预混射流火焰中失稳模态的全局–局部解耦与相位反转

《Combustion and Flame》：Global-local decoupling of instability modes and phase reversal in premixed jet flames

　　

• •
  随着射流速度增加，出现四种不同的振荡状态。
• •
  当剪切驱动的表面变形发展时，浮力驱动的外涡依然存在。
• •
  PMT空间积分掩盖了间歇性350–450?Hz火焰尖端振荡。
• •
  随着速度增加，低频全局-局部相位差改变符号。
• •
  平均火焰高度斯特劳哈尔数标度在St* ≈ 0.15时给出零相位交叉点。

引言

随着低碳能源使用和污染物排放控制的要求日益严格，燃烧技术正朝着更高效率、更宽操作范围和更低排放的方向发展[[1], [2], [3]]。预混燃烧系统可以通过调节混合物的当量比、入口流动条件和反应区的停留时间来控制火焰温度、放热强度和污染物形成。因此，它们已被广泛应用于低排放燃气轮机燃烧室、模型燃烧器和基础燃烧研究中[[4], [5], [6], [7]]。然而，预混火焰对混合物组成和流动条件非常敏感。当操作条件偏离适当的当量比范围或来流速度增加时，火焰传播能力、流动停留时间和流动拉伸之间的平衡很容易被破坏，稳定的操作范围则会受到回火、熄灭和燃烧振荡的限制[[8], [9], [10], [11]]。射流火焰具有明确的边界条件、可控的动量输入、清晰的剪切层发展和良好的光学可及性，使其适合研究流动输运、火焰传播和不稳定响应之间的耦合[[12], [13], [14]]。揭示预混射流火焰的稳定性极限、振荡模式演变和动态响应特性，有助于增进对预混燃烧不稳定机制的理解，并支持低排放燃烧系统在宽操作范围内的稳定设计。

稳定性极限为分析预混射流火焰稳定燃烧域内的非定常响应提供了参数基础。Harris等人[15]通过甲烷、丙烷等燃料的本生火焰实验，建立了燃烧速度、淬熄距离、临界速度梯度与回火和熄灭极限之间的定量关系。Kurz[16]进一步表明，燃烧器尺度和外部卷吸环境可以改变火焰根部的稳定化条件。后来基于甲烷燃料/空气层流预混火焰的研究，将稳定性极限的描述从单一临界参数扩展到熄灭、稳定燃烧和回火状态之间的分界，并揭示了火焰状态对当量比、喷嘴直径、层流燃烧速度和局部流速的依赖性[17,18]。对于射流火焰，Rengel和Palacios[19]基于大量熄灭数据开发了一个无量纲关联，表明临界熄灭速度可以由喷嘴尺度、质量流量、燃料性质和外部流动条件共同表征。这些研究从稳定性准则、状态分类和熄灭标度的角度表明，预混射流火焰的稳定性极限受火焰传播能力、流动输运、喷嘴尺度效应和环境卷吸的共同控制。

除了回火和熄灭等边界不稳定性外，稳定燃烧域内的预混火焰仍可能出现由浮力效应和大尺度涡运动引起的低频振荡。关于浮力主导火焰闪烁的现有研究表明，低频振荡与浮力引起的大尺度涡脱落、喷嘴尺度和流动时间尺度密切相关[[20], [21], [22], [23]]。Sato等人[20]研究了不同重力水平下扩散火焰的闪烁运动与弗劳德数和斯特劳哈尔数的关系，表明重力水平、喷嘴尺度和流动条件可以共同影响火焰闪烁特性。Moreno-Boza等人[21]从全局稳定性的角度进一步将层流射流扩散火焰的闪烁解释为浮力引起的流体动力学全局模式。对于预混火焰，Gotoda等人[22]将本生火焰的闪烁频率与St、Ri和Re相关联，表明浮力、惯性和粘性效应的相对强度可以控制全局振荡频率。Qian等人[23]通过倾斜预混锥形火焰的实验和数值模拟表明，重力方向可以改变燃烧产物与周围气体之间的剪切强度，从而改变涡脱落模式和闪烁频率。这些研究表明，低频火焰振荡通常由浮力、剪切和涡脱落的耦合控制，其频率特性与火焰几何尺度和流动时间尺度密切相关。

随着流动强度的增加，火焰响应逐渐从全局运动转变为预混火焰前沿的局部变形和剪切层扰动。从预混火焰前沿动力学的角度来看，Clavin[24]指出，火焰起皱、拉伸、流动扰动和扩散输运共同调制火焰前沿响应。关于强制火焰和本生火焰的研究表明，速度扰动可以通过改变火焰拉伸、曲率和起皱传播来影响放热响应，而局部负拉伸和曲率集中也可能在火焰尖端附近引起局部熄灭[25,26]。此外，预混火焰中的Kelvin–Helmholtz（K–H）扰动和剪切层涡结构的发展可以放大入口扰动，导致火焰前沿起皱和放热率波动[[27], [28], [29]]。因此，在高流速或强剪切条件下，非定常火焰响应可能涉及预混火焰前沿全局运动和局部变形的共同效应。进一步的阐明需要结合结构观测和信号分析。

非定常火焰的诊断通常需要结合瞬态结构观测、全局放热表征和时间-频率信号分析来提取主导频率、能量分布、模态成分和相位关系。CH*和OH*化学发光常用于表征预混火焰的放热响应，但其定量关系受当量比、压力、温度和应变条件的影响[[30], [31], [32]]。在预混火焰动力学研究中，火焰传递函数和描述函数通常使用增益和相位来表征由流动或声学扰动引起的放热响应[33]。基于全局CH*化学发光信号，Kim和Santavicca[34]使用功率谱密度（PSD）和互功率谱密度（CPSD）分析来考察预混火焰的放热响应、增益和相位特性。此外，连续小波变换（CWT）可以解析火焰结构扰动的多尺度演变，变分模态分解（VMD）可以将模态成分分离为自适应频带，相位同步和相位平均方法可以重构周期性振荡期间的相 coerent 火焰结构[[35], [36], [37]]。这些信号分析方法为区分局部火焰结构演变与全局放热表征之间的频率耦合和相位相关性提供了基础。

总体而言，先前的研究在稳定性极限、火焰振荡、局部火焰响应和放热诊断方面奠定了重要基础。然而，预混射流火焰在整个稳定燃烧域内的动态演变仍未得到很好的理解。特别是，主导不稳定模式如何随操作条件变化、预混火焰前沿的局部变形如何与全局化学发光响应相关联，以及两者之间的相位关系是否可以利用具有物理意义的时间尺度进行归并，这些问题仍然不清楚。为了解决这些问题，本研究聚焦于甲烷/空气预混射流火焰。首先测量稳定性极限，并使用不同喷嘴直径的数据分析熄灭极限的尺度依赖性。然后将高速光学诊断和信号分析方法结合起来，识别稳定燃烧域内的火焰振荡模式，并分析流场结构、局部火焰形态和全局化学发光响应之间的关系。最后，利用基于火焰高度的无量纲标度来量化和检验全局-局部相位关系，以建立其与全局和局部不稳定模式转变之间的联系。

章节摘要

实验装置与方法

本研究中使用的预混射流火焰实验系统和光学诊断平台如图1所示。燃烧器由混合管和收缩喷嘴组成。为了确保进气气体的充分混合并提高出口流的均匀性，混合管底部填充了直径为3?mm的实心玻璃珠，高度为3?cm。玻璃珠由不锈钢丝网保留，同时还起到抑制回火的作用。喷嘴出口内径为

稳定性极限与振荡状态分类

为了确定甲烷/空气预混射流火焰的总体稳定范围，图2(a)给出了不同喷嘴直径的燃烧边界，包括熄灭和回火极限。为了清晰起见，本研究的测量结果用红色突出显示，而文献数据[[15], [16], [17]]则用不同线型的灰色显示。阴影带表示十次重复测量的最小值到最大值范围。本研究的测量结果和文献数据表明

结论

本研究结合光学诊断与PSD、CWT、VMD、PLA和CPSD，研究了甲烷/空气预混射流火焰的稳定性极限、振荡状态演变和全局-局部响应特性。

• (1)
  预混射流火焰的临界熄灭速度与喷嘴直径的平方根成正比，即D^1/2。随着出口速度的增加，稳定燃烧域内的火焰状态依次从稳态转变为低频

新颖性与重要性声明

全局化学发光通常被视为预混火焰整体非定常行为的代理。关键的新颖性在于识别了全局-局部解耦：在积分信号中，低频浮力驱动的振荡仍然占主导地位，而在接近熄灭时，间歇性剪切驱动的变形在火焰尖端局部发展。这表明外围涡脱落和预混火焰前沿的局部不稳定性可以在不同的空间和时间

CRediT作者贡献声明

李浩然：撰写——初稿、方法学、调查、正式分析、数据整理。张俊杰：方法学、调查、数据整理。王世佳：方法学、调查、数据整理。郭晓夫：调查、数据整理。胡二江：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、调查、经费获取、概念化。尹格源：撰写——审阅与编辑。黄佐华：撰写——审阅与编辑。

李浩然|张俊杰|王世佳|郭晓夫|胡二江|尹格源|黄佐华