史學(xué)強(qiáng)，張玉濤，陳曉坤，張園勃，林國(guó)鋮

（西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

隨著人類(lèi)涉足的空間不斷拓展，火災(zāi)對(duì)城市及人類(lèi)威脅越來(lái)越大[1].由于聲波不會(huì)產(chǎn)生二次污染與次生災(zāi)害，聲波撲滅小型火災(zāi)是近年來(lái)提出的新興滅火技術(shù)[2-3].這種技術(shù)在很多場(chǎng)景都被提到了應(yīng)用的可能性，如太空中失重環(huán)境、小空間管道火焰和小型廚房火災(zāi)等[4-5].

學(xué)者們對(duì)聲波和火焰之間相互作用進(jìn)行了深入研究[6].在聲波對(duì)火焰結(jié)構(gòu)影響方面，Hauser等[7]研究發(fā)現(xiàn)橫向聲波能夠影響火焰中漩渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生從而導(dǎo)致火焰結(jié)構(gòu)失去對(duì)稱(chēng)性.Davis等[8]采用紋影儀測(cè)量了聲波作用下同軸擴(kuò)散火焰周期性結(jié)構(gòu)變化.Kim等[9]研究發(fā)現(xiàn)聲速和當(dāng)量比之間相位差是決定部分預(yù)混火焰線(xiàn)性或非線(xiàn)性特征主要因素.此外，聲波也會(huì)對(duì)燃燒化學(xué)反應(yīng)速率產(chǎn)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(fā)現(xiàn)燃燒機(jī)理發(fā)生了變化，原來(lái)黃色長(zhǎng)火焰縮短并且變成藍(lán)色.Fachini[11]研究了環(huán)境溫度高于絕熱火焰溫度條件下，聲波擾動(dòng)對(duì)液滴燃燒影響，發(fā)現(xiàn)聲波作用下液滴蒸發(fā)速率隨著達(dá)姆科勒數(shù)（Da數(shù)）增加而增大.Okai等[12]研究發(fā)現(xiàn)低頻，低?中強(qiáng)度的聲波能夠增大液滴蒸發(fā)強(qiáng)度，且燃燒速率常數(shù)近似與頻率成正比.Kim等[13]研究發(fā)現(xiàn)火焰應(yīng)變率與聲波頻率位于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，聲波誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)速率和燃燒組分輸運(yùn)過(guò)程中流場(chǎng)參變量波動(dòng)是影響反應(yīng)活化能兩個(gè)重要機(jī)制.以上研究主要是針對(duì)燃燒室熱聲不穩(wěn)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(gè)相互鎖定機(jī)制[14].

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）啟動(dòng)了快速滅火（instant flame suppression，IFS）研究項(xiàng)目，提出了聲波滅火構(gòu)想[15].Niegodajew等[2]進(jìn)行了橫向低頻聲波撲滅燃燒器火焰的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聲波撲滅小型火災(zāi)是可行的.Friedman等[16]研究了低頻聲波擾動(dòng)線(xiàn)性火焰燃燒與熄滅特性，建立了聲波熄滅火焰臨界Da數(shù)，進(jìn)一步證實(shí)了聲波撲滅小型火災(zāi)可行性.Xiong等[17]以電線(xiàn)及外墻的熔滴火災(zāi)為背景，研究了聲波撲滅快速移動(dòng)的熔滴火焰，實(shí)驗(yàn)中的聲壓級(jí)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(shù)的火焰熄滅判據(jù)，以描述聲波撲滅滴落火焰的潛在機(jī)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(shù)是新提出概念與技術(shù)，在聲波未撲滅火災(zāi)情況下，采用聲波控制火焰行為特性是需要關(guān)注的，而聲波擾動(dòng)下未熄滅火焰響應(yīng)方式還未被詳細(xì)研究.本文研究了低頻聲波擾動(dòng)乙醇池火燃燒特性，分別分析了實(shí)驗(yàn)聲場(chǎng)分布、火焰的形態(tài)及破碎特征、火焰高度與寬度參數(shù)及其周期性脈動(dòng)特性.本研究對(duì)理解聲波擾動(dòng)下火焰響應(yīng)特性及火焰動(dòng)力學(xué)機(jī)制以指導(dǎo)聲波滅火技術(shù)有重要意義.

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

聲波擾動(dòng)下火焰由穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，為研究聲波擾動(dòng)下火焰轉(zhuǎn)變過(guò)程，采用自主搭建聲波擾動(dòng)池火火焰燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái).圖1為聲波擾動(dòng)火焰燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖，圖中：Ln和Lw分別為聲波導(dǎo)流管的長(zhǎng)度和距離；Hf和Wf分別為火焰的高度和寬度.

實(shí)驗(yàn)裝置包括3部分：聲波控制與發(fā)射裝置、池火燃燒器和參數(shù)測(cè)量裝置.聲波控制與發(fā)射裝置包括：信號(hào)產(chǎn)生器（JDS6600）產(chǎn)生正弦的聲波信號(hào)，功率放大器（菱聲DB3）將產(chǎn)生的聲波信號(hào)放大并傳輸給揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器可以產(chǎn)生低頻的聲波.為了能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的聲波，參考之前研究，采用聲波導(dǎo)流裝置對(duì)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波進(jìn)行約束[2].燃燒器為直徑4 cm圓柱形不銹鋼杯，可以產(chǎn)生穩(wěn)定層流擴(kuò)散火焰.常見(jiàn)無(wú)水乙醇（C2H5OH）作為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中燃料.采用聲學(xué)測(cè)量裝置對(duì)聲波擾動(dòng)下池火火焰位置處聲學(xué)信息進(jìn)行測(cè)量，此外，采用高速攝像機(jī)拍攝了聲波擾動(dòng)下火焰的形態(tài)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(duì)應(yīng)值[18].

圖1 聲波擾動(dòng)火焰燃燒實(shí)驗(yàn)示意Fig.1 Schematic of flame combustion experiment with acoustic disturbance

實(shí)驗(yàn)中改變Ln，測(cè)量了Ln對(duì)于聲波擾動(dòng)火焰燃燒作用.此外，對(duì)于火焰與Lw也進(jìn)行研究.表1為實(shí)驗(yàn)采用的參數(shù).為方便標(biāo)記，各個(gè)實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)稱(chēng)見(jiàn)表1.每次實(shí)驗(yàn)都保持池杯內(nèi)乙醇燃料質(zhì)量相同，當(dāng)池火火焰位于穩(wěn)定階段[19]，開(kāi)啟聲波控制與發(fā)射裝置，采用固定頻率與聲壓聲波對(duì)火焰進(jìn)行擾動(dòng).實(shí)驗(yàn)中保持穩(wěn)定環(huán)境條件，即沒(méi)有外界強(qiáng)噪聲和風(fēng).

表1 實(shí)驗(yàn)采用的參數(shù)Tab.1 Experimental parameterscm

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)整體闡釋

本文實(shí)驗(yàn)裝置與方案參考了文獻(xiàn)[16]的策略，采用聲波導(dǎo)流裝置對(duì)聲波進(jìn)行約束，為進(jìn)一步探索Ln與Lw對(duì)聲波擾動(dòng)火焰效果，基于文獻(xiàn)[16]的研究與本實(shí)驗(yàn)環(huán)境所約束，設(shè)置8種匹配模式，從而確定Ln與Lw數(shù)值.采用的聲頻率與壓力值也是基于當(dāng)前研究得到.直徑4 cm圓柱形燃燒器產(chǎn)生的乙醇池火是較為穩(wěn)定并且是光學(xué)薄的，可以采用高速攝像機(jī)精確測(cè)量其特征.首先，測(cè)量火焰當(dāng)?shù)芈晫W(xué)參數(shù)，點(diǎn)燃池火之后靜待池火燃燒穩(wěn)定，每次實(shí)驗(yàn)盡最大可能保持燃燒器內(nèi)燃料質(zhì)量一致，采用高速攝像機(jī)測(cè)量時(shí)，都是選擇池火穩(wěn)定燃燒階段進(jìn)行.相同的實(shí)驗(yàn)重復(fù)2 ～ 5次以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性.采用高速攝像機(jī)測(cè)量火焰時(shí)序圖像，所分析火焰響應(yīng)參數(shù)都是基于MATLAB操作的.

2.2 實(shí)驗(yàn)聲場(chǎng)

不同聲波發(fā)射參數(shù)下，火焰位置處聲學(xué)信息不同，作為聲波擾動(dòng)火焰燃燒的基礎(chǔ)條件，采用聲學(xué)測(cè)量裝置測(cè)定了聲波擾動(dòng)下池火火焰位置處聲壓信息.圖2為不同實(shí)驗(yàn)條件下聲壓變化，實(shí)驗(yàn)中采用了3個(gè)聲功率等級(jí)，從小到大分別表示為L(zhǎng)evel 1、Level 2和Level 3.由圖2可知：隨著聲波導(dǎo)流管長(zhǎng)度（Ln）的增加，由于聲學(xué)傳播特性及聲學(xué)反射影響，各頻率下的聲壓大體呈波動(dòng)形式變化.隨火焰與聲波導(dǎo)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(fā)射頻率關(guān)系也是大體呈波動(dòng)變化.

圖2 不同實(shí)驗(yàn)條件下的聲壓變化Fig.2 Acoustic pressure change under different experimental conditions

2.3 聲波擾動(dòng)下火焰形態(tài)及破碎特征

很多火焰相關(guān)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(shí)驗(yàn)條件下火焰概率云圖.圖3（a）、（b）和（c）分別對(duì)應(yīng)聲功率Level 1、Level 2和Level 3擾動(dòng)下各頻率火焰概率云圖.由圖3可知：本實(shí)驗(yàn)中火焰為層流火焰，火焰脈動(dòng)主要集中于火焰尖端，故自由火焰邊緣較為規(guī)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)致聲波對(duì)火焰擾動(dòng)相對(duì)較小，聲波駐波特性導(dǎo)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(gè)頻率對(duì)應(yīng)火焰高度是隨著頻率增加大體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而火焰的寬度變化不明顯.對(duì)于Level 2和Level 3聲波擾動(dòng)情況，火焰位置處聲波擾動(dòng)較強(qiáng)，火焰形態(tài)出現(xiàn)較大幅度變化，相應(yīng)概率云圖中高概率面積位于火焰中心區(qū)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(tài)表現(xiàn)為“類(lèi)球狀”，表明火焰受到了聲波壓迫導(dǎo)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(lèi)球狀”形式可能是由于聲波剪切作用導(dǎo)致邊緣火焰無(wú)法維持燃燒，因此，火焰燃燒區(qū)域主要附著于池火上方中心位置.

為更加詳細(xì)研究不同聲壓聲波擾動(dòng)池火火焰形態(tài)特性響應(yīng)，采用34 Hz固定頻率聲波進(jìn)行試驗(yàn).圖4為火焰圖像的時(shí)序分析，實(shí)驗(yàn)條件為N2-W5.圖4（a）、（b）、（c）和（d）分別對(duì)應(yīng)自由火焰、0.36 Pa（34 Hz）、0.73 Pa （34 Hz）和1.06 Pa （34 Hz）聲壓擾動(dòng)下火焰瞬時(shí)圖像.

圖4中，每個(gè)子圖的火焰序列對(duì)應(yīng)時(shí)間范圍是火焰振蕩一個(gè)周期，每個(gè)序列的每幅圖對(duì)應(yīng)時(shí)刻為火焰周期內(nèi)等間隔時(shí)刻.自由火焰脈動(dòng)十分規(guī)律，主要是尖端閃爍，表現(xiàn)為明顯流動(dòng)渦擾動(dòng)不是由火焰根部上升[20].流動(dòng)渦升起是非對(duì)稱(chēng)形式，火焰表現(xiàn)為非對(duì)稱(chēng)蜿蜒型周期性脈動(dòng).0.36 Pa聲波作用使得火焰形態(tài)表現(xiàn)橫向收縮，這是由于聲波周期性振蕩擾亂了升起渦，導(dǎo)致火焰被穩(wěn)定.0.36 Pa聲波擾動(dòng)火焰一個(gè)周期內(nèi)，未出現(xiàn)明顯火焰振蕩，火焰夾斷現(xiàn)象也沒(méi)有發(fā)生，這是由于聲波擾動(dòng)火焰周?chē)鲃?dòng)渦無(wú)法順利上升，導(dǎo)致火焰燃燒區(qū)域整體發(fā)展.以0.73 Pa聲波擾動(dòng)火焰時(shí)，明亮火焰區(qū)域變小，火焰被壓縮，火焰邊緣變得不規(guī)則.對(duì)于更強(qiáng)1.06 Pa聲波擾動(dòng)，火焰明亮區(qū)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(jìn)入火焰區(qū)域，從而擴(kuò)展燃料蒸汽與空氣混合區(qū)域面積，使燃料與空氣混合較充足.

圖4 火焰圖像的時(shí)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(dòng)下火焰形態(tài)特征會(huì)出現(xiàn)較大變化，火焰細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)需要被重建以理解火焰動(dòng)力學(xué)相關(guān)機(jī)制.圖5為火焰細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征分析示意圖（圖中序號(hào)①，②，③，④分別為圖4中對(duì)應(yīng)序號(hào)火焰形態(tài)）.由圖5（a）可看出：燃燒器產(chǎn)生火焰是非對(duì)稱(chēng)流體渦誘導(dǎo)的蜿蜒型火焰，火焰頂部由于渦擠壓而發(fā)生火焰夾斷，此時(shí)，火焰兩側(cè)流動(dòng)渦上升情況是不一致.由圖5（b）可得到：較低聲波壓力擾動(dòng)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(fā)展，故此時(shí)火焰未出現(xiàn)火焰夾斷現(xiàn)象，火焰邊緣較平緩；在另一方面，周期性振蕩導(dǎo)致火焰燃燒區(qū)域來(lái)回?cái)D壓，從而導(dǎo)致火焰寬度變??；聲波周期性振蕩也導(dǎo)致火焰燃燒區(qū)燃料分子以更快速度耗散在環(huán)境中，表現(xiàn)為火焰面積減小.顯然，0.73 Pa聲波擾動(dòng)火焰的情況是0.36 Pa聲波擾動(dòng)火焰的進(jìn)一步發(fā)展，此處不再討論.對(duì)于更強(qiáng)烈聲波擾動(dòng)（1.06 Pa，圖5（c））可知：火焰形態(tài)被強(qiáng)烈扭曲，空氣與燃料被聲波卷吸導(dǎo)致其混合的區(qū)域增大，表現(xiàn)為火焰橫向上變寬，并且出現(xiàn)火焰下探現(xiàn)象.聲波導(dǎo)致不規(guī)則流動(dòng)擾動(dòng)下，火焰邊緣變得更加雜亂扭曲，為保持穩(wěn)定，火焰重心降低，火焰形狀變?yōu)椤邦?lèi)球狀”附在池杯上方.0.36 Pa聲波擾動(dòng)下，火焰表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)，聲波壓力為1.06 Pa時(shí)，火焰表現(xiàn)為擾亂狀態(tài).隨著聲壓增加，火焰由“錐狀”轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦?lèi)球狀”.

圖5 火焰細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征分析示意Fig.5 Schematic of structure characteristics analysis of flame detail

2.4 聲波擾動(dòng)下火焰高度及寬度演化

火焰高度是描述火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要標(biāo)度，聲波擾動(dòng)下，由于當(dāng)?shù)亓黧w周期性運(yùn)動(dòng)，火焰高度會(huì)發(fā)生較大變化.對(duì)不同響應(yīng)距離和聲學(xué)參數(shù)作用下火焰相對(duì)高度（Hf/Hf0）進(jìn)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(dòng)下火焰相對(duì)高度變化，由圖可知：隨著聲波壓力增加，在各條件下相對(duì)火焰高度大體是減小的.聲壓與頻率對(duì)火焰相對(duì)高度影響規(guī)律不強(qiáng)，呈現(xiàn)一種上升波動(dòng)變化.這表明較高聲波壓力擾動(dòng)下火焰高度會(huì)發(fā)生降低，而較低聲波壓力擾動(dòng)下火焰高度變化較緩.聲波頻率越高，聲波對(duì)火焰高度抑制效果越弱.

圖6 聲波擾動(dòng)下相對(duì)火焰高度變化Fig.6 Relative flame height variation under acoustic disturbance

火焰附近流體流動(dòng)特性會(huì)受到聲波擾動(dòng)影響，對(duì)聲波引起的當(dāng)?shù)亓黧w運(yùn)動(dòng)可以由聲學(xué)雷諾數(shù)（ReA）表示：

對(duì)于聲波驅(qū)動(dòng)特征長(zhǎng)度可以表示為聲波循環(huán)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(duì)高度隨聲學(xué)雷諾數(shù)變化，由圖可知：隨著聲學(xué)雷諾數(shù)增加，相對(duì)高度呈減小趨勢(shì).因?yàn)殡S著聲雷諾數(shù)增加，火焰位置處當(dāng)?shù)亓黧w流動(dòng)更為強(qiáng)烈，所以ReA越大，火焰相對(duì)高度越小.除N2-W5實(shí)驗(yàn)情況外，其他實(shí)驗(yàn)條件下火焰相對(duì)高度隨ReA減小情況更明顯.N2-W5與其他實(shí)驗(yàn)條件展示出來(lái)的差別可能是聲波導(dǎo)流管長(zhǎng)度（Ln）及揚(yáng)聲器與火焰距離（Lw）太短，火焰與揚(yáng)聲器之間短距離導(dǎo)致火焰位置處當(dāng)?shù)乜諝膺\(yùn)動(dòng)狀態(tài)受揚(yáng)聲器影響而與其他實(shí)驗(yàn)情況不一致.此外，聲波擾動(dòng)下火焰相對(duì)高度基本都呈現(xiàn)小于0情況，由于橫向聲波誘導(dǎo)了橫向當(dāng)?shù)乜諝膺\(yùn)動(dòng)，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(duì)高度隨聲學(xué)雷諾數(shù)變化Fig.7 Variation of relative flame height with acoustic Reynolds number

聲波擾動(dòng)下火焰寬度會(huì)受到橫向速度擾動(dòng)，導(dǎo)致火焰在橫向上發(fā)生擠壓或拓展，因此，對(duì)火焰相對(duì)寬度（Wf/Wf0）進(jìn)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(dòng)下火焰相對(duì)寬度變化，由圖可知：在各個(gè)聲波頻率下，隨聲波壓力增加，火焰相對(duì)寬度大體呈增加趨勢(shì).對(duì)于Ln小于5 cm情況，聲波擾動(dòng)下火焰相對(duì)寬度值存在大于1.0與小于1.0情況，即存在一個(gè)使Wf/Wf0等于1臨界值，而對(duì)于Ln大于5 cm情況，火焰相對(duì)寬度都小于1.0.與之前分析所一致，弱聲波擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致火焰受到空氣振蕩擠壓，從而寬度降低，但強(qiáng)聲壓擾動(dòng)會(huì)擾亂火焰區(qū)域，火焰寬度會(huì)增加.

圖8 聲波擾動(dòng)下火焰相對(duì)寬度變化Fig.8 Variation of relative flame width under acoustic disturbance

圖9為火焰相對(duì)寬度隨聲學(xué)雷諾數(shù)的變化，由圖可知：雷諾數(shù)較低時(shí)，火焰相對(duì)寬度主要集中于小于1.0范圍之內(nèi)，隨聲雷諾數(shù)增加，火焰相對(duì)寬度由小于1.0區(qū)域移動(dòng)到大于1.0區(qū)域.這表明小聲雷諾數(shù)擾動(dòng)下火焰寬度是擠壓狀態(tài)，大聲雷諾數(shù)擾動(dòng)下火焰寬度是拓展?fàn)顟B(tài).

圖9 火焰寬度隨聲學(xué)雷諾數(shù)變化Fig.9 Flame width changing with acoustic Reynolds number

根據(jù)圖7與圖9相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，火焰高度與寬度存在一定聯(lián)系.圖10為無(wú)量綱火焰高度與火焰寬度關(guān)系，由圖10可見(jiàn)：聲波擾動(dòng)下火焰寬度與高度呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，即火焰高度隨寬度增加而增加.

圖10 無(wú)量綱火焰高度與寬度關(guān)系Fig.10 Relationship between dimensionless flame height and width

聲波擾動(dòng)下火焰寬度與高度關(guān)系模型為

2.5 聲波擾動(dòng)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(dòng)特性對(duì)于火災(zāi)蔓延起著很大作用.為得到聲波擾動(dòng)火焰響應(yīng)特性，對(duì)火焰面積周期性進(jìn)行研究.通過(guò)對(duì)火焰面積無(wú)量綱化，火焰面積歸一化為

式中：A(t)為火焰瞬時(shí)面積（m2），t為時(shí)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(dòng)下火焰參數(shù)I?(t)隨時(shí)間變化，由圖可知，在自由火焰振蕩階段，火焰面積脈動(dòng)表現(xiàn)一定周期性，但是由轉(zhuǎn)折I?(t)光滑線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，自由火焰振蕩存在一定不穩(wěn)定特征.12.0 s后對(duì)火焰進(jìn)行0.36 Pa聲波擾動(dòng)，由火焰面積振蕩I?(t)光滑線(xiàn)可看出，火焰面積周期性變得更加穩(wěn)定.如2.3節(jié)分析，較低壓力聲波可將火焰流動(dòng)渦擾亂，橫向流體被壓縮與擴(kuò)展，火焰縱向不穩(wěn)定振蕩被消除.

圖11 自由及0.36 Pa聲波擾動(dòng)下火焰參數(shù)I?(t)隨時(shí)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(dòng)下火焰參數(shù)I?(t)周期和相位圖（實(shí)驗(yàn)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(biāo)軸得到的圖像可以表示無(wú)量綱火焰面積相位特征，其中，τ為延滯時(shí)間，τ值小于半個(gè)周期..

圖12（a）為自由火焰參數(shù)I?(t) 的周期變化，火焰參數(shù)I?(t) 變化周期性十分明顯，在一個(gè)火焰振蕩周期內(nèi)，隨流動(dòng)渦上升，火焰被抬起，當(dāng)流動(dòng)渦發(fā)展到臨界值，火焰被流動(dòng)渦夾斷，之后，火焰形態(tài)變化進(jìn)入下一周期.圖12（b）為火焰參數(shù)I?(t) 相位圖，自由火焰相位變化較規(guī)則，但部分相位存在線(xiàn)性變化趨勢(shì)，這是由于火焰在提升之后被流動(dòng)渦夾斷，因此，參數(shù)I?(t) 會(huì)發(fā)生迅速減小，在相位圖上表現(xiàn)為線(xiàn)性現(xiàn)象.圖12（c）為0.36 Pa聲波擾動(dòng)下火焰參數(shù)I?(t) 周期變化，與自由火焰相比，0.36 Pa聲波擾動(dòng)下火焰參數(shù)I?(t) 的周期性更加規(guī)則，火焰周?chē)鲃?dòng)渦運(yùn)動(dòng)和火焰邊緣變化不明顯.圖12（d）為0.36 Pa聲波擾動(dòng)下火焰參數(shù)I?(t) 相位圖，相比自由火焰，0.36 Pa聲波擾動(dòng)下火焰相位圖變得更加規(guī)則，火焰相位線(xiàn)性現(xiàn)象變得不明顯，更傾向于圓形.這是由于聲波調(diào)制了火焰相位變化，導(dǎo)致火焰相位穩(wěn)定并且更加光滑.這驗(yàn)證之前分析，較低聲壓會(huì)導(dǎo)致火焰周期性更加明顯，火焰被聲波調(diào)制而穩(wěn)定.

圖12 自由及0.36 Pa聲波擾動(dòng)下火焰參數(shù)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(dòng)下火焰參數(shù)I?(t) 隨時(shí)間變化（實(shí)驗(yàn)條件N2-W5，聲頻率34 Hz）.在9.2 s時(shí)，采用聲波對(duì)火焰進(jìn)行橫向擾動(dòng)，火焰參數(shù)I?(t) 由穩(wěn)定振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)殡s亂形式.由于較強(qiáng)聲波會(huì)導(dǎo)致火焰周?chē)黧w流動(dòng)不再穩(wěn)定，火焰面積被橫向速度壓縮或拓展，火焰穩(wěn)定流動(dòng)特性被聲波干擾變得紊亂.此外，火焰參數(shù)I?(t) 平滑線(xiàn)在聲波作用下降低且呈轉(zhuǎn)折形式，因聲波導(dǎo)致流體流動(dòng)雖然增強(qiáng)了空氣與燃料混合，但聲波也加強(qiáng)了燃料分子擴(kuò)散，故火焰參數(shù)I?(t) 平滑線(xiàn)值變小.

圖13 0.73 Pa聲波擾動(dòng)下火焰參數(shù)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(dòng)下火焰參數(shù)I?(t) 周期和相位圖（實(shí)驗(yàn)條件N2-W5，聲頻率34 Hz）.圖14（a）表示0.73 Pa聲波擾動(dòng)下火焰參數(shù)I?(t) 周期變化，與自由火焰和0.36 Pa聲波擾動(dòng)火焰參數(shù)I?(t) 變化規(guī)律相比較，0.73 Pa聲波擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致火焰失去穩(wěn)定振蕩特性，火焰周期性變?yōu)榛靵y狀態(tài)，表明火焰會(huì)受到聲波誘導(dǎo)空氣流動(dòng)壓迫與提升，火焰形態(tài)變化不再受流動(dòng)渦控制.圖14（d）為0.73 Pa聲波擾動(dòng)下火焰參數(shù)I?(t) 相位圖，與自由火焰和0.36 Pa聲波擾動(dòng)火焰參數(shù)I?(t) 相位圖比較，0.73 Pa聲波擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致火焰失去規(guī)則的環(huán)形相位特性，相位形式變?yōu)殡x散型，呈混沌特征.

圖14 0.73 Pa聲波擾動(dòng)下火焰參數(shù)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(jié) 論

為深入了解聲波擾動(dòng)下火焰失穩(wěn)特性與火焰動(dòng)力學(xué)機(jī)制，采用橫向聲波對(duì)乙醇池火進(jìn)行擾動(dòng).得到結(jié)論如下所示：

1）隨火焰與聲波導(dǎo)流管距離增加，聲壓大體呈波動(dòng)形式變化.隨聲波導(dǎo)流管長(zhǎng)度增加，聲壓值減小.火焰位置處聲壓值與聲發(fā)射頻率關(guān)系也是大體呈波動(dòng)變化的.

2）自由火焰脈動(dòng)十分規(guī)律，表現(xiàn)為尖端閃爍.0.36 Pa聲波作用使得火焰形態(tài)變得穩(wěn)定，更強(qiáng)的1.06 Pa聲波擾動(dòng)導(dǎo)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(zhuǎn)變?yōu)椤邦?lèi)球狀”.

3）較高聲波壓力擾動(dòng)下火焰高度降低，較低聲波壓力擾動(dòng)下火焰高度變化較緩.隨聲學(xué)雷諾數(shù)增加，火焰相對(duì)高度減小.較高聲波壓力導(dǎo)致火焰相對(duì)寬度增加.小聲雷諾數(shù)擾動(dòng)下火焰寬度是被擠壓狀態(tài)，大聲雷諾數(shù)擾動(dòng)下火焰寬度是被拓展?fàn)顟B(tài).

4）較低聲壓會(huì)調(diào)制火焰導(dǎo)致其周期性變得更穩(wěn)定，相位變得規(guī)則，較高聲壓會(huì)擾亂火焰周期性，使得火焰脈動(dòng)紊亂，相位變得混沌.