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(fā)動機工作過程中，燃料液滴的蒸發(fā)燃燒是獲取推力的主要方式，但是液滴的不穩(wěn)定燃燒過程與聲學震蕩相耦合時就會產(chǎn)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(chǎn)生聲音的振動，反過來聲壓的振動又會重新造成流場參數(shù)的改變[1]，形成不穩(wěn)定燃燒的閉合反饋。聲與火焰的耦合，將影響蒸發(fā)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(shù)值模擬揭示了聲音可以替代流動，闡明聲場對液滴蒸發(fā)過程產(chǎn)生影響；Umemura[4]把聲音作為壓力震蕩并且闡明聲波對蒸發(fā)穩(wěn)定性的影響；Sujith[5]等在密閉聲波導管中利用揚聲器產(chǎn)生小幅聲場振蕩，研究了軸向聲場振蕩對煤油液滴蒸發(fā)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(wěn)定性的影響，找到了引起燃燒火焰不穩(wěn)定的聲波頻率和聲壓級。

進一步研究發(fā)現(xiàn)駐波聲場中的聲音流對液滴蒸發(fā)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(shù)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(wěn)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(tài)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(wěn)定性進行了數(shù)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(wěn)定性的影響，因為貧油預混燃燒有較大的動態(tài)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(xù)的大幅度振蕩的熱聲流。

火箭發(fā)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(jié)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(fā)現(xiàn)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(huán)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(xiàn)有結果表明，聲場促進了液滴的蒸發(fā)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(wěn)定現(xiàn)象機理具有重要意義。

1 試驗系統(tǒng)

駐波聲場對火焰燃燒影響的試驗系統(tǒng)的結構組合如圖1所示。系統(tǒng)包括產(chǎn)生駐波聲場的揚聲器系統(tǒng)和高速攝影成像系統(tǒng)。聲信號經(jīng)過功率放大器放大后傳至揚聲器發(fā)出聲波，兩列聲波進行疊加產(chǎn)生駐波聲場，經(jīng)過高速攝影成像系統(tǒng)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(tǒng)放置于水平刻度尺上。

圖1 試驗系統(tǒng)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(jié)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(tài)響應。在常溫常壓的環(huán)境下?lián)P聲器發(fā)出頻率為1000 Hz的聲波，并對揚聲器發(fā)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(fā)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(tài)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(huán)境下火焰形態(tài)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(tài)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(jié)之間的火焰發(fā)生指向壓力波腹的偏轉，沿著壓力波節(jié)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(fā)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(huán)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(huán)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(jié)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(huán)境介質，因此會產(chǎn)生由壓力波節(jié)指向壓力波腹的聲輻射壓力，使火焰發(fā)生指向壓力波腹的偏轉。并且越靠近壓力波節(jié)的位置火焰偏移角度越大，伴隨著上下跳動的現(xiàn)象，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒的特性，直至壓力波腹處時，如火焰處于波節(jié)位置170 mm時，火焰所受到的聲輻射力消失，不發(fā)生偏轉，火焰的偏移角度呈現(xiàn)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(fā)聲的分貝數(shù)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(fā)現(xiàn)只有當聲場的聲壓級達到一定強度時，火焰形態(tài)才會發(fā)生一定角度的偏移。將火焰放置于壓力波腹和壓力波節(jié)之間，通過調節(jié)揚聲器發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)越靠近壓力波節(jié)處的火焰，燃燒越劇烈。火焰上下跳動，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒的特性，因此取試驗中最靠近壓力波節(jié)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(tài)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(xiàn)時，在聲壓作用下火焰整體被壓縮，外焰內焰及蒸氣區(qū)體積變小，呈現(xiàn)出如圖6b所示的變化。聲輻射壓力使火焰逐漸發(fā)生指向壓力波腹的偏轉，逐漸偏轉至最大角度，并趨于穩(wěn)定偏轉狀態(tài)，如圖6c所示。之后火焰上下跳動，整體呈現(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒的現(xiàn)象，如圖6d所示。關閉駐波聲場后，聲輻射壓力消失，火焰形態(tài)恢復穩(wěn)態(tài)，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(wěn)定燃燒現(xiàn)象，并且未有文獻提出過這一現(xiàn)象。由于無法觀測火焰的燃燒狀態(tài)，因此采用激光紋影觀測方法對燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)生了指向壓力波腹的聲輻射壓力，最靠近壓力波節(jié)的蒸氣區(qū)域首先受力發(fā)生了偏向壓力波腹的移動，并且?guī)余徑恼魵鈱恿鲄^(qū)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(qū)呈現(xiàn)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(fā)生偏移并逐漸增大至最大偏轉角，趨于穩(wěn)定偏轉狀態(tài)，如圖7d和7e所示。當未開啟駐波聲場即火焰處于穩(wěn)態(tài)時，蒸氣燃燒消耗周圍的環(huán)境介質氧氣，并且燃料蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸氣量大于燃燒的消耗量，形成穩(wěn)定的蒸氣區(qū)，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(huán)境介質的混合，加速蒸氣的消耗。在穩(wěn)定偏轉一定時間之后，蒸氣區(qū)的消耗率增大，導致穩(wěn)定的蒸氣區(qū)與環(huán)境介質在火焰根部燃燒產(chǎn)生低密度燃氣和熱，增強了熱對流，在向上對流時對穩(wěn)定偏轉的蒸氣造成擾動，火焰形態(tài)呈現(xiàn)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(tài)為重力環(huán)境，并且駐波聲場促進了火焰與環(huán)境氧氣的混合，加速了燃料的消耗，所以產(chǎn)生的低密度燃氣和熱量就要向上對流，流動的同時會對穩(wěn)定偏移的火焰產(chǎn)生向上的擾動?；鹧嬲鹗庍^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(wěn)定的蒸氣區(qū)加速消耗產(chǎn)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(fā)生分離現(xiàn)象，出現(xiàn)裂隙，L1長度變短，如圖8b）所示。燃氣繼續(xù)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(chǎn)生的擾動消失，層流蒸氣又回到原來穩(wěn)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(fā)生周期性變化，環(huán)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(chǎn)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(fā)生分離現(xiàn)象，在完全越過蒸氣區(qū)域后對蒸氣的擾動消失，層流蒸氣又會恢復至穩(wěn)定的偏轉位置，所以整個過程就會對火焰整體產(chǎn)生持續(xù)的震蕩，不斷產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒的現(xiàn)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(wěn)態(tài)。

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(tài)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(jié)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(jié)的火焰，內部的傳質傳熱過程越劇烈，沿著壓力波節(jié)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(fā)生偏轉，聲輻射流動消失。

b）駐波聲場促進了火焰的燃燒，產(chǎn)生的聲輻射壓力促進了火焰蒸氣與環(huán)境介質的混合，最靠近壓力波節(jié)的蒸氣區(qū)先發(fā)生偏轉，并且?guī)余徑恼魵獍l(fā)生偏轉，穩(wěn)定偏轉一定時間后，蒸氣區(qū)消耗量加快，燃燒產(chǎn)生低密度燃氣對火焰產(chǎn)生擾動，使蒸氣發(fā)生持續(xù)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(jié)處的火焰燃燒越劇烈，并伴有上下跳動的現(xiàn)象，火焰呈現(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒的現(xiàn)象。

c）駐波聲場的聲場強度要達到一定數(shù)值時才會影響火焰的燃燒進程。