和圖9(c)所示的動量主控火焰并不存在模態(tài)切換現(xiàn)象.由varicose到sinuous 模態(tài)的轉(zhuǎn)換通常是由于雷諾數(shù)升高導(dǎo)致的,對應(yīng)于火焰剪切層失穩(wěn)模態(tài)由對稱變?yōu)榉磳ΨQ[17].對于動量主控火焰,對稱的剪切層模態(tài)僅出現(xiàn)于小流量的情況下,流量增大會促使其快速進(jìn)入反對稱模態(tài).而對于浮力主控火焰,可以在較大流量下保持火焰剪切層發(fā)展處于對稱模態(tài),促進(jìn)其形成了一個較強(qiáng)的外渦環(huán),對應(yīng)于一個較強(qiáng)的自激振蕩模態(tài).火焰周圍的空氣被加熱而產(chǎn)生向上的自然對流,這種流動會給火焰帶來小擾動.此時進(jìn)一步提高流量,隨機(jī)擾動會增強(qiáng).如果擾動足夠強(qiáng),會使得火焰轉(zhuǎn)換為反對稱模態(tài);但如果擾動變?nèi)?那么火焰又會回到對稱自激振蕩模態(tài).因此,上游擾動的強(qiáng)弱變化是導(dǎo)致火焰在兩種模態(tài)間隨機(jī)切換的主要原因.

無論是varicose 模態(tài)還是sinuous 模態(tài),火焰的閃爍頻率都隨流量變化不大,如20 mm 噴管火焰的varicose 模態(tài)的閃爍頻率穩(wěn)定在12 Hz 左右,sinuous模態(tài)的閃爍頻率穩(wěn)定在15 Hz 左右.由此可見兩種不穩(wěn)定性模態(tài)的差異不僅體現(xiàn)在火焰形態(tài)上,還體現(xiàn)在頻率上,這與Cetegen 等[16]此前的發(fā)現(xiàn)一致.varicose和sinuous 不穩(wěn)定性模態(tài)是射流和尾流流動穩(wěn)定性分析中的兩種典型的不穩(wěn)定性模態(tài)[35-38].對于自由射流穩(wěn)定性的分析發(fā)現(xiàn),sinuous 模態(tài)的不穩(wěn)定性波數(shù)往往比varicose 模態(tài)更大,這就導(dǎo)致sinuous 模態(tài)的頻率更高,這一點(diǎn)在鈍體火焰的研究[39]中也有發(fā)現(xiàn).

9.9mm 和20 mm 管徑火焰的頻率與流量的無關(guān)性符合已有研究提出的火焰閃爍頻率的1/2 標(biāo)度律.無論是浮力主控還是動量主控火焰,隨著管徑逐漸減小,火焰閃爍頻率逐漸升高,這都符合已有研究指出的火焰閃爍頻率與燃燒器出口直徑的負(fù)相關(guān)性.然而如圖9(a)所示,2.07,3.85,4.8 和6.93 mm 管徑火焰的閃爍頻率在燃料流量增大初期不斷提高,然后趨于穩(wěn)定,并且管徑越小頻率提高幅度越大,如2.07 mm 噴管火焰的閃爍頻率從13.5 Hz 提高到17.5 Hz 左右.與9.9 mm 和20 mm 管徑不同,上述小管徑的不穩(wěn)定性模態(tài)的varicose-sinuous 轉(zhuǎn)變發(fā)生在流量增大過程中,這樣的轉(zhuǎn)變也與頻率的增長一致.需要指出的是上述管徑減小實(shí)際上對應(yīng)著射流擴(kuò)散火焰由浮力主控逐漸轉(zhuǎn)為動量主控,這充分說明了1/2 標(biāo)度律僅適用于浮力主控火焰,無法用于預(yù)測動量主控火焰的頻率.

4.2 無量綱頻率標(biāo)度律

周期性非定常流動研究中的一個關(guān)鍵無量綱數(shù)是斯特勞哈爾數(shù)(Strouhal number,St),其代表無量綱頻率,定義為S t=f D/U,其中f是火焰閃爍頻率.本文C2H4射流擴(kuò)散火焰的斯特勞哈爾數(shù)隨弗勞德數(shù)的變化如圖10 所示,其中varicose 模態(tài)和sinuous模態(tài)用標(biāo)記顏色區(qū)分,管徑用標(biāo)記形狀區(qū)分.表1 分別給出各管徑varicose 模態(tài)和sinuous 模態(tài)的最佳冪律擬合公式S t=a(1/Frm) 的系數(shù)a、指數(shù)m和表示擬合優(yōu)度的決定系數(shù)R2.

表1 C2H4 射流擴(kuò)散火焰的閃爍頻率標(biāo)度率(S t=a(1/Frm))Table 1 The scaling law of the flickering frequency of C2H4 jet diffusion flame (S t=a(1/Frm))

圖10 C2H4 射流擴(kuò)散火焰的斯特勞哈爾數(shù)隨弗勞德數(shù)的變化Fig.10 Variation of Strouhal number with Froude number for C2H4 jet diffusion flames

可以看到,9.9 mm 和20 mm 工況中的varicose模態(tài)和sinuous 模態(tài)以及6.93 mm 工況varicose 模態(tài)對應(yīng)的工況點(diǎn)在浮力主控范圍內(nèi)(Fr＞ 1),其頻率標(biāo)度律的指數(shù)也均在0.5 附近(0.5 ± 0.01),這和Xia 等[26]推導(dǎo)得到的適用于浮力擴(kuò)散火焰的頻率標(biāo)度律符合得很好,進(jìn)一步說明對于浮力主控火焰,頻率標(biāo)度律對燃料出口速度的依賴不明顯.過往研究中未區(qū)分varicose 模態(tài)和sinuous 模態(tài),而如表1 所示,對于9.9 mm 和20 mm 工況,sinuous 模態(tài)的激發(fā)雖然沒有導(dǎo)致頻率標(biāo)度律指數(shù)發(fā)生變化,但會導(dǎo)致系數(shù)相對于varicose 模態(tài)提高0.1 以上.系數(shù)的提高實(shí)際上對應(yīng)著前文所述的sinuous 模態(tài)相對于varicose 模態(tài)的頻率提升.對于2.07,3.85,4.8 和6.93 mm 工況,雖然不存在頻率標(biāo)度律系數(shù)提高,但其sinuous 模態(tài)頻率標(biāo)度律指數(shù)相對于varicose 模態(tài)有顯著減小.此外,2.07,3.85,4.8 和6.93 mm 工況中的varicose模態(tài)頻律標(biāo)度律指數(shù)隨著管徑減小(Fr增大)而顯著減小,這說明動量主控擴(kuò)散火焰的頻率標(biāo)度率存在明顯的燃料出口速度依賴[40],這是Hamins 等[11]提到但未明確闡述的.

浮力主控擴(kuò)散火焰和動量主控擴(kuò)散火焰頻率特性的差異本質(zhì)上是火焰面外側(cè)浮力誘導(dǎo)剪切層和火焰面內(nèi)側(cè)燃料射流初始動量控制剪切層對火焰動力學(xué)影響的競爭導(dǎo)致的.射流擴(kuò)散火焰一般可分為靠近噴管出口的過渡段和除此之外的部分[41],在本文中后者被稱為火焰下游.浮力主控擴(kuò)散火焰的過渡段主要受浮力影響而動量主控擴(kuò)散火焰的過渡段主要受慣性力(射流動量)影響.當(dāng)燃料流量足夠大時,火焰下游尖端開始轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?隨著流量增大這種不穩(wěn)定性逐漸向上游傳導(dǎo),對應(yīng)的火焰形態(tài)便是sinuous 模態(tài).無論是浮力主控還是動量主控,sinuous模態(tài)總是會在流量增大到一定程度時出現(xiàn).過渡段的差異導(dǎo)致了這兩種擴(kuò)散火焰的頻率特性的差異.在浮力主控擴(kuò)散火焰中,動量影響始終處于次要地位,其影響的提高只能體現(xiàn)在頻率標(biāo)度率系數(shù)的增大上,而對指數(shù)影響很小.在動量主控擴(kuò)散火焰中,動量影響占主要地位,隨著管徑減小(Fr增大),兩種不穩(wěn)定性模態(tài)的頻率標(biāo)度率的指數(shù)都會減小,而對同一管徑,流量增大后動量影響進(jìn)一步增大,體現(xiàn)在sinuous 模態(tài)頻率標(biāo)度律的指數(shù)相對varicose 模態(tài)顯著減小.火焰閃爍由外渦環(huán)的周期性演化導(dǎo)致,其頻率與外渦環(huán)的脫落頻率一致.從渦動力學(xué)的角度看,外渦環(huán)的環(huán)量在增長到足夠大時便會從其附著的剪切層上脫落.對于相同直徑的噴管而言,這一臨界環(huán)量的值大致為常數(shù).對于動量主控火焰,燃料射流剪切層與外渦環(huán)在火焰下游融合,導(dǎo)致后者更快增長至脫落所需的環(huán)量,因此更高的射流動量會導(dǎo)致更高的閃爍頻率和St-Fr頻率標(biāo)度律指數(shù)的降低.

5 結(jié)論

本文利用高速火焰自發(fā)光及PIV 同步測量技術(shù)對準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境中CH4-N2圓口層流射流擴(kuò)散火焰的閃爍行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明,閃爍火焰流場具有準(zhǔn)周期性,整個流場具有唯一主頻,并且與火焰亮度脈動的頻率一致.火焰面外剪切層會發(fā)生周期性的增長和分叉,外剪切層卷起形成的大尺度環(huán)形旋渦的周期性產(chǎn)生、生長和脫落是火焰面發(fā)生周期性形變(也即火焰閃爍)的直接原因.當(dāng)前工作提供了火焰閃爍的外渦環(huán)機(jī)制的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù),而且表明了該機(jī)制不僅適用于浮力主控射流擴(kuò)散火焰,也適用于動量主控射流擴(kuò)散火焰.

利用高速攝影技術(shù)研究了準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境中的C2H4圓口射流擴(kuò)散火焰的閃爍頻率特性,采用出口直徑為2.07～ 20 mm 的一系列噴管以覆蓋寬范圍的弗勞德數(shù),系統(tǒng)研究了從浮力主控到動量主控射流擴(kuò)散火焰的頻率特性.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)浮力主控火焰在燃料流量較大時(如9.9 mm 噴管為700～ 1400 sccm,20 mm 噴管為1000～ 1400 sccm)存在varicose 模態(tài)和sinuous 模態(tài)之間的切換,這會造成火焰閃爍頻率的突變.對于浮力主控火焰,火焰閃爍頻率符合經(jīng)典的1/2 標(biāo)度律,但不同不穩(wěn)定性模態(tài)對應(yīng)的標(biāo)度律系數(shù)不同.當(dāng)火焰逐漸由浮力主控變?yōu)閯恿恐骺貢r,其頻率標(biāo)度率的指數(shù)會逐漸減小.研究表明,閃爍火焰的頻率特性研究需要結(jié)合對應(yīng)的不穩(wěn)定性模態(tài),并且經(jīng)典的1/2 頻率標(biāo)度率只適用于浮力主控火焰,動量主控火焰的頻率標(biāo)度律需進(jìn)一步研究.

本文旨在使用流場/火焰同步測量手段獲取火焰閃爍物理機(jī)制的清晰物理圖像,并初步揭示不穩(wěn)定性模態(tài)對頻率標(biāo)度率的影響以及動量主控火焰的頻率特性.后續(xù)工作將嘗試建立適用于動量主控擴(kuò)散火焰和sinuous 模態(tài)的量化模型,并探究燃料類型對火焰閃爍現(xiàn)象的影響.