駐波聲場對層流火焰燃燒的影響

宋 強，聶萬勝，王 輝，蘇凌宇，楊新壘

（航天工程大學，北京，101416）

0 引 言

液體火箭發動機工作過程中，燃料液滴的蒸發燃燒是獲取推力的主要方式，但是液滴的不穩定燃燒過程與聲學震蕩相耦合時就會產生自激震蕩，其中流動與混合過程的擾動導致了熱釋放率的振動，熱釋放率的振動又會產生聲音的振動，反過來聲壓的振動又會重新造成流場參數的改變[1]，形成不穩定燃燒的閉合反饋。聲與火焰的耦合，將影響蒸發燃燒過程，因此研究火焰與聲波的耦合很有意義。

Duvvur[2]和 Ha[3]采用數值模擬揭示了聲音可以替代流動，闡明聲場對液滴蒸發過程產生影響；Umemura[4]把聲音作為壓力震蕩并且闡明聲波對蒸發穩定性的影響；Sujith[5]等在密閉聲波導管中利用揚聲器產生小幅聲場振蕩，研究了軸向聲場振蕩對煤油液滴蒸發燃燒過程的影響；甄麗[6]采用實驗的方法研究了圓柱形空間內的聲波對燃燒火焰穩定性的影響，找到了引起燃燒火焰不穩定的聲波頻率和聲壓級。

進一步研究發現駐波聲場中的聲音流對液滴蒸發燃燒的影響占主導，Mitsuaki[7]提出在駐波聲場中存在一種類似于自然對流的聲輻射流動，控制著火焰的形狀和燃燒率；此外，多數研究中為了簡化常常針對預混燃燒；曹紅加[8]等研究了層流預混火焰的燃燒不穩性，提出聲波擾動時層流預混火焰表面溫度脈動的簡化模型，通過實驗表明預混火焰表面溫度隨著聲波擾動的頻率脈動；張越峰[9]獲取了聲場激勵下的脈動預混燃燒火焰的動態溫度序列，得出火焰溫度的低頻脈動頻率分布；李祥晟[10]等對貧油預混燃燒室的燃燒穩定性進行了數值研究，指出貧焰燃燒可以使氮氧化物的排放量降低，并且會受到燃燒穩定性的影響，因為貧油預混燃燒有較大的動態范圍，可以促進壓力振蕩和火焰熱釋放波動的耦合，導致了持續的大幅度振蕩的熱聲流。

火箭發動機實際屬于擴散燃燒，而針對擴散燃燒過程的研究較少，Dattarajan[11]等對密閉聲波導管中單個聲學激勵的甲醇液滴在微重力和正常重力條件下的燃燒特征開展了研究，提出一種新型的液滴懸掛方法，并且指出在微重力情況下液滴在聲壓波節處燃燒時，液滴燃燒率增加了200%，聲場影響了火焰結構和燃燒率；Saito[12]等提出駐波聲場頻率小于100 Hz，聲壓級在高于90 dB時，測量時發現在有聲場擾動的火焰溫度較無聲場擾動時高出673～1073 K，得出聲場促進了火焰和環境介質的混合，增強了傳熱傳質。但聲場作用機制仍不清晰。現有結果表明，聲場促進了液滴的蒸發與燃燒，但具體促進機理尚不明確。

本文實驗研究了駐波聲場強度、位置對層流擴散火焰（酒精燈）的影響，以進一步明確駐波聲場對層流擴散火焰的影響，提出聲音流促進燃燒的機制，對進一步揭示熱聲不穩定現象機理具有重要意義。

1 試驗系統

駐波聲場對火焰燃燒影響的試驗系統的結構組合如圖1所示。系統包括產生駐波聲場的揚聲器系統和高速攝影成像系統。聲信號經過功率放大器放大后傳至揚聲器發出聲波，兩列聲波進行疊加產生駐波聲場，經過高速攝影成像系統拍攝之后傳回電腦觀察處于聲場不同位置時的火焰燃燒進程，揚聲器系統放置于水平刻度尺上。

圖1 試驗系統結構示意Fig.1 Schematic of Experimental System

將揚聲器距離設置為一個波長進行試驗，試驗過程中不斷調節火焰的位置，并采用高速攝影對試驗過程進行拍攝，極易觀察火焰對壓力震蕩的動態響應。在常溫常壓的環境下揚聲器發出頻率為1000 Hz的聲波，并對揚聲器發出的聲頻率進行校核，頻譜分析如圖2所示，校核結果顯示發聲頻率準確。

本試驗采用激光紋影技術，可清晰地觀察到火焰內部的密度梯度分布。本文主要研究火焰對駐波聲場的動態響應，基于光學顯示的陰影法，可捕捉到密度梯度的變化，所采用的陰影法雖然不能準確對燃燒過程進行定量分析，但可以很容易地觀察到壓力震蕩環境下火焰形態變化及火焰整體的傳質過程，對所得陰影圖像進行處理，對于定性分析駐波聲場對火焰燃燒的影響幫助很大。

2 試驗結果與討論

2.1 駐波聲場對不同位置的火焰燃燒影響

火焰處于聲場不同位置時的火焰形態如圖3所示。

圖3 火焰偏移結果示意Fig.3 Schematic of Flame Migration Results

由圖3可以看出，處于壓力波腹和壓力波節之間的火焰發生指向壓力波腹的偏轉，沿著壓力波節至壓力波腹的方向上火焰偏移角度減小，處于壓力波腹處時，火焰偏轉角度為零。

由圖3還可知，駐波聲場中存在一種聲輻射壓力，使火焰發生偏轉，Mitsuaki[7]等首先提出了在駐波聲場中存在一種類似于自然對流的聲輻射流動。這種聲輻射流動是在駐波聲場中燃氣與環境氣體的密度差和駐波聲場的速度脈動共同引起的聲輻射壓力導致的。

式中 V為燃氣的體積；aρ，fρ分別為環境氣體密度和燃氣的密度；為脈動速度平方的梯度。

在沿著壓力波節至壓力波腹的方向上，流體質點的脈動速度逐漸減小，速度平方梯度為負值，并且燃氣密度低于環境介質，因此會產生由壓力波節指向壓力波腹的聲輻射壓力，使火焰發生指向壓力波腹的偏轉。并且越靠近壓力波節的位置火焰偏移角度越大，伴隨著上下跳動的現象，呈現出不穩定燃燒的特性，直至壓力波腹處時，如火焰處于波節位置170 mm時，火焰所受到的聲輻射力消失，不發生偏轉，火焰的偏移角度呈現的變化趨勢如圖4所示。

圖 4 火焰偏移角度示意Fig.4 Schematic of Flame Migration Results

2.2 駐波聲場強度對火焰燃燒的影響

不同聲場強度對火焰的影響如圖 5所示。由圖 5可知，從左至右的4組試驗中揚聲器發聲的分貝數依次為0 dB、120 dB、124 dB和128 dB，并且火焰相對于聲場處于同一位置。

圖5 火焰偏移結果示意Fig.5 Schematic of Flame Migration Results

在試驗中發現只有當聲場的聲壓級達到一定強度時，火焰形態才會發生一定角度的偏移。將火焰放置于壓力波腹和壓力波節之間，通過調節揚聲器發出的聲音強度并進行觀察，第1組試驗中火焰無變化，沒有發生指向壓力波腹的偏移，同時沒有被壓縮；第 2組試驗中火焰被輕微壓縮，無偏移；第 3組試驗中火焰被較大程度壓縮，無偏移；第4組中火焰發生了偏移，說明只有當聲場強度達到一定強度時駐波聲場才會影響火焰的燃燒進程。

2.3 聲場對火焰燃燒進程的影響

試驗中發現越靠近壓力波節處的火焰，燃燒越劇烈。火焰上下跳動，呈現出不穩定燃燒的特性，因此取試驗中最靠近壓力波節位置處的火焰進行分析。圖6給出了在駐波聲場中火焰隨著時間的燃燒形態變化。

圖6 火焰燃燒進程示意Fig.6 Schematic of Flame Combustion Process

由圖6可知，聲場剛出現時，在聲壓作用下火焰整體被壓縮，外焰內焰及蒸氣區體積變小，呈現出如圖6b所示的變化。聲輻射壓力使火焰逐漸發生指向壓力波腹的偏轉，逐漸偏轉至最大角度，并趨于穩定偏轉狀態，如圖6c所示。之后火焰上下跳動，整體呈現出不穩定燃燒的現象，如圖6d所示。關閉駐波聲場后，聲輻射壓力消失，火焰形態恢復穩態，如圖6e所示。

可見光條件下觀測結果無法反映火焰內部結構變化，很難解釋不穩定燃燒現象，并且未有文獻提出過這一現象。由于無法觀測火焰的燃燒狀態，因此采用激光紋影觀測方法對燃燒不穩定現象進行研究。

取同樣位置的火焰通過紋影拍攝如圖7所示，紋影觀察出駐波聲場中層流火焰內部的蒸氣存在密度梯度，呈現明亮交替的條紋，并且蒸氣為層流流動，如圖7a所示。

駐波聲場開啟后，產生了指向壓力波腹的聲輻射壓力，最靠近壓力波節的蒸氣區域首先受力發生了偏向壓力波腹的移動，并且帶動鄰近的蒸氣層流區域偏轉，如圖7b所示；燃燒過程中蒸氣在向外焰層流流動的同時受到聲輻射壓力，即在聲輻射壓力的方向受到了擾動，因此蒸氣區呈現震蕩的波形，波形沿蒸氣層流的方向傳遞，如圖7c所示；之后火焰發生偏移并逐漸增大至最大偏轉角，趨于穩定偏轉狀態，如圖7d和7e所示。當未開啟駐波聲場即火焰處于穩態時，蒸氣燃燒消耗周圍的環境介質氧氣，并且燃料蒸發產生的蒸氣量大于燃燒的消耗量，形成穩定的蒸氣區，火焰受到聲場擾動之后，附近的空氣流動速度增加，為燃燒提供了充足的氧氣，促進了蒸氣與環境介質的混合，加速蒸氣的消耗。在穩定偏轉一定時間之后，蒸氣區的消耗率增大，導致穩定的蒸氣區與環境介質在火焰根部燃燒產生低密度燃氣和熱，增強了熱對流，在向上對流時對穩定偏轉的蒸氣造成擾動，火焰形態呈現出如圖7f所示的變化。

圖7 火焰偏轉過程示意Fig.7 Schematic of Flame Migration Results

由于試驗狀態為重力環境，并且駐波聲場促進了火焰與環境氧氣的混合，加速了燃料的消耗，所以產生的低密度燃氣和熱量就要向上對流，流動的同時會對穩定偏移的火焰產生向上的擾動。火焰震蕩過程如圖8所示。

圖8 火焰震蕩過程示意Fig.8 Schematic of Flame Oscillation Process

如圖8a所示，當時間t=7.35 s時，火焰根部燃氣長度為 L1，層流蒸氣偏轉位置如圖中箭頭所示，駐波聲場促進燃燒的同時，穩定的蒸氣區加速消耗產生大量的燃氣，進而層流蒸氣受到向上的擾動；當t=7.36 s時，蒸氣和波峰受到擾動進而向上波動，并且低密度燃氣在逐漸越過火焰根部的過程中，火焰會發生分離現象，出現裂隙，L1長度變短，如圖8b）所示。燃氣繼續向上流動，外側燃氣裂隙距離逐漸增加，蒸氣向上波動，如圖8c～e所示。燃氣完全越過層流蒸氣后，對蒸氣產生的擾動消失，層流蒸氣又回到原來穩定的偏轉位置，因此形成周期的振蕩，同時帶動振蕩的波形向上傳遞。

由于駐波聲場使火焰周圍的氣相場密度發生周期性變化，環境介質密度變化較快，促進了蒸氣的消耗，因此低密度燃氣和大量的熱就會不斷產生，燃氣在向上對流不斷向上補充，導致L1長度增加，就會再次向上流動對層流造成擾動，層流蒸氣受到擾動后向上波動并且燃氣發生分離現象，在完全越過蒸氣區域后對蒸氣的擾動消失，層流蒸氣又會恢復至穩定的偏轉位置，所以整個過程就會對火焰整體產生持續的震蕩，不斷產生震蕩的波形向上傳遞，層流流動變成湍流流動，火焰重復如圖8f～i所示的燃燒過程。燃氣的不斷產生并且在向上對流時向外焰補充時導致火焰上下跳動，呈現出不穩定燃燒的現象。因此駐波聲場影響了火焰的傳熱傳質過程，駐波聲場消失時，聲輻射力消失，火焰恢復穩態。

3 結 論

通過駐波聲場對火焰燃燒影響的研究中，得出火焰對駐波聲場的動態響應特性，并且對試驗結果進行了分析討論，結論如下：

a）駐波聲場中存在一種聲輻射流動，由壓力波節指向臨近的壓力波腹，并且控制著處于其中的火焰燃燒進程，越靠近壓力波節的火焰，內部的傳質傳熱過程越劇烈，沿著壓力波節至壓力波腹的方向火焰的偏轉角度逐漸減少，直至處于壓力波腹處的火焰不發生偏轉，聲輻射流動消失。

b）駐波聲場促進了火焰的燃燒，產生的聲輻射壓力促進了火焰蒸氣與環境介質的混合，最靠近壓力波節的蒸氣區先發生偏轉，并且帶動鄰近的蒸氣發生偏轉，穩定偏轉一定時間后，蒸氣區消耗量加快，燃燒產生低密度燃氣對火焰產生擾動，使蒸氣發生持續的震蕩，層流流動變成了湍流流動。聲場消失時，火焰恢復原狀。因此得出駐波聲場影響了燃燒的傳質傳熱過程，在總體上促進了火焰的燃燒，并且靠近壓力波節處的火焰燃燒越劇烈，并伴有上下跳動的現象，火焰呈現出不穩定燃燒的現象。

c）駐波聲場的聲場強度要達到一定數值時才會影響火焰的燃燒進程。