聲場作用下甲烷-空氣層流部分預混火焰動力學行為的研究.pdf

1、研究聲與火焰的作用具有重要的工程價值和學術(shù)意義，部分預混火焰的聲場響應(yīng)行為是其中的重要組成部分，尚未獲得系統(tǒng)深入的研究與認識。
　　 為了探索部分預混火焰聲場響應(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/空氣層流部分預混火焰為研究對象，搭建了強迫式振蕩火焰實驗臺，通過火焰可視化測試手段、圖像處理技術(shù)、線性火焰動力學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力學行為，細致地研究了預混鋒面和

2、擴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．部分預混火焰在聲場作用下的總體動力學規(guī)律應(yīng)用火焰刷的方法描述了部分預混火焰的鋒面運動。研究中發(fā)現(xiàn)，聲場作用下，部分預混火焰上游區(qū)域和下游區(qū)域的鋒面運動行為分別由不同的火焰動力學機理控制。上游的鋒面運動以聲場激勵為驅(qū)動方式，火焰刷的鋒面輪廓線分層排布，并存在明顯的密集區(qū)；下游的鋒面運動由聲場激勵和火焰自身不穩(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，探討了鋒面運動的軸向位移、徑向位移、運動行為的周期性和規(guī)則程度。研究結(jié)果表明，化學當量比和預混氣流速，是影響部分預混火焰聲場響應(yīng)行為的重要參量，決定了聲場激勵作用和火焰自身不穩(wěn)定性對鋒面運動的控制程度。研究還發(fā)現(xiàn)，根據(jù)化學當量比和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動特征。其中，第二類三火焰與雙火焰具有相似的擴散鋒面聲場動力學特征，是深入認識三火焰典

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混鋒面運動過程的火焰動力學模型，給出了鋒面脈動位移的解析解。研究中發(fā)現(xiàn)，預混鋒面在聲場作用下存在兩種運動行為，包括沿鋒面法向的傳播運動和沿鋒面切向的對流運動，對流波是兩種運動形式產(chǎn)生的主要鋒面特征。推導出了對流波的波長、波數(shù)和幅值的表達式。其中，波長由鋒面切向速度分量和脈動頻率決定，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，一維脈動流形成褶皺結(jié)構(gòu)，二維脈動流產(chǎn)生尖頭結(jié)構(gòu)。
　　 借助預混鋒面時間序列圖像和火焰動力學模型，研究了雙火焰預混鋒面在大振幅聲場作用下的非線性運動行為。通過實驗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，根據(jù)火焰長度和氧濃度的測量結(jié)果，雙

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

7、平均流速與脈動頻率的比值。提出并成功實現(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，擴散鋒面的熱量演化行為由尖頭的發(fā)展過程決定。時均效果上，聲場作用于部分預混火焰的擴散鋒面，明顯地降低了火焰的長度和面積，強化了反應(yīng)區(qū)域的擴散過程。
　　 鋒面運動的頻域分析表明，聲頻率是擴散鋒面運動行為的主要頻譜特征，同時，隨著聲場振蕩強度增加，鋒面將出現(xiàn)低頻旋轉(zhuǎn)運動。
　　 聲激勵下擴散