橫向聲波擾動下池火火焰失穩特性

史學強，張玉濤，陳曉坤，張園勃，林國鋮

（西安科技大學安全科學與工程學院，陜西 西安 710054）

隨著人類涉足的空間不斷拓展，火災對城市及人類威脅越來越大[1].由于聲波不會產生二次污染與次生災害，聲波撲滅小型火災是近年來提出的新興滅火技術[2-3].這種技術在很多場景都被提到了應用的可能性，如太空中失重環境、小空間管道火焰和小型廚房火災等[4-5].

學者們對聲波和火焰之間相互作用進行了深入研究[6].在聲波對火焰結構影響方面，Hauser等[7]研究發現橫向聲波能夠影響火焰中漩渦結構產生從而導致火焰結構失去對稱性.Davis等[8]采用紋影儀測量了聲波作用下同軸擴散火焰周期性結構變化.Kim等[9]研究發現聲速和當量比之間相位差是決定部分預混火焰線性或非線性特征主要因素.此外，聲波也會對燃燒化學反應速率產生影響.Demare等[10]將中頻高振幅的聲波作用于氣體射流火焰，發現燃燒機理發生了變化，原來黃色長火焰縮短并且變成藍色.Fachini[11]研究了環境溫度高于絕熱火焰溫度條件下，聲波擾動對液滴燃燒影響，發現聲波作用下液滴蒸發速率隨著達姆科勒數（Da數）增加而增大.Okai等[12]研究發現低頻，低?中強度的聲波能夠增大液滴蒸發強度，且燃燒速率常數近似與頻率成正比.Kim等[13]研究發現火焰應變率與聲波頻率位于同一數量級時，聲波誘導化學反應速率和燃燒組分輸運過程中流場參變量波動是影響反應活化能兩個重要機制.以上研究主要是針對燃燒室熱聲不穩定性，即聲波與火焰之間影響是耦合的，聲波與火焰熱釋放相位存在一個相互鎖定機制[14].

美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）啟動了快速滅火（instant flame suppression，IFS）研究項目，提出了聲波滅火構想[15].Niegodajew等[2]進行了橫向低頻聲波撲滅燃燒器火焰的實驗，結果發現聲波撲滅小型火災是可行的.Friedman等[16]研究了低頻聲波擾動線性火焰燃燒與熄滅特性，建立了聲波熄滅火焰臨界Da數，進一步證實了聲波撲滅小型火災可行性.Xiong等[17]以電線及外墻的熔滴火災為背景，研究了聲波撲滅快速移動的熔滴火焰，實驗中的聲壓級范圍為80 ～ 114 dB，聲頻率范圍為90 ～ 110 Hz；此外，還建立了基于Damk?hler數的火焰熄滅判據，以描述聲波撲滅滴落火焰的潛在機制.

以上研究論證了聲波撲滅火焰的可行性，但是由于聲波滅火技術是新提出概念與技術，在聲波未撲滅火災情況下，采用聲波控制火焰行為特性是需要關注的，而聲波擾動下未熄滅火焰響應方式還未被詳細研究.本文研究了低頻聲波擾動乙醇池火燃燒特性，分別分析了實驗聲場分布、火焰的形態及破碎特征、火焰高度與寬度參數及其周期性脈動特性.本研究對理解聲波擾動下火焰響應特性及火焰動力學機制以指導聲波滅火技術有重要意義.

1 實驗裝置和方法

聲波擾動下火焰由穩定轉變為不穩定狀態，為研究聲波擾動下火焰轉變過程，采用自主搭建聲波擾動池火火焰燃燒實驗臺.圖1為聲波擾動火焰燃燒實驗臺示意圖，圖中：Ln和Lw分別為聲波導流管的長度和距離；Hf和Wf分別為火焰的高度和寬度.

實驗裝置包括3部分：聲波控制與發射裝置、池火燃燒器和參數測量裝置.聲波控制與發射裝置包括：信號產生器（JDS6600）產生正弦的聲波信號，功率放大器（菱聲DB3）將產生的聲波信號放大并傳輸給揚聲器，揚聲器可以產生低頻的聲波.為了能夠產生較強的聲波，參考之前研究，采用聲波導流裝置對揚聲器發出的聲波進行約束[2].燃燒器為直徑4 cm圓柱形不銹鋼杯，可以產生穩定層流擴散火焰.常見無水乙醇（C2H5OH）作為實驗過程中燃料.采用聲學測量裝置對聲波擾動下池火火焰位置處聲學信息進行測量，此外，采用高速攝像機拍攝了聲波擾動下火焰的形態特性.分析方法如圖1右下角所示，Hf與Wf都選擇火焰概率云圖為0.5位置處對應值[18].

圖1 聲波擾動火焰燃燒實驗示意Fig.1 Schematic of flame combustion experiment with acoustic disturbance

實驗中改變Ln，測量了Ln對于聲波擾動火焰燃燒作用.此外，對于火焰與Lw也進行研究.表1為實驗采用的參數.為方便標記，各個實驗條件簡稱見表1.每次實驗都保持池杯內乙醇燃料質量相同，當池火火焰位于穩定階段[19]，開啟聲波控制與發射裝置，采用固定頻率與聲壓聲波對火焰進行擾動.實驗中保持穩定環境條件，即沒有外界強噪聲和風.

表1 實驗采用的參數Tab.1 Experimental parameterscm

2 結果與討論

2.1 實驗整體闡釋

本文實驗裝置與方案參考了文獻[16]的策略，采用聲波導流裝置對聲波進行約束，為進一步探索Ln與Lw對聲波擾動火焰效果，基于文獻[16]的研究與本實驗環境所約束，設置8種匹配模式，從而確定Ln與Lw數值.采用的聲頻率與壓力值也是基于當前研究得到.直徑4 cm圓柱形燃燒器產生的乙醇池火是較為穩定并且是光學薄的，可以采用高速攝像機精確測量其特征.首先，測量火焰當地聲學參數，點燃池火之后靜待池火燃燒穩定，每次實驗盡最大可能保持燃燒器內燃料質量一致，采用高速攝像機測量時，都是選擇池火穩定燃燒階段進行.相同的實驗重復2 ～ 5次以保證實驗結果可靠性.采用高速攝像機測量火焰時序圖像，所分析火焰響應參數都是基于MATLAB操作的.

2.2 實驗聲場

不同聲波發射參數下，火焰位置處聲學信息不同，作為聲波擾動火焰燃燒的基礎條件，采用聲學測量裝置測定了聲波擾動下池火火焰位置處聲壓信息.圖2為不同實驗條件下聲壓變化，實驗中采用了3個聲功率等級，從小到大分別表示為Level 1、Level 2和Level 3.由圖2可知：隨著聲波導流管長度（Ln）的增加，由于聲學傳播特性及聲學反射影響，各頻率下的聲壓大體呈波動形式變化.隨火焰與聲波導流管距離（Lw）增加，各頻率下聲壓值減小.此外，火焰位置處聲壓值與聲發射頻率關系也是大體呈波動變化.

圖2 不同實驗條件下的聲壓變化Fig.2 Acoustic pressure change under different experimental conditions

2.3 聲波擾動下火焰形態及破碎特征

很多火焰相關研究都采用火焰概率云圖描述火焰行為.圖3為自由火焰與N2-W5實驗條件下火焰概率云圖.圖3（a）、（b）和（c）分別對應聲功率Level 1、Level 2和Level 3擾動下各頻率火焰概率云圖.由圖3可知：本實驗中火焰為層流火焰，火焰脈動主要集中于火焰尖端，故自由火焰邊緣較為規則，高概率火焰面積較大，較低概率火焰部分主要位于火焰尖端.

圖3 自由火焰與N2-W5實驗條件下的火焰概率云圖Fig.3 Probability contours of free flame and flame under experimental conditions of N2-W5

Level 1聲波條件下聲壓較小，導致聲波對火焰擾動相對較小，聲波駐波特性導致火焰橫向周期性變化，因此，Level 1聲波條件下的火焰概率云圖中高概率火焰面積減少，較低概率的部位分布在火焰四周.各個頻率對應火焰高度是隨著頻率增加大體呈增長趨勢，而火焰的寬度變化不明顯.對于Level 2和Level 3聲波擾動情況，火焰位置處聲波擾動較強，火焰形態出現較大幅度變化，相應概率云圖中高概率面積位于火焰中心區域，較低概率面積分散在火焰核心四周.云圖中火焰概率形態表現為“類球狀”，表明火焰受到了聲波壓迫導致平均高度降低，火焰平均寬度增加，火焰平均面積被壓縮.被壓縮火焰的“類球狀”形式可能是由于聲波剪切作用導致邊緣火焰無法維持燃燒，因此，火焰燃燒區域主要附著于池火上方中心位置.

為更加詳細研究不同聲壓聲波擾動池火火焰形態特性響應，采用34 Hz固定頻率聲波進行試驗.圖4為火焰圖像的時序分析，實驗條件為N2-W5.圖4（a）、（b）、（c）和（d）分別對應自由火焰、0.36 Pa（34 Hz）、0.73 Pa （34 Hz）和1.06 Pa （34 Hz）聲壓擾動下火焰瞬時圖像.

圖4中，每個子圖的火焰序列對應時間范圍是火焰振蕩一個周期，每個序列的每幅圖對應時刻為火焰周期內等間隔時刻.自由火焰脈動十分規律，主要是尖端閃爍，表現為明顯流動渦擾動不是由火焰根部上升[20].流動渦升起是非對稱形式，火焰表現為非對稱蜿蜒型周期性脈動.0.36 Pa聲波作用使得火焰形態表現橫向收縮，這是由于聲波周期性振蕩擾亂了升起渦，導致火焰被穩定.0.36 Pa聲波擾動火焰一個周期內，未出現明顯火焰振蕩，火焰夾斷現象也沒有發生，這是由于聲波擾動火焰周圍流動渦無法順利上升，導致火焰燃燒區域整體發展.以0.73 Pa聲波擾動火焰時，明亮火焰區域變小，火焰被壓縮，火焰邊緣變得不規則.對于更強1.06 Pa聲波擾動，火焰明亮區域被拓展，火焰邊緣變得更加雜亂.這可能是由于聲波卷吸了大量空氣進入火焰區域，從而擴展燃料蒸汽與空氣混合區域面積，使燃料與空氣混合較充足.

圖4 火焰圖像的時序分析（N2-W5，34 Hz）Fig.4 Time series analysis of flame image (N2-W5, 34 Hz)

相比自由火焰，聲波擾動下火焰形態特征會出現較大變化，火焰細節結構需要被重建以理解火焰動力學相關機制.圖5為火焰細節結構特征分析示意圖（圖中序號①，②，③，④分別為圖4中對應序號火焰形態）.由圖5（a）可看出：燃燒器產生火焰是非對稱流體渦誘導的蜿蜒型火焰，火焰頂部由于渦擠壓而發生火焰夾斷，此時，火焰兩側流動渦上升情況是不一致.由圖5（b）可得到：較低聲波壓力擾動下火焰邊緣是呈小尺度周期性振蕩，擾亂了火焰流體渦上升與發展，故此時火焰未出現火焰夾斷現象，火焰邊緣較平緩；在另一方面，周期性振蕩導致火焰燃燒區域來回擠壓，從而導致火焰寬度變小；聲波周期性振蕩也導致火焰燃燒區燃料分子以更快速度耗散在環境中，表現為火焰面積減小.顯然，0.73 Pa聲波擾動火焰的情況是0.36 Pa聲波擾動火焰的進一步發展，此處不再討論.對于更強烈聲波擾動（1.06 Pa，圖5（c））可知：火焰形態被強烈扭曲，空氣與燃料被聲波卷吸導致其混合的區域增大，表現為火焰橫向上變寬，并且出現火焰下探現象.聲波導致不規則流動擾動下，火焰邊緣變得更加雜亂扭曲，為保持穩定，火焰重心降低，火焰形狀變為“類球狀”附在池杯上方.0.36 Pa聲波擾動下，火焰表現為穩定狀態，聲波壓力為1.06 Pa時，火焰表現為擾亂狀態.隨著聲壓增加，火焰由“錐狀”轉變為“類球狀”.

圖5 火焰細節結構特征分析示意Fig.5 Schematic of structure characteristics analysis of flame detail

2.4 聲波擾動下火焰高度及寬度演化

火焰高度是描述火災危險性的重要標度，聲波擾動下，由于當地流體周期性運動，火焰高度會發生較大變化.對不同響應距離和聲學參數作用下火焰相對高度（Hf/Hf0）進行研究，Hf為各聲波條件下火焰高度；Hf0為自由火焰高度.圖6為聲波擾動下火焰相對高度變化，由圖可知：隨著聲波壓力增加，在各條件下相對火焰高度大體是減小的.聲壓與頻率對火焰相對高度影響規律不強，呈現一種上升波動變化.這表明較高聲波壓力擾動下火焰高度會發生降低，而較低聲波壓力擾動下火焰高度變化較緩.聲波頻率越高，聲波對火焰高度抑制效果越弱.

圖6 聲波擾動下相對火焰高度變化Fig.6 Relative flame height variation under acoustic disturbance

火焰附近流體流動特性會受到聲波擾動影響，對聲波引起的當地流體運動可以由聲學雷諾數（ReA）表示：

對于聲波驅動特征長度可以表示為聲波循環均方根位移：

式中：ω為聲波角頻率，ω=2πf，f為聲波頻率（Hz）.

圖7為火焰相對高度隨聲學雷諾數變化，由圖可知：隨著聲學雷諾數增加，相對高度呈減小趨勢.因為隨著聲雷諾數增加，火焰位置處當地流體流動更為強烈，所以ReA越大，火焰相對高度越小.除N2-W5實驗情況外，其他實驗條件下火焰相對高度隨ReA減小情況更明顯.N2-W5與其他實驗條件展示出來的差別可能是聲波導流管長度（Ln）及揚聲器與火焰距離（Lw）太短，火焰與揚聲器之間短距離導致火焰位置處當地空氣運動狀態受揚聲器影響而與其他實驗情況不一致.此外，聲波擾動下火焰相對高度基本都呈現小于0情況，由于橫向聲波誘導了橫向當地空氣運動，從而使火焰燃料在橫向上被消耗，造成火焰高度降低.

圖7 火焰相對高度隨聲學雷諾數變化Fig.7 Variation of relative flame height with acoustic Reynolds number

聲波擾動下火焰寬度會受到橫向速度擾動，導致火焰在橫向上發生擠壓或拓展，因此，對火焰相對寬度（Wf/Wf0）進行研究，其中：Wf為各聲波條件下火焰寬度；Wf0為自由火焰寬度.圖8為聲波擾動下火焰相對寬度變化，由圖可知：在各個聲波頻率下，隨聲波壓力增加，火焰相對寬度大體呈增加趨勢.對于Ln小于5 cm情況，聲波擾動下火焰相對寬度值存在大于1.0與小于1.0情況，即存在一個使Wf/Wf0等于1臨界值，而對于Ln大于5 cm情況，火焰相對寬度都小于1.0.與之前分析所一致，弱聲波擾動會導致火焰受到空氣振蕩擠壓，從而寬度降低，但強聲壓擾動會擾亂火焰區域，火焰寬度會增加.

圖8 聲波擾動下火焰相對寬度變化Fig.8 Variation of relative flame width under acoustic disturbance

圖9為火焰相對寬度隨聲學雷諾數的變化，由圖可知：雷諾數較低時，火焰相對寬度主要集中于小于1.0范圍之內，隨聲雷諾數增加，火焰相對寬度由小于1.0區域移動到大于1.0區域.這表明小聲雷諾數擾動下火焰寬度是擠壓狀態，大聲雷諾數擾動下火焰寬度是拓展狀態.

圖9 火焰寬度隨聲學雷諾數變化Fig.9 Flame width changing with acoustic Reynolds number

根據圖7與圖9相關研究發現，火焰高度與寬度存在一定聯系.圖10為無量綱火焰高度與火焰寬度關系，由圖10可見：聲波擾動下火焰寬度與高度呈現線性關系，即火焰高度隨寬度增加而增加.

圖10 無量綱火焰高度與寬度關系Fig.10 Relationship between dimensionless flame height and width

聲波擾動下火焰寬度與高度關系模型為

2.5 聲波擾動下火焰周期性

火焰面積在一定程度上可以代表火焰放熱情況.火焰脈動特性對于火災蔓延起著很大作用.為得到聲波擾動火焰響應特性，對火焰面積周期性進行研究.通過對火焰面積無量綱化，火焰面積歸一化為

式中：A(t)為火焰瞬時面積（m2），t為時刻；為自由火焰的平均面積（m2）.

圖11為自由及0.36 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t)隨時間變化，由圖可知，在自由火焰振蕩階段，火焰面積脈動表現一定周期性，但是由轉折I?(t)光滑線發現，自由火焰振蕩存在一定不穩定特征.12.0 s后對火焰進行0.36 Pa聲波擾動，由火焰面積振蕩I?(t)光滑線可看出，火焰面積周期性變得更加穩定.如2.3節分析，較低壓力聲波可將火焰流動渦擾亂，橫向流體被壓縮與擴展，火焰縱向不穩定振蕩被消除.

圖11 自由及0.36 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t)隨時間的變化（N2-W5，34 Hz）Fig.11 Variation of flame parameter I?(t) with time under free state and 0.36 Pa acoustic disturbance (N2-W5, 34 Hz)

圖12為自由及0.36 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t)周期和相位圖（實驗條件N2-W5，聲頻率34 Hz）.以I?(t)、I?(t－2τ)和I?(t－τ)為x、y和z坐標軸得到的圖像可以表示無量綱火焰面積相位特征，其中，τ為延滯時間，τ值小于半個周期..

圖12（a）為自由火焰參數I?(t) 的周期變化，火焰參數I?(t) 變化周期性十分明顯，在一個火焰振蕩周期內，隨流動渦上升，火焰被抬起，當流動渦發展到臨界值，火焰被流動渦夾斷，之后，火焰形態變化進入下一周期.圖12（b）為火焰參數I?(t) 相位圖，自由火焰相位變化較規則，但部分相位存在線性變化趨勢，這是由于火焰在提升之后被流動渦夾斷，因此，參數I?(t) 會發生迅速減小，在相位圖上表現為線性現象.圖12（c）為0.36 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t) 周期變化，與自由火焰相比，0.36 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t) 的周期性更加規則，火焰周圍流動渦運動和火焰邊緣變化不明顯.圖12（d）為0.36 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t) 相位圖，相比自由火焰，0.36 Pa聲波擾動下火焰相位圖變得更加規則，火焰相位線性現象變得不明顯，更傾向于圓形.這是由于聲波調制了火焰相位變化，導致火焰相位穩定并且更加光滑.這驗證之前分析，較低聲壓會導致火焰周期性更加明顯，火焰被聲波調制而穩定.

圖12 自由及0.36 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t) 周期和相位圖（N2-W5, 34 Hz）Fig.12 Period and phase diagram of flame parameter I?(t) under free state and 0.36 Pa acoustic disturbance (N2-W5, 34 Hz)

圖13為0.73 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t) 隨時間變化（實驗條件N2-W5，聲頻率34 Hz）.在9.2 s時，采用聲波對火焰進行橫向擾動，火焰參數I?(t) 由穩定振蕩轉變為雜亂形式.由于較強聲波會導致火焰周圍流體流動不再穩定，火焰面積被橫向速度壓縮或拓展，火焰穩定流動特性被聲波干擾變得紊亂.此外，火焰參數I?(t) 平滑線在聲波作用下降低且呈轉折形式，因聲波導致流體流動雖然增強了空氣與燃料混合，但聲波也加強了燃料分子擴散，故火焰參數I?(t) 平滑線值變小.

圖13 0.73 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t) 變化（N2-W5，34 Hz）Fig.13 Variation of flame parameter I?(t) under 0.73 Pa acoustic disturbance (N2-W5, 34 Hz)

圖14為0.73 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t) 周期和相位圖（實驗條件N2-W5，聲頻率34 Hz）.圖14（a）表示0.73 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t) 周期變化，與自由火焰和0.36 Pa聲波擾動火焰參數I?(t) 變化規律相比較，0.73 Pa聲波擾動會導致火焰失去穩定振蕩特性，火焰周期性變為混亂狀態，表明火焰會受到聲波誘導空氣流動壓迫與提升，火焰形態變化不再受流動渦控制.圖14（d）為0.73 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t) 相位圖，與自由火焰和0.36 Pa聲波擾動火焰參數I?(t) 相位圖比較，0.73 Pa聲波擾動會導致火焰失去規則的環形相位特性，相位形式變為離散型，呈混沌特征.

圖14 0.73 Pa聲波擾動下火焰參數I?(t) 的周期和相位（N2-W5, 34 Hz）Fig.14 Period and phase diagram of flame parameter I?(t)under 0.73 Pa acoustic disturbance (N2-W5, 34 Hz)

3 結 論

為深入了解聲波擾動下火焰失穩特性與火焰動力學機制，采用橫向聲波對乙醇池火進行擾動.得到結論如下所示：

1）隨火焰與聲波導流管距離增加，聲壓大體呈波動形式變化.隨聲波導流管長度增加，聲壓值減小.火焰位置處聲壓值與聲發射頻率關系也是大體呈波動變化的.

2）自由火焰脈動十分規律，表現為尖端閃爍.0.36 Pa聲波作用使得火焰形態變得穩定，更強的1.06 Pa聲波擾動導致火焰邊緣變得更加雜亂.隨著聲壓增加，火焰概率云圖由“錐狀”轉變為“類球狀”.

3）較高聲波壓力擾動下火焰高度降低，較低聲波壓力擾動下火焰高度變化較緩.隨聲學雷諾數增加，火焰相對高度減小.較高聲波壓力導致火焰相對寬度增加.小聲雷諾數擾動下火焰寬度是被擠壓狀態，大聲雷諾數擾動下火焰寬度是被拓展狀態.

4）較低聲壓會調制火焰導致其周期性變得更穩定，相位變得規則，較高聲壓會擾亂火焰周期性，使得火焰脈動紊亂，相位變得混沌.