在功率超声定量激励下，对预混稀氢火焰燃烧特性的实验研究

《Fuel》：Experimental study on combustion characteristics of premixed lean hydrogen flames under quantitative excitation of power ultrasound

氢气贫燃火焰在恒容条件下受32.3kHz超声波作用时，火焰扩展速度和稳定性随当量比0.2-0.6及压力1-3bar呈现差异：低当量比时超声通过增强火焰皱褶提升燃烧速率，中高当量比则出现抑制作用；高压下超声波效应被流体动力不稳定性削弱。实验结合schlieren成像技术量化分析火焰半径和速度变化，揭示了超声与火焰形态、流动不稳定性及声阻抗耦合作用机制。

　　该研究探讨了在恒容条件下，超声波对稀薄氢气预混燃烧火焰的影响。随着全球排放标准的日益严格，未来的能源和动力系统必须追求更高的热效率，同时进一步降低污染物排放。这一趋势推动了对燃料性能优化、先进燃烧策略以及低或零碳替代燃料如氢和氨的应用研究。氢作为一种具有高热值、低点火能量需求、宽火焰极限和快速燃烧动力学的燃料，被认为是在实现清洁高效内燃机的重要候选之一。在氢燃料内燃机中，稀薄燃烧（lean combustion）受到广泛关注，因为它可以在降低氮氧化物（NOx）排放的同时提高热效率。然而，稀薄氢气预混火焰在燃烧过程中面临诸多挑战，包括火焰传播速度降低、火焰稳定性变差以及更容易熄灭。

稀薄燃烧火焰的不稳定性主要来源于火焰本身的特性，可以分为三种类型：流体力学不稳定性、浮力不稳定性以及热扩散不稳定性。流体力学不稳定性（DL不稳定性）最早由Darrieus和Landau发现，其特点是燃烧过程中热膨胀导致的密度变化，从而引发扰动和不稳定性。热扩散不稳定性则主要源于火焰前沿附近质量扩散和热扩散速率的不匹配。当Lewis数大于1时，热扩散主导，火焰趋于稳定；而当Lewis数小于1时，质量扩散占主导地位，火焰变得不稳定。浮力不稳定性来源于燃烧产物与未燃烧混合物之间的密度差异，导致火焰上半部分在浮力作用下加速传播，而下半部分则传播缓慢，从而引起整个火焰核的上浮。这些不稳定性因素可能共同存在并相互耦合，进而影响预混火焰的稳定性。因此，深入理解和精确控制稀薄氢气燃烧中的不稳定性机制，对于实现高效、清洁、稳定的燃烧至关重要。

超声波作为一种具有高频率、短波长、集中能量、强穿透力和高效传播的物理现象，已被广泛应用于化学反应的调控。超声波的机械和空化效应可以显著改善化学反应的进行，提供控制反应过程的优势。例如，超声波的高频振动和辐射压力可以在流体中诱导定向搅拌和喷射流动，从而促进燃烧过程。此外，超声波的空化效应可以产生纳米级的高温、高压和强电场，创造极端的局部环境，从而引发一系列物理、化学和生物效应。这些效应包括加速微尺度混合、促进活性物种的形成、实现温和而高效的反应条件以及增强过程控制能力。

尽管超声波在燃烧控制方面已被广泛应用，但大多数现有研究集中在液体燃料雾化和固体推进剂燃烧领域。例如，研究者已经分析了超声波振幅对液滴分散的影响，以及超声波频率对铵盐-铝颗粒燃烧特性的影响。相比之下，对预混气体火焰的研究主要局限于常压下的无约束环境。实际上，内燃机燃烧室是一个受限空间，火焰传播受到壁面效应的显著影响，因此其动力学特性与无约束火焰存在明显差异。已有研究表明，在恒容条件下，稀薄氢气预混球形火焰往往会发生自加速，火焰速度随着半径的增长和细胞结构的形成而显著增加。这一过程与火焰的皱褶和湍流增强密切相关。

为了更深入地研究超声波对稀薄氢气预混燃烧的影响，研究团队独立设计了一种恒容燃烧弹装置，并进一步构建了可控的超声波供能系统。该系统包括一个高耐温耐压的不锈钢燃烧弹主体、点火模块、超声波供能模块、空气进气与排气模块、温度控制模块、光学观测模块以及数据采集模块。超声波频率的选择基于先前研究，发现20–50 kHz范围内的超声波可以有效增强燃烧和混合，同时保持可接受的声衰减。考虑到安装限制和系统兼容性，研究团队设计了一个工作频率为32.3 kHz的压电超声波换能器，并配备了一套专用的驱动电路，以提供高效且稳定的激励信号，从而确保系统在各种运行条件下的可靠性。

基于上述实验装置，本研究以稀薄氢气预混球形火焰为研究对象，系统分析了在32.3 kHz超声波场作用下，不同当量比（0.2 ≤ φ ≤ 0.6）和初始压力（1–3 bar）条件下火焰形态、传播速度和不稳定性变化。通过图像处理技术对火焰半径和传播速度进行定量分析，揭示了超声波对燃烧速率的动态调控机制。研究结果表明，在φ = 0.2时，超声波扰动增强了火焰的皱褶和燃烧过程；在半间歇模式下，浮力作用使火焰恢复自由传播，且火焰的皱褶模式在不同实验中具有可重复性。在1 bar压力下，随着当量比的增加，火焰自传播的加速作用减弱了超声波对火焰皱褶的促进效果，当φ ≥ 0.4时，超声波甚至局部抑制了火焰前锋的扩展。在更高的初始压力下，超声波在φ = 0.2时仍显著加速了燃烧过程，但随着当量比的增加，自传播和声阻效应的耦合作用降低了超声波的影响，使得在高压力条件下火焰的发展主要受到流体力学不稳定性主导。

该研究不仅为氢气内燃机的主动控制策略提供了理论支持，也加深了对超声波与火焰相互作用机制的理解。通过实验分析，研究人员能够观察到超声波在不同工况下对火焰传播特性和不稳定性的影响，为未来在氢燃料系统中应用超声波技术提供了重要的参考依据。此外，该研究还强调了在恒容燃烧条件下进行系统性实验研究的必要性，以弥补现有模拟研究的不足，确保理论成果能够更好地应用于实际工程中。通过构建可控的超声波供能系统和恒容燃烧弹装置，研究团队能够更精确地控制实验条件，从而获得更可靠的数据支持。这些研究结果不仅有助于提高氢气燃烧的稳定性，也为实现高效、清洁的能源利用提供了新的思路和方法。