《Experimental Thermal and Fluid Science》：Dynamics of self-excited thermoacoustic instability during lean operation of an inverse diffusion methane–oxygen flame
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摘要在剪切同轴喷嘴上稳定的甲烷-氧气逆向扩散火焰中，在三个热功率水平下对自激热声不稳定性进行了实验研究。在保持燃料流量不变的情况下，随着氧气流量的增加，应用了声学测量、高速OH\*和CH\*化学发光成像、纹影成像以及模态分解方法。火焰从稳定燃烧经过间歇性转变为极限环振荡，在各
摘要
在剪切同轴喷嘴上稳定的甲烷-氧气逆向扩散火焰中，在三个热功率水平下对自激热声不稳定性进行了实验研究。在保持燃料流量不变的情况下，随着氧气流量的增加，应用了声学测量、高速OH\*和CH\*化学发光成像、纹影成像以及模态分解方法。火焰从稳定燃烧经过间歇性转变为极限环振荡，在各功率水平下，在一致的当量比和速度比下开始发生。该不稳定性发生在腔体的第一纵向模态上，通过本征频率预测和缩短腔体实验得到了证实。热释放驱动了振荡，全局瑞利指数为+0.99，并且局限于内部氧气-甲烷剪切层中，在转变过程中冷凝为单一的主导相干模态。在喷注器出口附近，每个声学周期内涡旋形成在活跃半周期和静止半周期之间交替进行，而火焰根部仍然固定；在相同喷注器条件下，缩短的腔体中不存在这种组织形式。这些观察表明，该不稳定性是由依赖于腔体声学的周期性涡旋形成维持的。声学振荡是通过调节甲烷注入速度触发卷曲，还是直接作用于剪切层，仍有待确定。
引言
热声不稳定性发生在燃烧系统中，这是由于压力振荡与热释放之间的相互作用。当热释放与压力振荡同相波动时，燃烧热释放向腔体声学系统提供能量，从而驱动不稳定性[1]。每当火焰被限制在具有确定声学边界条件的腔室中时，就会发生这种现象，在多个实际系统中都存在这种情况，包括锅炉、燃烧器、燃气轮机和液体火箭发动机[2]、[3]。火焰、流动和声学之间的这种动态耦合已被证实会导致几种有害影响，如火焰吹熄、火焰回火、导致硬件损坏的严重振动以及高局部热通量[4]。随着燃烧系统的工作包线向低排放、燃料稀薄区域扩展，以及由节流引起的瞬态变化成为必要，触发自激热声不稳定性的机会增加。因此，表征这些不稳定性并确定在各种实际和实验室配置中控制其发生的物理条件，在基础和应用方面都具有重要性。
在预混系统中，火焰对当量比波动有显著响应，其中的热声不稳定性一直是广泛研究的对象[5]、[6]、[7]。在这样的系统中，从稳定燃烧到完全发展的极限环振荡的转变之前会出现间歇性——一个以非周期振荡中零星爆发的相干振荡为特征的状态[8]、[9]、[10]。已证明，非线性分析，如符号时间序列分析、多重分形去趋势波动分析和重演分析，可以量化这种间歇性，并作为预测向燃烧不稳定性转变的前兆[11]、[12]、[13]、[14]。相比之下，非预混火焰表现出根本不同的响应特性，因为它们的热释放不是由全局当量比决定的，而是由局部混合和夹带决定的[15]。因此，扩散火焰中自激不稳定性的路径了解较少，实验上也探索不足[16]。
一种显著的非预混配置是逆向扩散火焰（IDF），其中氧化剂从中心端口注入，燃料从周围的环形端口注入。与正常扩散火焰相比，IDF表现出更陡峭的梯度和对局部混合率的更强依赖性[17]、[18]。它们的火焰稳定主要依赖于内部氧化剂-燃料界面的剪切层夹带和涡旋诱导混合，使IDF对涡旋形成、速度比和喷嘴几何形状的变化极为敏感。特别对于空气-燃料IDF，最近的研究使用信号分析方法表征了不稳定性发生前的动力学转变[19]。氧气-燃料燃烧提供了改善的燃烧和排放性能、更高的燃烧效率和扩展的可燃极限，并在多个应用中越来越多地取代空气-燃料燃烧[20]、[21]。然而，对于氧气-燃料IDF，热声不稳定过程中火焰和流动动力学的空间分辨实验表征，以及所涉及的声学耦合，在很大程度上仍然在文献中缺失。
用于液体火箭发动机喷嘴和工业炉燃烧器的剪切同轴喷嘴，为研究受限的IDF动力学提供了一个标准几何形状。同轴射流具有两个势核区域：内芯和外芯[22]。流场表现出类似尾流和类似剪切的不稳定性，它们决定了混合的程度[23]、[24]。类似尾流的混合源于喷嘴唇口有限厚度后面的流动分离和回流，因此在具有较厚唇口的喷嘴中更为明显。剪切层不稳定性是由内射流和外射流之间的速度差引起的凯尔文-亥姆霍兹（K-H）不稳定性。它总是存在于外剪切层中，但其在内剪切层中的强度取决于速度比。这两种不稳定性都会产生涡旋，增加两股流之间的接触面积并促进混合[25]。射流速度、密度比和喷嘴几何形状决定了这些涡旋的时间尺度。燃烧室的声学时间尺度由几何形状和平均气体温度决定，提供了可以与剪切层动力学相互作用并调节热释放率的外部周期性驱动。最近关于甲烷-氧气剪切同轴喷嘴的实验工作已经表征了稳定条件下的火焰结构和混合[26]，并展示了单元件高压燃烧器中的燃烧不稳定行为[27]。在低温火箭发动机的背景下，已证明剪切同轴喷嘴的涡旋动力学可以驱动或维持高频热声模态[28]、[29]。然而，在大气压、气态甲烷-氧气IDF中自激热声不稳定性在亚尺度下发展的条件，以及伴随转变的火焰和流动动力学尚未表征。
本研究通过系统地实验表征在剪切同轴喷嘴上稳定的甲烷-氧气逆向扩散火焰的热声行为来解决这一空白，跨越三个热功率水平，对应的燃料质量流量为0.01、0.02和0.03 g/s。在每个功率水平上，氧气流量从近化学计量比条件增加到稀薄吹熄。采用声学压力测量、高速OH\*和CH\*化学发光成像和纹影可视化来识别不同的热声状态、表征导致不稳定性的声学模态，并记录整个不稳定周期中的火焰和剪切层动力学。正交分解和动态模态分解应用于图像序列，以分离与不稳定性相关的相干结构。该研究建立了控制所有三个功率水平下稳定性边界的参数条件，并表征了产生驱动不稳定性的周期性热释放振荡的剪切层涡旋动力学。
章节摘要
试验装置
实验装置包括安装在正方形截面燃烧室中的单元件剪切同轴喷嘴、气态甲烷和氧气供给管路，以及用于高速OH\*化学发光和燃烧噪声测量的装置。试验装置示意图如图1所示。
喷嘴示意图如图2(a)所示，包括一个出口直径为2.7 mm的中心氧气元件和一个具有环形孔口的甲烷元件，具有一个
结果与讨论
在本研究中，通过保持恒定的燃料流量并增加氧气流量，实验研究了同轴剪切喷嘴中甲烷-氧气逆向扩散火焰的火焰动力学，使全局当量比从近化学计量比变化到燃料稀薄条件。从具有低幅度、非周期性热释放和声学压力波动的稳定火焰转变为具有高幅度、周期性极限环
结论
在剪切同轴喷嘴上稳定的甲烷-氧气逆向扩散火焰中，在约0.5、1.0和1.5 kW的热功率下，对自激热声不稳定性进行了实验研究。随着在固定燃料流量的情况下氧气流量的增加，使用声学压力测量、高速OH\*和CH\*化学发光和纹影成像以及模态分解来表征火焰、流动和声学动力学。
测量结果显示如下。随着
CRediT作者贡献声明
Deepak Kumar E.：撰写——初稿、方法论、研究、数据整理、构思。Aravind Vaidyanathan：撰写——审稿与编辑、指导、方法论、构思。C.K. Muthukumaran：撰写——审稿与编辑、指导、方法论、构思。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢印度空间科学与技术在理工学院（IIST）先进推进与激光诊断（APLD）实验室的Vinil Kumar R.R.、Sujin Raj K.S.、Saran S. Dharan和Martin Raju提供的宝贵支持。本研究得到了液体推进系统中心（LPSC）ASRG项目（项目编号：IIST/LPSC/11/2024/35）的支持。
Deepak Kumar E.|Aravind Vaidyanathan|C.K. Muthukumaran
印度空间科学与技术在理工学院航空工程系，特里凡得琅，695547，喀拉拉邦，印度
