鄧 凱，李 華，楊臧健，鐘英杰

（浙江工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程研究所脈動(dòng)技術(shù)工程研究中心，杭州 310014）

基于紅外和紋影技術(shù)研究聲作用下火焰鋒面運(yùn)動(dòng)及熱量演化

鄧 凱＊，李 華，楊臧健，鐘英杰

（浙江工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程研究所脈動(dòng)技術(shù)工程研究中心，杭州 310014）

以Rijke型駐波聲場為聲環(huán)境，以本生型層流部分預(yù)混火焰為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究了火焰在聲場作用下的鋒面運(yùn)動(dòng)及熱量演化行為。通過火焰紅外圖像表征燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的高溫產(chǎn)物，借助火焰紋影圖像描述徑向溫度梯度分布，并以紅外－紋影信息一體化的圖像說明了高溫產(chǎn)物與徑向溫度梯度的關(guān)系。結(jié)果表明，聲場作用下的部分預(yù)混火焰，其高溫產(chǎn)物附著在鋒面上，表現(xiàn)為層分布的對(duì)稱型尖頭結(jié)構(gòu)，下游區(qū)域較上游區(qū)域幅面更寬；軸向熱量演化過程以尖頭狀分布方式在聲周期內(nèi)經(jīng)歷2次升降過程，向火焰下游方向輸運(yùn)，徑向熱量傳遞過程所形成的溫度梯度輪廓表現(xiàn)為“手指狀”，由高溫產(chǎn)物的尖頭結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)決定。

火焰動(dòng)力學(xué)；熱量演化；部分預(yù)混火焰；駐波聲場；燃燒不穩(wěn)定

0 引 言

研究聲場與火焰的作用有著重要的工程價(jià)值和理論意義。一方面，聲與火焰的耦合，將有效地組織燃燒過程，不僅強(qiáng)化了燃燒和傳熱，而且有效降低污染物的排放量，脈動(dòng)燃燒技術(shù)是其典型代表；另一方面，燃燒過程中放熱波動(dòng)與壓力脈動(dòng)滿足一定相位關(guān)系（瑞利準(zhǔn)則），將誘發(fā)熱聲振蕩，也稱為燃燒不穩(wěn)定，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等重要?jiǎng)恿ρb置設(shè)計(jì)與運(yùn)行中所遇到的技術(shù)難題，目前為止，一直沒有得到有效的解決。此外，基于流動(dòng)與燃燒的關(guān)系，火焰在聲場速度脈動(dòng)作用下的響應(yīng)行為，如放熱、火焰動(dòng)力學(xué)等，對(duì)于認(rèn)識(shí)湍流火焰燃燒特性具有重要意義。

學(xué)術(shù)界當(dāng)前主要關(guān)注聲場作用下貧燃預(yù)混火焰的響應(yīng)行為，代表性的思想是構(gòu)建描述速度脈動(dòng)與放熱量變化之間關(guān)系的火焰?zhèn)鬟f函數(shù)。Durox等［1］測量了不同幾何形狀的火焰在聲場下的火焰?zhèn)鬟f函數(shù)，根據(jù)傳遞函數(shù)增益和相位差2方面的數(shù)據(jù)，比較了形狀不同帶來的非線性響應(yīng)差別，分析了幾何形狀對(duì)火焰動(dòng)力學(xué)的影響。Balachandran等［2］實(shí)驗(yàn)研究了速度脈動(dòng)作用下湍流預(yù)混火焰的非線性響應(yīng)行為，重點(diǎn)關(guān)注貧燃預(yù)混火焰在大振幅聲場作用下的飽和機(jī)理。Lieuwen［3］以本生型錐焰為建模對(duì)象，通過求解恒定火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊匿h面動(dòng)力學(xué)方程（G－方程），研究了火焰結(jié)構(gòu)特征參量對(duì)聲場作用下火焰動(dòng)力學(xué)特性的影響，分析了火焰?zhèn)鬟f函數(shù)從線性響應(yīng)發(fā)展為非線性響應(yīng)的條件。

這些工作存在1個(gè)共同的特點(diǎn)：研究對(duì)象是化學(xué)當(dāng)量比為1左右的預(yù)混火焰，其原因可能有2點(diǎn)，一是工程中燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室熱聲振蕩的條件是貧燃預(yù)混燃燒，二是理論上描述火焰鋒面動(dòng)力學(xué)特性的G－方程是基于一維火焰的假設(shè)。值得注意的是，作為燃燒方式中同樣重要的部分預(yù)混火焰（Partially premixed flame），其在聲場下的響應(yīng)行為則很少被人關(guān)注。最近，Kim等［4］以燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)的部分預(yù)混旋流燃燒器火焰為對(duì)象，研究了火焰在受到聲場機(jī)理下的響應(yīng)行為，作者認(rèn)為聲場作用下部分預(yù)混火焰的響應(yīng)行為目前還沒有被很好地認(rèn)識(shí)，原因是其間的作用關(guān)系更為復(fù)雜，涉及化學(xué)、火焰動(dòng)力學(xué)等方面的難點(diǎn)更為突出。

本文以Rijke型駐波聲場為聲環(huán)境，以本生型層流部分預(yù)混火焰為關(guān)注對(duì)象，借助多種測試手段，通過分析聲波振蕩周期內(nèi)火焰的時(shí)間序列紅外圖像和紋影圖像，揭示火焰鋒面的運(yùn)動(dòng)過程及由此帶來的熱量演化行為。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 聲場發(fā)生系統(tǒng)

激勵(lì)火焰的聲環(huán)境由Rijke管實(shí)現(xiàn)，管內(nèi)要實(shí)現(xiàn)激勵(lì)的聲場需滿足以下條件：（1）Rijke管兩端開口，保證管內(nèi)存在一定的平均流速；（2）距管下端1／4管長處存在熱源，且熱源需形成一定的溫度梯度；（3）保證Rijke管為良好的聲保持系統(tǒng)，即管側(cè)壁需完全密封，不發(fā)生聲泄漏；（4）Rijke管長徑比大于10。

綜合考慮上述條件，設(shè)計(jì)Rijke管為兩端開口的直管，管徑為150mm，管長為1.6m。如圖1所示，在管內(nèi)距離下端口400mm（管長的1／4）處設(shè)置一通透性較好的近似平面熱源，在熱源加熱過程中，熱對(duì)流產(chǎn)生的管內(nèi)氣體流動(dòng)與熱源放熱過程互相作用，使聲壓與放熱滿足一定的相位關(guān)系，最終激發(fā)管內(nèi)的熱聲振蕩。這種聲環(huán)境是典型的一維駐波聲場［5］，圖1右側(cè)給出了壓力脈動(dòng)量和速度脈動(dòng)量的管內(nèi)分布特征，管內(nèi)中點(diǎn)位置壓力振幅最大，速度振幅最小，管口兩端則與此相反，在距管下端1／4管長位置，該點(diǎn)的壓力振幅和速度振幅的乘積最大，最易于激發(fā)熱聲振蕩。實(shí)驗(yàn)中的Rijke管采用內(nèi)徑150mm、壁厚4mm的碳鋼管，熱源由螺旋狀電爐絲盤繞而成。為確保管內(nèi)的流動(dòng)通暢，熱源支架由5根寬度為10mm的硅條按72°等角度均布排列?；鹧媸芗?lì)位置選擇壓力振幅和速度振幅相對(duì)較大的上1／4位置。聲壓特征通過在Rijke管側(cè)壁上設(shè)置壓力傳感器提取，位置與火焰基部（燃燒器出口）對(duì)應(yīng)。

理論上n階的聲壓和速度波動(dòng)表示為：

式中：An為壓力振幅；kn＝ωn／c為波數(shù)；ωn＝nπc／L為n階聲場的頻率；ρ0為氣體密度；c是聲速；L是管長。由上述公式可知，管內(nèi)聲場頻率由本地聲速和管長決定，振幅由熱源的輸出功率決定。實(shí)際測得的聲場參數(shù)為：火焰位置的聲壓級(jí)（SPL）為144dB，管內(nèi)聲頻率為111Hz，對(duì)應(yīng)周期為9ms。

圖1 火焰振蕩聲環(huán)境示意圖Fig.1 Acoustic field excited by Rijke tube

1.2 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，甲烷和空氣分別由各自供氣系統(tǒng)送入混合腔4，流量用熱式流量計(jì)測量，預(yù)混后的氣體經(jīng)混氣管2進(jìn)入燒嘴3，燒嘴由內(nèi)徑13mm、厚度2.5mm的不銹鋼管加工而成，在沒有聲場作用的情況下火焰為本生型。Rijke管上方管段設(shè)置了一對(duì)平行放置的石英視窗，尺寸為90mm× 400mm，供紋影法和紅外攝像觀測火焰。火焰的特征參量為甲烷流量1000m L／min，一次空氣當(dāng)量比為1.57，燃燒器內(nèi)氣流Re數(shù)為790，這種火焰在沒有聲場作用的條件下表現(xiàn)為雙火焰（Double flame）結(jié)構(gòu)。

圖2 燃燒系統(tǒng)示意圖Fig.2 Experimental system

1.3 紋影和紅外拍攝系統(tǒng)

紋影系統(tǒng)的布置如圖3所示，光源處發(fā)出的光線，經(jīng)過多組光學(xué)元件后，以平行光穿過Rijke管內(nèi)的火焰區(qū)域，而后經(jīng)一組球面反射鏡匯聚于主反射鏡（二）焦點(diǎn)位置的光刀處，紋影圖像由光刀后方的相機(jī)記錄，刀口布置的方向與狹縫方向設(shè)置相同。

拍攝火焰紅外圖像的CCD光譜如圖4所示，紅外CCD的平均響應(yīng)主要集中在近紅外波段。拍攝中對(duì)整體火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，相機(jī)至于視窗前方一定位置（物距約22cm），另一視窗的內(nèi)側(cè)加設(shè)黑色云母板，目的是為拍攝過程提供慢反射背景，避免由于石英玻璃表面光線發(fā)生鏡面反射對(duì)圖像記錄構(gòu)成影響。

圖3 紋影攝像系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schlieren system

圖4 紅外相機(jī)CCD光譜響應(yīng)曲線Fig.4 Spectral response curve of infrared CCD

1.4 相位鎖定同步拍攝系統(tǒng)

通過壓力相位鎖定的記錄方式，對(duì)壓力信號(hào)和紅外圖像進(jìn)行同步觸發(fā)，其系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 壓力信號(hào)與紅外圖像同步觸發(fā)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Synchronous system for pressure signal and infrared image

信號(hào)發(fā)生器1發(fā)出連續(xù)的TTL電平觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)開關(guān)2后被分為2路，一路與紅外相機(jī)3的觸發(fā)接口連接，另一路與數(shù)據(jù)采集器4的觸發(fā)通道連接，壓力傳感器6與數(shù)據(jù)采集器4的其它采集通道連接。相機(jī)和數(shù)據(jù)采集器設(shè)置為單次觸發(fā)模式，對(duì)應(yīng)的作業(yè)方式為：由TTL電平信號(hào)觸發(fā)后，儀器以自身的采樣頻率連續(xù)采集信號(hào)。具體的試驗(yàn)過程為：斷開觸發(fā)信號(hào)開關(guān)，分別激活紅外相機(jī)和數(shù)據(jù)采集器的采集狀態(tài)，當(dāng)二者均為等待觸發(fā)信號(hào)的狀態(tài)時(shí)，閉合信號(hào)開關(guān)，TTL信號(hào)分別觸發(fā)紅外相機(jī)和數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)了紅外時(shí)序圖像和聲場壓力信號(hào)的同步連續(xù)采集。為確保觸發(fā)時(shí)刻足夠短，紅外相機(jī)和數(shù)據(jù)采集器均設(shè)置為上升沿（Rising）觸發(fā)，信號(hào)發(fā)生器TTL電平信號(hào)的脈沖頻率為8k Hz，對(duì)應(yīng)的信號(hào)周期遠(yuǎn)小于聲周期。此外，紅外相機(jī)的曝光時(shí)間和快門等待時(shí)間分別為0.1和10ms，數(shù)據(jù)采集器的采樣頻率與相機(jī)的快門時(shí)間相匹配，設(shè)置為10 k Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外和紋影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

火焰的紅外圖像用于描述聲周期下火焰鋒面的運(yùn)動(dòng)特性和熱量演化，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）在紅外成像的物理過程上，火焰自發(fā)光紅外光譜波段的光輻射具有較高的能量。火焰紅外圖像是由燃燒區(qū)域能夠輻射紅外光線的物質(zhì)在CCD上成像而得到的，對(duì)于甲烷－空氣的燃燒反應(yīng)而言，二氧化碳和水是主要的燃燒產(chǎn)物，二者主要集中在紅外波段［67］，即便是缺氧條件下形成碳煙，其輻射強(qiáng)度最大值也處于紅外區(qū)［8］，因此，形成甲烷火焰紅外圖像的光線具有較大的輻射強(qiáng)度，圖像中的平均灰度值更高，火焰區(qū)域與背景區(qū)域的對(duì)比度更大。

（2）甲烷火焰的紅外圖像，在物理意義上，描述了燃燒反應(yīng)后產(chǎn)生高溫產(chǎn)物的分布及運(yùn)動(dòng)。這些高溫產(chǎn)物包圍在燃燒反應(yīng)區(qū)域附近，近似地表征了反應(yīng)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)過程。顧璠等［9］利用湍流火焰的紅外圖像表征大渦逆序結(jié)構(gòu)的做法可說明這一點(diǎn)。

圖6對(duì)可見圖像和紅外圖像進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)火焰整體分別采用單反和紅外相機(jī)進(jìn)行拍攝。其中，可見圖像通過單反相機(jī)獲得，快門時(shí)間為0.25ms，紅外圖像的快門時(shí)間為0.1ms。外輪廓上，二者都具有對(duì)稱的尖頭（Cusp）結(jié)構(gòu)，數(shù)量和空間分布幾乎相同，但紅外圖像比單反圖像中的尖頭結(jié)構(gòu)尺寸更大，對(duì)應(yīng)總體的火焰幅面更寬。因此，對(duì)于描述鋒面運(yùn)動(dòng)過程中尖頭結(jié)構(gòu)的發(fā)展與變化而言，紅外圖像更能夠突顯特征結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

圖6 火焰可見圖像與紅外圖像對(duì)比Fig.6 Comparison of visible and infrared flame images

火焰的紋影圖像則可用于描述徑向的熱量傳遞，根據(jù)Dunn－Rankin等［10］的觀點(diǎn)，紋影信息描述了燃燒區(qū)域溫度梯度較大的位置，那么火焰紋影輪廓將反映火焰前鋒附近的溫度梯度，由此可推導(dǎo)對(duì)應(yīng)的熱量傳遞。最終，火焰紅外和紋影2類圖像的綜合信息將有效揭示甲烷火焰的熱量演化過程及特征。

2.2 部分預(yù)混火焰的鋒面結(jié)構(gòu)

圖7給出了采用相位鎖定方法拍攝的不同時(shí)刻的紅外火焰圖像，以此描述聲場作用下部分預(yù)混火焰的鋒面運(yùn)動(dòng)過程，其中紅外相機(jī)的曝光時(shí)間為0.1ms?？拷紵鞒隹诟浇幕鹧鎱^(qū)域?yàn)榛鹧娴纳嫌危h(yuǎn)離燃燒器出口的火焰頂部區(qū)域處為火焰的下游，對(duì)不同高度的尖頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行編號(hào)，在45°相位圖像中由上游至下游的4層尖頭依次編號(hào)為1～4號(hào)，1號(hào)和2號(hào)定義為上游，3號(hào)和4號(hào)定義為下游，以此描述鋒面運(yùn)動(dòng)過程和結(jié)構(gòu)特征。

由圖7可知，對(duì)于部分預(yù)混火焰鋒面而言，各個(gè)相位下的火焰具有相似的空間結(jié)構(gòu)特征，尖頭結(jié)構(gòu)仍是其在聲激勵(lì)下的典型動(dòng)力學(xué)特征?；鹧娼Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)層狀分布，鋒面上尖頭的數(shù)量相對(duì)固定，連續(xù)的火焰區(qū)域存在約4對(duì)；火焰下游的幅面更寬，上游的幅面相對(duì)較窄，同時(shí)距離下游火焰頂部一定距離處均存在弧線狀孤立區(qū)域。

對(duì)預(yù)混火焰的研究表明［3］，預(yù)混鋒面在聲場作用下存在2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(duì)流運(yùn)動(dòng)。對(duì)流波是2種運(yùn)動(dòng)形式產(chǎn)生的主要鋒面幾何特征，對(duì)應(yīng)著預(yù)混鋒面上軸對(duì)稱的褶皺和尖頭結(jié)構(gòu)。對(duì)流波的波長決定鋒面切向相鄰2個(gè)尖頭結(jié)構(gòu)之間的距離，由鋒面對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成；對(duì)流波的幅值決定尖頭結(jié)構(gòu)的明顯程度，由鋒面?zhèn)鞑ミ\(yùn)動(dòng)形成。

而根據(jù)擴(kuò)散鋒面的研究結(jié)果，聲激勵(lì)的作用下，鋒面運(yùn)動(dòng)由單方向?qū)α鬓D(zhuǎn)為往復(fù)式的變速運(yùn)動(dòng)。Hardalupas Y等［11］提出的唯象模型（Phenomenological model）描述，這種往復(fù)式的變速運(yùn)動(dòng)將在擴(kuò)散鋒面的外圍區(qū)域形成一系列的渦街，相鄰2個(gè)渦團(tuán)的卷吸作用產(chǎn)生了鋒面上的尖頭結(jié)構(gòu)。因此，尖頭結(jié)構(gòu)的明顯程度應(yīng)主要與渦團(tuán)的運(yùn)動(dòng)行為有關(guān)。

綜上所述，對(duì)于部分預(yù)混火焰而言，其在聲作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)為對(duì)流波和渦團(tuán)2種行為的綜合結(jié)果。根據(jù)對(duì)流波的運(yùn)動(dòng)特征，聲周期的不同時(shí)刻，鋒面形成脈動(dòng)位移最大值的位置不同，在火焰的下游和上游區(qū)域分別形成火焰基部和頂部的變形。因此，將火焰鋒面上有尖頭出現(xiàn)的區(qū)域進(jìn)行劃分，4個(gè)區(qū)域的出現(xiàn)描述了沿鋒面法向的傳播運(yùn)動(dòng)。

2.3 火焰鋒面的運(yùn)動(dòng)行為

如圖7所示，上半周期：前1／4周期內(nèi)（0°～90°相位），上游的1號(hào)尖頭包圍燃燒器外壁的面積逐漸增大，紅外輪廓的幅面增加，最低點(diǎn)略有下降；2號(hào)尖頭的尖角上翹，在空間高度略有降低；3號(hào)尖頭和4號(hào)尖頭之間連接部分不斷減小，4號(hào)尖頭在空間上絕對(duì)高度保持不變，3號(hào)尖頭處于下降過程，二者之間呈現(xiàn)了明顯的分離特征，從整體上看，火焰在該時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)下降的運(yùn)動(dòng)形式。隨后（90°～180°相位），90°相位下的4號(hào)尖頭從火焰本體上脫離，形成了空間上孤立的紅外區(qū)域，如180°相位的圖像所示，這一過程描述了高溫產(chǎn)物隨火焰鋒面運(yùn)動(dòng)最終脫離火焰本體的過程；同時(shí)，火焰基部紅外輪廓的幅面逐漸減小，最低點(diǎn)不斷上升，包圍燃燒器外壁的特征消失，基部輪廓的寬度在135°后幾乎接近燃燒器內(nèi)徑，尖頭結(jié)構(gòu)的尖角收縮，整個(gè)火焰呈拉伸狀，運(yùn)動(dòng)形式表現(xiàn)為上升。

下半周期：鋒面由向上運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為向下運(yùn)動(dòng)，向上拉伸過程中逐漸減小的尖頭尖角在下降過程中不斷擴(kuò)大，在火焰下游區(qū)域，頂部逐漸展開，幅面變寬，表現(xiàn)為壓縮的鋒面變形特征。此后（270°～360°相位），火焰鋒面再次上升，呈現(xiàn)出90°～180°相位時(shí)間段內(nèi)的鋒面運(yùn)動(dòng)行為。

圖7 火焰時(shí)間序列紅外圖像Fig.7 Infrared images at different phases

2.4 火焰的熱量演化

整個(gè)周期內(nèi)火焰區(qū)域的高溫產(chǎn)物經(jīng)歷了2次下降和上升的過程，同時(shí)擴(kuò)散鋒面上尖頭結(jié)構(gòu)周期性地發(fā)展。結(jié)合鋒面的運(yùn)動(dòng)行為和尖頭結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程，認(rèn)為聲波作用下部分預(yù)混火焰沿軸向的熱量演化路徑為：火焰基部處的反應(yīng)熱，以高溫產(chǎn)物為載體，由上游至下游運(yùn)動(dòng)，沿程匯聚不同位置（各層各處的尖頭結(jié)構(gòu)）產(chǎn)生的反應(yīng)熱，最終從火焰頂部脫離反應(yīng)區(qū)域，以較大的表面積向下游的氣體傳遞。

圖8為拍攝的火焰時(shí)間序列紋影圖像，使用的紋影系統(tǒng)光刀沿水平方向移動(dòng)，因此圖中亮暗區(qū)域及其對(duì)比度反映的是火焰區(qū)域沿水平方向的溫度梯度，目的是說明徑向的熱量演化。總體結(jié)構(gòu)上，包括內(nèi)錐和外輪廓2部分，外輪廓的空間分布方式與紅外圖像相似，以一層一層的形式存在，但紅外圖像的尖頭結(jié)構(gòu)在紋影圖像上表現(xiàn)為“手指狀”結(jié)構(gòu)。周期運(yùn)動(dòng)過程中，紋影圖像的各層結(jié)構(gòu)也存在下降和上升2個(gè)階段，下面就上述存在的異同及反映的實(shí)際物理現(xiàn)象進(jìn)行討論。

由于紅外圖像表征的是高溫產(chǎn)物的空間分布，而紋影圖像描述的是水平方向溫度梯度的分布，從熱量與溫度梯度的關(guān)系考慮，尖頭結(jié)構(gòu)作為“熱源”，所形成的徑向溫度梯度輪廓線表現(xiàn)“手指狀”的弧線是合理的，而“熱源”一層一層分布也決定了溫度梯度的分布形式。為驗(yàn)證上述分析的正確性，拍攝了紋影和紅外信息一體化的圖像。具體的做法是，以紅外相機(jī)作為紋影系統(tǒng)的記錄裝置，將圖3中的狹縫2盡量關(guān)小，使穿過火焰區(qū)域平行光的亮度與火焰自身發(fā)出的紅外光線亮度接近，同時(shí)設(shè)置紅外相機(jī)的增益程度，提高CCD的感光度（ISO），獲得如圖9所示的圖像。圖9中，明亮的區(qū)域與紅外信息對(duì)應(yīng)，依然表現(xiàn)為尖頭狀的特征，亮暗相間的區(qū)域?yàn)榧y影信息，外輪廓線為“手指狀”。“手指狀”的紋影輪廓與“尖狀體”位于同一高度，二者在“分層”和“配合”2個(gè)方面都比較吻合。

圖8 火焰時(shí)間序列紋影圖像Fig.8 Schlieren images at different phases

圖9 紅外與紋影信息一體化圖像Fig.9 Schlieren and infared integrated images

由此可知，聲波作用下的部分預(yù)混火焰區(qū)域中，由于高溫產(chǎn)物與周圍二次空氣之間存在溫度差和流速差，在火焰鋒面的運(yùn)動(dòng)過程中存在徑向的熱量傳遞，結(jié)構(gòu)上分層的尖頭結(jié)構(gòu)形成分層的“手指狀”溫度梯度輪廓，升降式的運(yùn)動(dòng)方式使不同時(shí)刻的徑向熱量傳遞過程差別較大。

3 結(jié) 論

（1）聲波作用下的部分預(yù)混火焰，在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為多層對(duì)稱的尖頭結(jié)構(gòu)，尖頭結(jié)構(gòu)與對(duì)流波和渦團(tuán)運(yùn)動(dòng)有關(guān)；鋒面在聲波振蕩的周期內(nèi)經(jīng)歷2次上升和下降的過程，熱量演化由這些結(jié)構(gòu)發(fā)展過程和鋒面運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定。

（2）軸向熱量傳遞：火焰基部處的反應(yīng)熱，以高溫產(chǎn)物為載體，由上游至下游運(yùn)動(dòng)，沿程匯聚不同位置（各層尖頭結(jié)構(gòu)）產(chǎn)生的反應(yīng)熱，最終從火焰頂部脫離反應(yīng)區(qū)域，以較大的表面積向下游的氣體傳遞。

（3）徑向熱量傳遞：形成分層的“手指狀”溫度梯度輪廓，發(fā)生徑向傳熱過程的軸向位置隨相位的改變周期性變化。

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Investigation of heat transfer and flame dynamics under acoustic excitation based on infrared and shadow method

Deng Kai＊，Li Hua，Yang Zangjian，Zhong Yingjie
（Institute of Energy and Power Engineering，Engineering Research Center of Pulse Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China）

The heat transfer of partially premixed laminar flame under Rijke acoustic standing wave was investigated.The flame dynamics and hot products could be captured by the infrared images and the radial temperature gradient distribution could be shown by schlieren imaging.The relationship between the hot products and the radial temperature is characterized with infraredschlieren information integration.The results show that the hot products attached on the flame front under acoustic excitation present a symmetric structure of tip layer distribution.And the downstream region is wider than the upstream region.In one sound cycle the axial heat evolution shows a tip shape transporting heat to the downstream of the flame through two lifting processes.The temperature gradient induced by the radial heat transfer takes a finger shape whose evolvement is decided by the development of the cusps.

flame dynamics；heat transfer；partially premixed flame；acoustic standing wave；combustion instability

TK31

A

（編輯：李金勇）

1672－9897（2016）06－0026－06

10.11729／syltlx20160069

2016－04－26；

2016－08－19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51106139）

＊通信作者E－mail：dkai＠zjut.edu.cn

Deng K，Li H，Yang Z J，et al.Investigation of heat transfer and flame dynamics under acoustic excitation based on infrared and shadow method.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（6）：26－31.鄧 凱，李 華，楊臧健，等.基于紅外和紋影技術(shù)研究聲作用下火焰鋒面運(yùn)動(dòng)及熱量演化.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30（6）：26－31.

鄧 凱（1984－），女，湖北天門人，博士，講師。研究方向：火焰動(dòng)力學(xué)／燃燒污染物／燃燒不穩(wěn)定性。通信地址：浙江省杭州市潮王路18號(hào)浙江工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程研究所（310014）。E－mail：dkai＠zjut.edu.cn