横向声波扰动下池火火焰失稳特性
发布时间：2021-09-23
摘要：为理解声波灭火机制及声波扰动下的火焰动力学，进行了横向低频声波扰动乙醇池火燃烧实验。采用的低频声波频率范围为28~54Hz，火焰位置处当地声压范围为0.1~1.25Pa，通过改变声波导流管长度和声波导流管与火焰距离研究了声学基础参数、火焰现象学特征、火焰高度与宽度及其周期性脉动特性，并建立了耦合声波参数的火焰宽度与高度模型。研究结果表明：相比自由火焰，较低声压扰动使火焰形态与时序变化更加稳定，较大声压扰动会使火焰失稳;随当地声学雷诺数增加，火焰相对高度被声波压制而减小，火焰宽度由被挤压转变为被拓展状态;较低声压会调制火焰导致其周期性变得更稳定，相位变得规则，较高声压会扰乱火焰周期性，使得火焰脉动紊乱，相位变得混沌。
关键词：声波;池火;失稳;灭火;乙醇
随着人类涉足的空间不断拓展，火灾对城市及人类威胁越来越大[1]。由于声波不会产生二次污染与次生灾害，声波扑灭小型火灾是近年来提出的新兴灭火技术[2,3]。这种技术在很多场景都被提到了应用的可能性，如太空中失重环境、小空间管道火焰和小型厨房火灾等[4,5]。
学者们对声波和火焰之间相互作用进行了深入研究[6]。在声波对火焰结构影响方面，Hauser等研究发现横向声波能够影响火焰中漩涡结构产生从而导致火焰结构失去对称性[7]。Davis和Lin采用纹影仪测量了声波作用下同轴扩散火焰周期性结构变化[8]。Kim等研究发现声速和当量比之间相位差是决定部分预混火焰线性或非线性特征主要因素[9]。此外，声波也会对燃烧化学反应速率产生影响。Demare和Baillot等将中频高振幅的声波作用于气体射流火焰，发现燃烧机理发生了变化，原来黄色长火焰缩短并且变成蓝色[10]。Fachini等研究了环境温度高于绝热火焰温度条件下，声波扰动对液滴燃烧影响，发现声波作用下液滴蒸发速率随着达姆科勒数(Da数)增加而增大[11]。Okai等研究发现低频，低−中强度的声波能够增大液滴蒸发强度，且燃烧速率常数近似与频率成正比[12]。Kim和Williams研究发现火焰应变率与声波频率位于同一数量级时，声波诱导化学反应速率和燃烧组分输运过程中流场参变量波动是影响反应活化能两个重要机制[13]。以上研究主要是针对燃烧室热声不稳定性，即声波与火焰之间影响是耦合的，声波与火焰热释放相位存在一个相互锁定机制[14]。
美国国防高级研究计划局(DARPA)启动了快速灭火(IFS)研究项目，提出了声波灭火构想[15]。Niegodajew等人进行了横向低频声波扑灭燃烧器火焰的实验，结果发现声波扑灭小型火灾是可行的[2]。Friedman等研究了低频声波扰动线性火焰燃烧与熄灭特性，建立了声波熄灭火焰临界Da数，进一步证实了声波扑灭小型火灾可行性[16]。Xiong等以电线及外墙的熔滴火灾为背景，研究了声波扑灭快速移动的熔滴火焰，实验中的声压范围为80至114dB，声频率范围为90至110Hz。此外，Xiong等还建立了基于Damköhler数的火焰熄灭判据，以描述声波扑灭滴落火焰的潜在机制[17]。
以上研究论证了声波扑灭火焰的可行性，但是由于声波灭火技术是新提出概念与技术，在声波未扑灭火灾情况下，采用声波控制火焰行为特性是需要关注的，而声波扰动下未熄灭火焰响应方式还未被详细研究。本文研究了低频声波扰动乙醇池火燃烧特性，分别分析了实验声场分布、火焰的形态及破碎特征、火焰高度与宽度参数及其周期性脉动特性。本研究对理解声波扰动下火焰响应特性及火焰动力学机制以指导声波灭火技术有重要意义。
1实验装置和方法
声波扰动下火焰由稳定转变为不稳定状态，为研究声波扰动下火焰转变过程，采用自主搭建声波扰动池火火焰燃烧实验台。图1为声波扰动火焰燃烧实验台示意图，实验装置包括三部分：声波控制与发射装置、池火燃烧器和参数测量装置。声波控制与发射装置包括：信号产生器(JDS6600)产生正弦的声波信号，功率放大器(菱声DB3)将产生的声波信号放大并传输给扬声器，扬声器可以产生低频的声波。为了能够产生较强的声波，参考之前研究，采用声波导流装置对扬声器发出的声波进行约束[2]。燃烧器为直径4cm圆柱形不锈钢杯，可以产生稳定层流扩散火焰。常见无水乙醇(C2H5OH)作为实验过程中燃料。采用声学测量装置对声波扰动下池火火焰位置处声学信息进行测量，此外，采用高速摄像机拍摄了声波扰动下火焰的形态特性。分析方法如图1右下角所示，火焰高度(Hf)与宽度(Wf)都选择火焰概率云图为0.5位置处对应值[18]。
实验中改变声波导流管长度(Ln)，测量了声波导流管长度对于声波扰动火焰燃烧作用。此外，对于火焰与声波导流管距离(Lw)也进行研究。表1为实验采用的参数。为方便标记，本文下部分采用了简称方法，各个实验条件简称见表1。每次实验都保持池杯内乙醇燃料质量相同，当池火火焰位于稳定阶段[19]，开启声波控制装置，采用固定频率与声压声波对火焰进行扰动。实验中保持稳定环境条件，即没有外界强噪声和风。
2结果与讨论
2.1实验整体阐释
本文实验装置与方案参考了前人策略[16]，采用声波导流装置对声波进行约束，为了进一步探索Ln与Lw对声波扰动火焰效果，设置8种匹配模式，基于之前的研究与本实验环境所约束[16]。从而确定Ln与Lw数值。采用的声频率与压力值也是基于当前研究得到。直径4cm圆柱形燃烧器产生的乙醇池火是较为稳定并且是光学薄的，可以采用高速摄像机精确测量其特征。首先测量火焰当地声学参数，点燃池火之后静待池火燃烧稳定，每次实验尽最大可能保持燃烧器内燃料质量一致，采用高速摄像机测量时，都是选择池火稳定燃烧阶段进行。相同的实验一般都是重复2~5次以保证实验结果可靠性。采用高速摄像机测量火焰时序图像，所分析火焰响应参数都是基于Matlab操作的。
2.2实验声场
不同声波发射参数下，火焰位置处声学信息不同，作为声波扰动火焰燃烧的基础条件，采用声学测量装置测定了声波扰动下池火火焰位置处声压信息。图2为不同实验条件下声压变化，实验中采用了三个声功率等级，从小到大分别表示为level1、level2和level3。由图2可知，随着声波导流管长度(Ln)的增加，由于声学传播特性及声学反射影响，各频率下的声压大体呈波动形式变化。随火焰与声波导流管距离(Lw)增加，各频率下声压值减小。此外，火焰位置处声压值与声发射频率关系也是大体呈波动变化。
2.3声波扰动下火焰形态及破碎特征
很多火焰相关研究都采用火焰概率云图描述火焰行为。图3为自由火焰与N2−W5实验条件下火焰概率云图。图3中(a)、(b)和(c)分别对应声功率level1、level2和level3扰动下各频率火焰概率云图，由图3可知，本实验中火焰为层流火焰，火焰脉动主要集中于火焰尖端，故自由火焰边缘较为规则，高概率火焰面积较大，较低概率火焰部分主要位于火焰尖端。
level1声波条件下声压较小，这就导致声波对火焰扰动相对较小，声波驻波特性导致火焰横向周期性变化，因此，level1声波条件下的火焰概率云图中高概率火焰面积减少，较低概率的部位分布在火焰四周。各个频率对应火焰高度是随着频率增加大体呈增长趋势，而火焰的宽度变化不明显。对于level2和level3声波扰动情况，火焰位置处声波扰动较强，火焰形态出现较大幅度变化，相应概率云图中高概率面积位于火焰中心区域，较低概率面积分散在火焰核心四周。云图中火焰概率形态表现为“类球状”，这表明火焰受到了声波压迫导致平均高度降低，火焰平均宽度增加，火焰平均面积被压缩。被压缩火焰的“类球状”形式可能是由于声波剪切作用导致边缘火焰无法维持燃烧，因此，火焰燃烧区域主要附着于池火上方中心位置。
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为更加详细研究不同声压声波扰动池火火焰形态特性响应，采用34Hz固定频率声波进行试验。图4为火焰图像的时序分析，实验条件为N2−W5。
图4中，火焰序列对应时间范围是火焰振荡一个周期，每幅图对应时刻为火焰周期内等间隔时刻。自由火焰脉动十分规律，主要是尖端闪烁，这表现为明显流动涡扰动不是由火焰根部上升[20]。流动涡升起是非对称形式，火焰表现为非对称蜿蜒型周期性脉动。0.36Pa声波作用使得火焰形态表现横向收缩，这是由于声波周期性振荡扰乱了升起涡，导致火焰被稳定。0.36Pa声波扰动火焰一个周期内，未出现明显火焰振荡，火焰夹断现象也没有发生，这是由于声波扰动火焰周围流动涡无法顺利上升，导致火焰燃烧区域整体发展。以0.73Pa声波扰动火焰时，明亮火焰区域变小，火焰被压缩，火焰边缘变得不规则。对于更强1.06Pa声波扰动，火焰明亮区域被拓展，火焰边缘变得更加杂乱。这可能是由于声波卷吸了大量空气进入火焰区域，从而扩展燃料蒸汽与空气混合区域面积，使燃料与空气混合较充足。
相比自由火焰，声波扰动下火焰形态特征会出现较大变化，火焰细节结构需要被重建以理解火焰动力学相关机制。图5为火焰细节结构特征分析示意图(图5中序号代表图4中该序号对应火焰形态)。由自由火焰燃烧特征的示意图可以看出，燃烧器产生火焰是非对称流体涡诱导的蜿蜒型火焰，火焰顶部由于涡挤压而发生火焰夹断，此时，火焰两侧流动涡上升情况是不一致。对于0.36Pa声波扰动火焰形态特征可以得到：较低声波压力扰动下火焰边缘是呈小尺度周期性振荡，扰乱了火焰流体涡上升与发展，故此时火焰未出现火焰夹断现象，火焰边缘较平缓;在另一方面，周期性振荡导致火焰燃烧区域来回挤压，从而导致火焰宽度变小;声波周期性振荡也导致火焰燃烧区燃料分子以更快速度耗散在环境中，这表现为火焰面积减小。显然，0.73Pa声波扰动火焰的情况是0.36Pa声波扰动火焰的进一步发展，此处不再讨论。对于更强烈声波扰动(1.06Pa)，火焰形态被强烈扭曲，空气与燃料被声波卷吸导致其混合的区域增大，表现为火焰横向上变宽，并且出现火焰下探现象。声波导致不规则流动扰动下，火焰边缘变得更加杂乱扭曲，为保持稳定，火焰重心降低，火焰形状变为“类球状”附在池杯上方。0.36Pa声波扰动下，火焰表现为稳定状态，声波压力为1.06时，火焰表现为扰乱状态。随着声压增加，火焰由“锥状”转变为“类球状”。
2.4声波扰动下火焰高度及宽度演化
火焰高度是描述火灾危险性的重要标度，声波扰动下，由于当地流体周期性运动，火焰高度会发生较大变化。对不同响应距离和声学参数作用下火焰相对高度(Hf/Hf0)进行研究，Hf为各声波条件下火焰高度;Hf0为自由火焰高度。图6为声波扰动下火焰相对高度变化。由图可知，随着声波压力增加，在各条件下相对火焰高度大体是减小的。声压与频率对火焰相对高度影响规律不强，呈现一种上升波动变化。这表明较高声波压力扰动下火焰高度会发生降低，而较低声波压力扰动下火焰高度变化较缓。声波频率越高，声波对火焰高度抑制效果越弱。
3结论
为深入了解声波扰动下火焰失稳特性与火焰动力学机制，采用横向声波对乙醇池火进行扰动。得到结论如下所示：
1)随火焰与声波导流管距离增加，声压大体呈波动形式变化。随声波导流管长度增加，声压值减小。火焰位置处声压值与声发射频率关系也是大体呈波动变化的;
2)自由火焰脉动十分规律，表现为尖端闪烁。0.36Pa声波作用使得火焰形态变得稳定，更强的1.06Pa声波扰动导致火焰边缘变得更加杂乱。随着声压增加，火焰概率云图由“锥状”转变为“类球状”。
3)较高声波压力扰动下火焰高度降低，较低声波压力扰动下火焰高度变化较缓。随声学雷诺数增加，火焰相对高度减小。较高声波压力导致火焰相对宽度增加。小声雷诺数扰动下火焰宽度是被挤压状态，大声雷诺数扰动下火焰宽度是被拓展状态。
4)较低声压会调制火焰导致其周期性变得更稳定，相位变得规则，较高声压会扰乱火焰周期性，使得火焰脉动紊乱，相位变得混沌。——论文作者：史学强1，张玉涛1,*，陈晓坤1，张园勃1，林国铖1
