聲場作用下甲烷-空氣層流部分預(yù)混火焰動(dòng)力學(xué)行為的研究.pdf

1、研究聲與火焰的作用具有重要的工程價(jià)值和學(xué)術(shù)意義，部分預(yù)混火焰的聲場響應(yīng)行為是其中的重要組成部分，尚未獲得系統(tǒng)深入的研究與認(rèn)識。
　　 為了探索部分預(yù)混火焰聲場響應(yīng)行為的總體規(guī)律和典型特征，以聲場作用下的本生型甲烷/空氣層流部分預(yù)混火焰為研究對象，搭建了強(qiáng)迫式振蕩火焰實(shí)驗(yàn)臺，通過火焰可視化測試手段、圖像處理技術(shù)、線性火焰動(dòng)力學(xué)理論和非線性分析方法等方式，系統(tǒng)地給出了雙火焰和三火焰在聲場作用下的總體動(dòng)力學(xué)行為，細(xì)致地研究了預(yù)混鋒面和

2、擴(kuò)散鋒面上的典型聲場響應(yīng)特征。本文的主要工作和成果如下：
　　 1．部分預(yù)混火焰在聲場作用下的總體動(dòng)力學(xué)規(guī)律應(yīng)用火焰刷的方法描述了部分預(yù)混火焰的鋒面運(yùn)動(dòng)。研究中發(fā)現(xiàn)，聲場作用下，部分預(yù)混火焰上游區(qū)域和下游區(qū)域的鋒面運(yùn)動(dòng)行為分別由不同的火焰動(dòng)力學(xué)機(jī)理控制。上游的鋒面運(yùn)動(dòng)以聲場激勵(lì)為驅(qū)動(dòng)方式，火焰刷的鋒面輪廓線分層排布，并存在明顯的密集區(qū)；下游的鋒面運(yùn)動(dòng)由聲場激勵(lì)和火焰自身不穩(wěn)定性共同控制，火焰刷的鋒面輪廓線交錯(cuò)且無序化分布。

3、>　　 通過火焰刷的厚度、寬度、總體密度和局部密度等幾何特征，探討了鋒面運(yùn)動(dòng)的軸向位移、徑向位移、運(yùn)動(dòng)行為的周期性和規(guī)則程度。研究結(jié)果表明，化學(xué)當(dāng)量比和預(yù)混氣流速，是影響部分預(yù)混火焰聲場響應(yīng)行為的重要參量，決定了聲場激勵(lì)作用和火焰自身不穩(wěn)定性對鋒面運(yùn)動(dòng)的控制程度。研究還發(fā)現(xiàn)，根據(jù)化學(xué)當(dāng)量比和Lewis數(shù)的不同，三火焰在聲場作用下形成了三種不同的鋒面運(yùn)動(dòng)特征。其中，第二類三火焰與雙火焰具有相似的擴(kuò)散鋒面聲場動(dòng)力學(xué)特征，是深入認(rèn)識三火焰典

4、型聲場響應(yīng)行為的關(guān)注對象。
　　 2．雙火焰預(yù)混鋒面的典型聲場響應(yīng)行為基于錐形火焰的線性化G-方程，建立了描述雙火焰預(yù)混鋒面運(yùn)動(dòng)過程的火焰動(dòng)力學(xué)模型，給出了鋒面脈動(dòng)位移的解析解。研究中發(fā)現(xiàn)，預(yù)混鋒面在聲場作用下存在兩種運(yùn)動(dòng)行為，包括沿鋒面法向的傳播運(yùn)動(dòng)和沿鋒面切向的對流運(yùn)動(dòng)，對流波是兩種運(yùn)動(dòng)形式產(chǎn)生的主要鋒面特征。推導(dǎo)出了對流波的波長、波數(shù)和幅值的表達(dá)式。其中，波長由鋒面切向速度分量和脈動(dòng)頻率決定，波數(shù)與無量綱火焰Strouha

5、l數(shù)成正比，幅值主要受相對速度脈動(dòng)振幅和鋒面錐形底角正弦值的影響。研究中還發(fā)現(xiàn)，對流波的波形主要與聲場速度維度有關(guān)，火焰鋒面上，一維脈動(dòng)流形成褶皺結(jié)構(gòu)，二維脈動(dòng)流產(chǎn)生尖頭結(jié)構(gòu)。
　　 借助預(yù)混鋒面時(shí)間序列圖像和火焰動(dòng)力學(xué)模型，研究了雙火焰預(yù)混鋒面在大振幅聲場作用下的非線性運(yùn)動(dòng)行為。通過實(shí)驗(yàn)觀察和理論分析得出結(jié)論，火焰下游區(qū)域的孤立體(pocket)現(xiàn)象和尖端變形是典型的非線性聲場響應(yīng)行為。同時(shí)，根據(jù)火焰長度和氧濃度的測量結(jié)果，雙

6、火焰預(yù)混鋒面的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诼晥鲎饔孟卤粡?qiáng)化，形成機(jī)理是，聲場振蕩行為使火焰區(qū)域內(nèi)的摻混效果加強(qiáng)，增加了預(yù)混鋒面附近的氧濃度。此外，大口徑燃燒器增強(qiáng)了雙火焰預(yù)混鋒面運(yùn)動(dòng)的非線性程度，鋒面上形成了：1）水動(dòng)力不穩(wěn)定性與聲激勵(lì)作用相互耦合；2）大振幅壓縮效應(yīng)。
　　 3．雙火焰和三火焰擴(kuò)散鋒面的典型聲場動(dòng)力學(xué)特征通過實(shí)驗(yàn)觀察得出結(jié)論，軸向?qū)α鬟\(yùn)動(dòng)是雙火焰和三火焰擴(kuò)散鋒面在聲場作用下的主要運(yùn)動(dòng)行為；對流波在鋒面上形成尖頭結(jié)構(gòu)，波長等于

7、平均流速與脈動(dòng)頻率的比值。提出并成功實(shí)現(xiàn)了火焰紅外信息和紋影信息一體化的可視化技術(shù)，測量結(jié)果表明，尖頭結(jié)構(gòu)形成了“手指”狀的熱邊界層，擴(kuò)散鋒面的熱量演化行為由尖頭的發(fā)展過程決定。時(shí)均效果上，聲場作用于部分預(yù)混火焰的擴(kuò)散鋒面，明顯地降低了火焰的長度和面積，強(qiáng)化了反應(yīng)區(qū)域的擴(kuò)散過程。
　　 鋒面運(yùn)動(dòng)的頻域分析表明，聲頻率是擴(kuò)散鋒面運(yùn)動(dòng)行為的主要頻譜特征，同時(shí)，隨著聲場振蕩強(qiáng)度增加，鋒面將出現(xiàn)低頻旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
　　 聲激勵(lì)下擴(kuò)散