張玉濤，林國(guó)鋮，張園勃，楊?杰，黃一鳴

橫向聲波作用下油池火焰燃燒行為模擬

張玉濤，林國(guó)鋮，張園勃，楊?杰，黃一鳴

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

為研究聲波對(duì)開(kāi)放環(huán)境下油池火焰的擾動(dòng)行為，基于對(duì)流傳質(zhì)模型對(duì)聲壓為0.85Pa、2.10Pa、3.42Pa和4.78Pa聲波作用下的油池火焰進(jìn)行了模擬研究．模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在火焰形態(tài)、燃燒質(zhì)量損失等方面符合較好．研究發(fā)現(xiàn)，聲壓的增加能夠使得空氣與油池表面的乙醇?xì)怏w層混合得更為均勻，進(jìn)而促進(jìn)油池杯口局部區(qū)域的燃燒；當(dāng)火焰在聲波作用0.4s后進(jìn)入周期性脫落狀態(tài)，脫落周期與聲波周期一致．油池表面溫度在不穩(wěn)定流帶來(lái)強(qiáng)迫對(duì)流作用以及火焰自身熱反饋?zhàn)饔孟抡袷幾兓?，在頻域上也表現(xiàn)出噪聲信號(hào)．聲波能夠引起火焰兩側(cè)渦旋對(duì)的不對(duì)稱變化，使火焰發(fā)生破碎，正渦量與負(fù)渦量交錯(cuò)區(qū)域增大．此外，聲壓的提高能夠加快火焰表面渦旋的運(yùn)動(dòng)速度并加劇火焰局部結(jié)構(gòu)的拉伸斷裂．本研究為聲波控制油池火焰燃燒行為的相關(guān)研究提供了參考．

聲波強(qiáng)迫；油池火焰；對(duì)流傳質(zhì)；傅里葉變換；拉伸率

燃燒的本質(zhì)是劇烈的化學(xué)反應(yīng)，可以通過(guò)控制燃燒系統(tǒng)的溫度、燃料混合速度、組分梯度等因素來(lái)影響燃燒的進(jìn)行[1]．聲激勵(lì)也是其中一項(xiàng)因素之一，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，許多學(xué)者開(kāi)展了大量關(guān)于聲振蕩對(duì)燃燒控制的研究[2]．Sehgal等[2]對(duì)推進(jìn)燃燒器內(nèi)低頻壓力擾動(dòng)進(jìn)行了研究，得到了燃燒傳遞函數(shù)表達(dá)式．Demare等[3]利用激光多普勒測(cè)速、粒子圖像測(cè)速等技術(shù)對(duì)非預(yù)混火焰在聲激勵(lì)作用下的火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，火焰在周期性聲激勵(lì)的作用下產(chǎn)生高于滯后區(qū)最大速度的軸向速度，導(dǎo)致火焰抬升．此外，在射流減速過(guò)程中，不穩(wěn)定渦結(jié)構(gòu)由于聲波的疊加而被破壞，使反應(yīng)物混合均勻并改善了燃燒狀態(tài)．Vignat等[4]對(duì)噴霧旋流火焰在聲波作用下的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了模擬．結(jié)果表明，旋流火焰的對(duì)流熱釋放率會(huì)與下游的壓力場(chǎng)耦合，產(chǎn)生瑞利源項(xiàng)，并以軸向聲學(xué)模式的形式提供能量．

與改善燃燒效率的結(jié)果不同的是，學(xué)者們?cè)谘芯繒r(shí)也發(fā)現(xiàn)燃料在燃燒時(shí)產(chǎn)生的聲振蕩在封閉燃燒器內(nèi)發(fā)生反射疊加，當(dāng)接近系統(tǒng)固有頻率時(shí)，小振幅聲振蕩自激放大形成了大幅值聲強(qiáng)迫，火焰在大幅值壓力偏移作用下失穩(wěn)，進(jìn)而引起燃燒的不穩(wěn)定與熄滅[5-8]. Han等[6]通過(guò)數(shù)值模擬研究了雙頻效應(yīng)對(duì)乙烯/空氣預(yù)混系統(tǒng)的非線性響應(yīng)及相互作用的影響，研究發(fā)現(xiàn)二次諧波頻率的引入顯著地改變了熱釋放速率的波動(dòng)，基頻率下熱釋放響應(yīng)的振幅顯著降低，比單頻率強(qiáng)迫時(shí)要低70%．Ahn等[7]認(rèn)為聲波擾動(dòng)引起的局部火焰的熄滅的原因主要有兩個(gè)．其一是聲波引起的內(nèi)部渦增加了的燃料擴(kuò)散流入，改變了當(dāng)量比，其二是外部渦的拉伸運(yùn)動(dòng)引起的空氣夾帶，在拉伸火焰面的同時(shí)促進(jìn)了系統(tǒng)散熱．Kypraiou等[8]通過(guò)PLIF技術(shù)研究了聲強(qiáng)迫對(duì)接近熄滅極限的非預(yù)混燃油射流火焰的影響，發(fā)現(xiàn)聲擾動(dòng)作用下同樣存在火焰抬升現(xiàn)象，燃料組分稀薄時(shí)，振動(dòng)聲強(qiáng)迫的疊加效應(yīng)會(huì)引起流場(chǎng)的顯著波動(dòng)，明顯降低火焰的穩(wěn)定性．

目前，學(xué)者們的研究主要集中于對(duì)動(dòng)量主控的燃燒室聲振蕩現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)與模擬，而對(duì)浮力主控的油池火焰在聲波作用下的研究較少，本文通過(guò)數(shù)值模擬針對(duì)油池火焰在橫向聲波作用下油池火焰的火焰形態(tài)演變與油池表面溫度進(jìn)行分析，并對(duì)火焰主要區(qū)域的渦量和拉伸應(yīng)變率進(jìn)行了研究，旨在為聲波作用下油池火焰燃燒特點(diǎn)的動(dòng)態(tài)分析提供參考．

1?實(shí)驗(yàn)裝置及模擬設(shè)置

1.1?實(shí)驗(yàn)裝置

聲波熄滅火焰實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括不銹鋼杯、揚(yáng)聲器、電子天平、高速攝像機(jī)和信號(hào)分析儀．計(jì)算機(jī)調(diào)制正弦信號(hào)傳遞至信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器將信號(hào)傳遞至揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器發(fā)射聲波至火焰，對(duì)火焰形成擾動(dòng)，發(fā)射聲波頻率為20Hz，不銹鋼杯直徑3cm．火焰圖像通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝，質(zhì)量損失通過(guò)電子天平記錄．

圖1?實(shí)驗(yàn)裝置

1.2?模擬設(shè)置

1.2.1?計(jì)算模型及控制方程

本文仿真采用FLUENT軟件進(jìn)行，模型為二維模型(圖2)，參考實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)．聲源距火焰中心20cm，底部與油池口相平，不銹鋼杯直徑3cm．計(jì)算機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)并通過(guò)揚(yáng)聲器傳遞至火焰，聲波信號(hào)形式為20Hz的正弦型函數(shù)，聲信號(hào)的測(cè)試在火源燃燒前進(jìn)行．

圖2?模擬模型

計(jì)算模型選擇二階迎風(fēng)的離散格式和SIMPLEC壓力修正法．湍流模型采用LES(大渦)模型，LES方法能夠?qū)崿F(xiàn)火焰動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程的模擬及燃燒流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性的捕捉[9]．油池火焰的燃燒可認(rèn)為是液態(tài)燃料蒸發(fā)后與空氣混合燃燒形成的浮力擴(kuò)散火焰[10]，因而燃燒模型采用非預(yù)混燃燒模型，該燃燒模型在一定假設(shè)條件之下，將熱化學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)化為混合問(wèn)題，避免了非線性平均反應(yīng)率的相關(guān)問(wèn)題[11]，在計(jì)算前根據(jù)Chemkin化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及熱力學(xué)參數(shù)表預(yù)先生成PDF表，計(jì)算時(shí)通過(guò)計(jì)算平均混合分?jǐn)?shù)、平均焓、平均標(biāo)量耗散率等參數(shù)，根據(jù)PDF表獲得物質(zhì)組分、密度、溫度等其他參數(shù)，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上節(jié)省了計(jì)算時(shí)間．該模型使用的燃燒反應(yīng)機(jī)理為氣體乙醇69步反應(yīng)機(jī)理．控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

非預(yù)混燃燒模型的混合分?jǐn)?shù)方程：

用于求解混合分?jǐn)?shù)的守恒方程：

1.2.2?網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格和四邊形結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，共計(jì)27428個(gè)網(wǎng)格，并對(duì)火焰主要分布區(qū)域進(jìn)行加密，加密區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.75mm×0.75mm．網(wǎng)格如圖3所示．

由于液體燃燒是液相蒸發(fā)后的氣相反應(yīng)物進(jìn)行的反應(yīng)，液體乙醇的蒸發(fā)過(guò)程受到燃燒熱帶來(lái)的熱反饋以及油池表面空氣流速的影響，因此采用對(duì)流傳質(zhì)模型作為燃料的邊界條件[12]．并對(duì)蒸發(fā)燃燒進(jìn)行以下簡(jiǎn)化：①液體乙醇揮發(fā)為乙醇?xì)怏w層，氣體層耗散出乙醇?xì)怏w與空氣混合燃燒；②氣液相交界面是水平穩(wěn)定的，界面處每一點(diǎn)揮發(fā)速率相同，速率大小根據(jù)對(duì)流傳質(zhì)模型確定．③由于油池尺度小，忽略火源熱輻射作用．④火焰處于燃燒時(shí)，池壁對(duì)表面液體和蒸氣層的加熱作用很小，忽略壁面熱交換作用．

圖3?網(wǎng)格模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，避免多相流帶來(lái)的計(jì)算資源增加，模型采用單一氣相乙醇作為反應(yīng)物，入口條件為由液體乙醇蒸發(fā)后的氣體流量，蒸發(fā)后的氣體流量由對(duì)流傳質(zhì)速率模型得到：

式中：A為油膜表面處的擴(kuò)散通量，kmol/(m2·s)；m為對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，(m·kmol)/(kg·s)；AS為飽和蒸汽濃度，kg/m3；A∞為初始濃度，kg/m3．根據(jù)相似原理，確定對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算公式[13]為

式中：L為平板流雷諾數(shù)；0為表面流速，m/s，取油池表面空氣平均速率；為施密特?cái)?shù)；為平板長(zhǎng)度，m；為臨近氣體密度，kg/m3；AB為擴(kuò)散系數(shù)，采用Fuller經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[14]為

式中：為溫度，K；為大氣壓力，Pa；1和2為乙醇和空氣的分子量；c1和c2為乙醇和空氣的擴(kuò)散體積，通過(guò)查表獲得[15]．

飽和蒸汽濃度AS通過(guò)式(10)計(jì)算：

式中，AS為飽和蒸氣壓，Pa．無(wú)水乙醇飽和蒸氣壓計(jì)算方式如下[16]：

進(jìn)而將對(duì)流傳質(zhì)速率轉(zhuǎn)化為速度入口得到乙醇燃料的入口邊界條件：

聲波邊界由udf控制，在單獨(dú)模擬計(jì)算火焰時(shí)，不加入聲波條件．待火焰穩(wěn)定燃燒10s后加入聲波.為穩(wěn)定計(jì)算，參考Chen等[17]通過(guò)正弦型當(dāng)?shù)亟^對(duì)速度的形式來(lái)模擬聲波擾動(dòng)，并忽略二階以上模態(tài)：

式中：e為有效聲壓，Pa，通過(guò)瞬時(shí)聲壓s的均方根得到；m為介質(zhì)密度，由于聲振幅壓力較小，忽略空氣密度波動(dòng)，將m作為常數(shù)計(jì)算，取1.225kg/m3；為聲速，m/s；為介質(zhì)比熱比，取空氣比熱比1.4；為介質(zhì)氣體常數(shù)，取空氣的常數(shù)為287J/(kg·K)；為介質(zhì)溫度，取298K．

根據(jù)油池中心上方0.06m位置聲壓確定速度入口的大小，取揚(yáng)聲器不同聲振幅工況測(cè)得聲壓級(jí)范圍為92.56～107.56dB(環(huán)境背景噪聲為39dB)，對(duì)應(yīng)聲壓范圍為0.79～5.05Pa，聲波頻率均為20Hz．在此基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)整模擬的聲波入口邊界的入口速度使模擬結(jié)果的測(cè)點(diǎn)位置壓力有效值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的有效聲壓一致．取時(shí)均速度為0m/s，初相位為0，頻率取20Hz，經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)聲波邊界入口速度取值為0.049～0.37m/s．聲波邊界條件的速度取值及油池中心位置聲壓大小對(duì)比如表1所示．

表1?聲波邊界條件取值

Tab.1?Acoustic boundary conditions

針對(duì)其他邊界條件，空氣入口條件設(shè)置為0m/s的速度入口，在不影響自然對(duì)流的情況下補(bǔ)充油池燃燒過(guò)程中空氣的損耗．其他邊界均為壓力出口．圖2模擬模型中的邊界條件設(shè)置如表2所示．

表2?邊界條件

Tab.2?Boundary conditions

聲場(chǎng)模擬對(duì)網(wǎng)格與時(shí)間步長(zhǎng)的依賴性較強(qiáng)，要求網(wǎng)格尺寸小于波長(zhǎng)的1/6，時(shí)間步長(zhǎng)小于周期的1/20[19]．網(wǎng)格無(wú)關(guān)化測(cè)試對(duì)比了3種網(wǎng)格尺寸下軸向方向上的平均混合分?jǐn)?shù)，分別為1.25mm、0.75mm和0.25mm尺寸的網(wǎng)格，結(jié)果如圖4(a)所示. 0.75mm網(wǎng)格與0.25mm網(wǎng)格結(jié)果較為接近，1.5mm網(wǎng)格在軸向位置為0.06～0.08m時(shí)混合分?jǐn)?shù)結(jié)果偏差較大．因此，為保證計(jì)算精度和減少計(jì)算資源選擇了0.75mm網(wǎng)格尺寸．時(shí)間步長(zhǎng)的無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)取油池正上方0.06m作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，模擬位置聲壓為4.78Pa，對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間步長(zhǎng)下的溫度波動(dòng)，結(jié)果如圖4(b)所示．0.0125s的時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)法模擬聲波作用下真實(shí)火焰脈動(dòng)情況，0.00125s與0.000125s的模擬結(jié)果相比存在誤差，但誤差在可接受范圍內(nèi)．因此為控制模擬精度節(jié)省計(jì)算資源，選擇0.00125s的時(shí)間步長(zhǎng)．

圖4?無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性，對(duì)無(wú)聲波作用下的火焰輪廓尺寸以及燃燒質(zhì)量損失進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖5). OH-濃度在實(shí)驗(yàn)與模擬中能夠較好地表示烴類物質(zhì)的燃燒強(qiáng)度，可將其作為火焰輪廓的判定條件[20]．將無(wú)聲波作用下的乙醇油池火焰實(shí)驗(yàn)及模擬圖進(jìn)行對(duì)比，模擬與實(shí)驗(yàn)的火焰輪廓尺寸較為相符，火焰溫度場(chǎng)也能夠較好地反映火焰的幾何形態(tài)，但由于模擬忽略熱輻射，火焰溫度相對(duì)于真實(shí)溫度偏高．

圖5?自然狀態(tài)下油池火焰對(duì)比

記錄10s內(nèi)實(shí)驗(yàn)及模擬的燃燒質(zhì)量損失作為對(duì)比結(jié)果，天平記錄間隔為1s，模擬記錄間隔為1.25ms，平均質(zhì)量損失及方差如圖6所示．平均無(wú)量綱質(zhì)量損失在聲壓低于3.42Pa時(shí)模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為相符，在大于等于3.42Pa時(shí)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量損失略大于模擬結(jié)果．這可能是實(shí)驗(yàn)條件下聲壓級(jí)的增大引起聲波信號(hào)的畸變，進(jìn)而導(dǎo)致更強(qiáng)烈的空氣紊流擾??動(dòng)[21]，加速了乙醇質(zhì)量消耗．

圖6?實(shí)驗(yàn)與模擬質(zhì)量損失對(duì)比

2?結(jié)果與討論

2.1?火焰形態(tài)

火焰形態(tài)是燃燒的最直觀表現(xiàn)，通過(guò)火焰溫度分布云圖表征火焰形態(tài)與流域的溫度特點(diǎn)，模擬得到8個(gè)聲波周期即8(0.4s)內(nèi)的溫度云圖(每個(gè)聲波周期＝0.05s)．如圖7所示，火焰溫度分布在前0.5時(shí)間內(nèi)均未發(fā)生較大變化，而在時(shí)刻，火焰向右偏移，同時(shí)隨著聲壓的增加使得油池右側(cè)杯口的火焰向下偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)更為明顯，這是由于高聲壓作用下的火焰面產(chǎn)生的渦旋演變更快，高溫氣體在卷吸的作用下移動(dòng)．在1.5時(shí)刻，隨著聲壓的增加油池左側(cè)杯口的高溫區(qū)域分布顯著，這是由于聲波擾動(dòng)促進(jìn)了空氣與油池表面的乙醇?xì)怏w層的接觸，進(jìn)而促進(jìn)了局部區(qū)域的燃燒．

圖7?2個(gè)聲波周期內(nèi)火焰溫度

圖8為火焰在3～8內(nèi)的溫度分布．2之后溫度分布出現(xiàn)較大差異，3.42Pa和4.78Pa聲壓下的“新”火焰區(qū)在膨脹的過(guò)程中與“舊”火焰區(qū)域發(fā)生擠壓和融合，火焰整體溫度梯度較大，火焰鋒面結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)．在此之后，部分火焰在浮力與流場(chǎng)慣性力的作用下發(fā)生剝離，高溫區(qū)域也發(fā)生分離．5時(shí)所有工況下的火焰進(jìn)入周期性脫落狀態(tài)，3.42Pa和4.78Pa聲壓下左側(cè)杯口的形成火焰尺度較大，在與“舊”火焰融合的過(guò)程中形成了良好的補(bǔ)充，從而使高溫區(qū)域范圍明顯．此外，火焰在處于相對(duì)穩(wěn)定的周期性脫落狀態(tài)時(shí)，脫落周期與聲波周期相同．

圖8?3至8個(gè)聲波周期內(nèi)火焰溫度

2.2?火焰表面溫度

根據(jù)傳質(zhì)傳遞模型，油池表面的熱反饋會(huì)影響燃料的供給，進(jìn)而影響燃燒的進(jìn)行，因此對(duì)油池表面的平均溫度進(jìn)行分析．結(jié)果如圖9所示，由于強(qiáng)制對(duì)流作用，在聲波作用下油池表面溫度相比無(wú)聲波作用下的溫度低，同時(shí)火焰對(duì)聲波擾動(dòng)帶來(lái)的強(qiáng)迫對(duì)流作用響應(yīng)時(shí)間極短，表面溫度在聲波作用的瞬間溫度就開(kāi)始發(fā)生下降，直至在1.1時(shí)表面溫度降至最低，但此時(shí)火焰溫度的整體分布對(duì)聲波的響應(yīng)不明顯(見(jiàn)圖7)．在數(shù)值大小上，隨著聲壓的增加油池表面溫度呈現(xiàn)先下降后上升的特點(diǎn)，這是由于聲波擾動(dòng)引起的強(qiáng)制對(duì)流作用更明顯，因此能夠引起更顯著的溫度下降，但在無(wú)法熄滅火焰時(shí)，高聲壓引起大振幅空氣擾流也會(huì)加速反應(yīng)物的混合，促進(jìn)擴(kuò)散火焰的燃燒，這與魏珠萍的研究結(jié)果一致[22]．

圖9?油池表面溫度

為分析表面溫度在頻域和時(shí)域上的響應(yīng)特點(diǎn)，對(duì)油池表面溫度進(jìn)行了傅里葉變換(FFT)和短時(shí)傅里葉變換(SFFT)．圖10為油池表面溫度數(shù)值變換結(jié)果，由圖10可知油池表面溫度的在自然狀態(tài)下的脈動(dòng)頻率在7.82Hz左右，而油池表面平均溫度信號(hào)中，聲波信號(hào)最為突出，其次是接近自然狀態(tài)下油池表面溫度的頻率信號(hào)，結(jié)合圖8火焰脫落可知，當(dāng)火焰處于周期性脫落階段時(shí)，火焰自身的脈動(dòng)信號(hào)與聲波信號(hào)在穩(wěn)定疊加，使得整體處于相對(duì)穩(wěn)定的連續(xù)狀態(tài)．

短時(shí)傅里葉變換是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上加上窗函數(shù)，分析出現(xiàn)在特定時(shí)間段內(nèi)的短時(shí)信號(hào)．由前文可知，火焰從聲源發(fā)聲開(kāi)始，到進(jìn)入具有周期性的燃燒階段之間存在不穩(wěn)定燃燒階段，在此階段的頻域分布在0～5(10～10.25s)內(nèi)存在噪聲頻率，表明火焰在此時(shí)間段內(nèi)處于不穩(wěn)定燃燒向周期性脫落的過(guò)渡階段．此外，0.85Pa聲壓聲波在5之后噪聲信號(hào)幾乎消失，而2.10Pa、3.42Pa和4.78Pa噪聲信號(hào)在之后依舊存在，同時(shí)隨著聲壓的增大噪聲信號(hào)域更為顯著，這可能是由于振蕩流引起不穩(wěn)定流的產(chǎn)生，油池表面溫度在不穩(wěn)定流帶來(lái)強(qiáng)迫對(duì)流作用，以及火焰自身熱反饋?zhàn)饔孟抡袷幾兓?，進(jìn)而在頻域上也表現(xiàn)出噪聲信號(hào)．

圖10?油池表面溫度FFT和SFFT結(jié)果

2.3?火焰流場(chǎng)特性

火焰在聲波擾動(dòng)作用下流場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，并形成尺度和強(qiáng)度不同的渦結(jié)構(gòu)，為分析聲波引起火焰流場(chǎng)分布的變化，對(duì)聲波作用下火焰流線分布以及渦量場(chǎng)進(jìn)行研究．圖11為流線與渦量云圖．高動(dòng)量射流火焰不同，受浮力主控的擴(kuò)散火焰不存在射流區(qū)[23]，渦量較大的區(qū)域分布集中在火焰中部，結(jié)合2.1節(jié)的溫度分布可知，這是由于高溫差引起的密度差使得豎直方向的剪切作用明顯．而在橫向聲波的作用下溫度梯度和密度梯度發(fā)生改變，火焰中部渦量逐漸減小，聲壓的增加使得火焰發(fā)生破碎，引起正渦量與負(fù)渦量交錯(cuò)區(qū)域增大．由流線分布可知，聲波擾動(dòng)引起了火焰兩側(cè)渦旋對(duì)的不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)．此外，有效聲壓的增大引起油池表面的小渦旋數(shù)量的增加，因此火焰面在小尺度渦旋作用的下褶皺程度加大．有效聲壓的增加也會(huì)使火焰表面渦旋的運(yùn)動(dòng)速度加快，在0.85Pa聲壓下火焰根部渦旋耗費(fèi)10的時(shí)間完成一次渦旋自下向上的運(yùn)動(dòng)，而2.10～4.78Pa聲壓下的火焰在8內(nèi)就能夠完成一次渦旋運(yùn)動(dòng)．

在預(yù)混火焰與非預(yù)混火焰中，通過(guò)拉伸率來(lái)表現(xiàn)火焰結(jié)構(gòu)變形與局部熄滅[7]，即：

圖12為聲波作用下火焰流域的拉伸率云圖．由圖可知，拉伸率較大的區(qū)域主要分布在火焰根部與火焰斷裂位置，結(jié)合前文分析可知，較大的有效聲壓引起了油池表面空氣的強(qiáng)紊流，造成渦量增大和渦旋尺度的增大．火焰表面在更大尺度渦旋的作用下發(fā)生拉伸應(yīng)變，從而引起結(jié)構(gòu)變形與拉伸率的增加．最大拉伸率可直觀反映流域的拉伸率變化．由圖12(b)可知，最大拉伸率周期與聲波周期一致，結(jié)合2.1節(jié)火焰脫落周期可知，高拉伸率是火焰脫落斷裂的原因，這與Ahn等[7]的研究結(jié)果一致．對(duì)于不同的有效聲壓來(lái)說(shuō)，0.85Pa聲波下火焰拉伸率的周期性并不顯著，當(dāng)有效聲壓增加至2.10Pa以上時(shí)，周期性凸顯，但相位與聲波相位存在相位差，相位差隨著聲壓級(jí)增大而減小，這表明聲壓的增大也能使拉伸率的變化速率加快．

圖12?火焰流域拉伸率

3?結(jié)?論

本文基于對(duì)流傳質(zhì)模型對(duì)橫向聲波作用下的油池火焰進(jìn)行了模擬，針對(duì)火焰形態(tài)演變、火焰表面溫度以及流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

(1)有效聲壓的增大引起空氣與油池表面的乙醇?xì)怏w充分混合，促進(jìn)了火焰根部背聲側(cè)局部區(qū)域的燃燒，高溫區(qū)域分布顯著．隨著有效聲壓的增大，促進(jìn)了局部火焰與主火焰的擠壓與融合．火焰在聲波作用0.4s后進(jìn)入周期性脫落狀態(tài)，脫落周期與聲波周期相同．

(2)油池表面溫度分析表明，表面溫度在聲波作用的瞬間就發(fā)生響應(yīng)，聲波頻率為油池表面溫度頻域中的主導(dǎo)頻率，由于振蕩流引起不穩(wěn)定流的產(chǎn)生，油池表面溫度在不穩(wěn)定流帶來(lái)強(qiáng)迫對(duì)流作用以及火焰自身熱反饋的作用下振蕩變化，在頻域上表現(xiàn)出噪聲信號(hào)，噪聲信號(hào)隨有效聲壓的增大而增強(qiáng)．

(3)聲壓的增加使火焰發(fā)生破碎，正渦量與負(fù)渦量交錯(cuò)區(qū)域增大．火焰兩側(cè)渦旋對(duì)在聲波作用下發(fā)生不對(duì)稱變化，有效聲壓的增加使火焰表面渦旋的運(yùn)動(dòng)速度加快，加劇了火焰的結(jié)構(gòu)變形和局部斷裂熄滅．聲波與最大拉伸率變化周期存在相位差，聲壓的增大也能使拉伸率的變化速率加快．

［1］ 韓啟祥，范育新. 燃燒理論基礎(chǔ)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2018.

Han Qixiang，F(xiàn)an Yuxin.[M]. Beijing：Science Press，2018(in Chinese).

［2］ Sehgal R，Strand L. A theory of low-frequency combustion instability in solid rocket motors[J].，1964，2(4)：696-702.

［3］ Demare D，Baillot F. Acoustic enhancement of combustion in lifted non-premixed jet flames[J].，2004，139(4)：312-328.

［4］ Vignat G，Schiavo E L，Laera D，et al. Dynamics of spray and swirling flame under acoustic oscillations：A joint experimental and les investigation[J].，2021，38(4)：6015-6024.

［5］ Friedman A N，Stoliarov S I. Acoustic extinction of laminar line-flames[J].，2017，93：102-113.

［6］ Han X，Yang J，Mao J. LES investigation of two frequency effects on acoustically forced premixed flame[J].，2016，185：449-459.

［7］ Ahn M，Lim D，Kim T，et al. Pinch-off process of Burke-Schumann flame under acoustic excitation[J].，2021，231：111478.

［8］ Kypraiou A M，Giusti A，Allison P M，et al. Dynamics of acoustically forced non-premixed flames close to blow-off[J].，2018，95：81-87.

［9］ 張志浩，劉?瀟，趙鐵錚，等. 旋流預(yù)混燃燒室燃燒特性研究[J]. 熱科學(xué)與技術(shù)，2021，20(2)：171-177.

Zhang Zhihao，Liu Xiao，Zhao Tiezheng，et al. Study on combustion characteristics of swirl premixed combustor[J].，2021，20(2)：171-177(in Chinese).

［10］ 聶?磊. 受限空間正庚烷油池火火焰脈動(dòng)頻率研究[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39(12)：1649-1651.

Nie Lei. Study on flame pulsation frequency of n-heptane pool fire in confined space [J].，2020，39(12)：1649-1651(in Chinese).

［11］ 李鵬飛，徐敏義，王飛飛. 精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)[M]. 北京：人民郵電出版社，2011.

Li Pengfei，Xu Minyi，Wang Feifei.[M]. Beijing：People’s Posts and Telecommunications Press，2011(in Chinese).

［12］ 章葉川，冷文軍，余?濤，等. 船舶機(jī)艙壁面油膜揮發(fā)速率研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2019，41：144-147.

Zhang Yechuan，Leng Wenjun，Yu Tao，et al. Study on oil film evaporation rate of engine room wall[J].，2019，41：144-147(in Chinese).

［13］ Zhang Y，Ying X. Characteristics and correlations of VOC emissions from building materials[J].，2003，46(25)：4877-4883.

［14］ E L 柯斯樂(lè)，王宇新，姜忠義. 擴(kuò)散：流體系統(tǒng)中的傳質(zhì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

Kessler E L，Wang Yuxin，Jiang Zhongyi.：[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2002(in Chinese).

［15］ 李紹芬. 化學(xué)與催化反應(yīng)工程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1986.

Li Shaofen.[M]. Beijing：Chemical Industry Press，1986(in Chinese).

［16］ 馬亞勤. 乙醇汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究[D]. 南寧：廣西大學(xué)，2019.

Ma Yaqin. Performance Research of Ethanol Gasoline Hybrid Engine[D]. Nanning：Guangxi University，2019(in Chinese).

［17］ Chen S，Zhao D，Li H K H，et al. Numerical study of dynamic response of a jet diffusion flame to standing waves in a longitudinal tube[J].，2017，112：1070-1082.

［18］ Xiong C，Liu Y，Xu C，et al. Extinguishing the dripping flame by acoustic wave[J].，2021，120(3)：103109.

［19］ 余志健，楊?旸. 亥姆霍茲共振器對(duì)熱聲不穩(wěn)定極限環(huán)的預(yù)測(cè)[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2021，36(5)：997-1006.

Yu Zhijian，Yang Yang. Prediction of thermoacoustic instability limit cycle by Helmholtz resonator[J].，2021，36(5)：997-1006(in Chinese).

［20］ 侯俊平. 旋流燃燒室空間激光診斷方法與特征分析[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2020.

Hou Junping. Space Laser Diagnosis Method and Characteristic Analysis of Swirl Combustor [D]. Dalian：Dalian University of Technology，2020(in Chinese).

［21］ 于?淼，姜根山，姜?羽，等. 聲波誘導(dǎo)湍流的實(shí)驗(yàn)研究與模擬計(jì)算[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2021，41(6)：481-488.

Yu Miao，Jiang Genshan，Jiang Yu，et al. Experimental study and simulation of acoustic induced turbulence[J].，2021，41(6)：481-488(in Chinese).

［22］ 魏珠萍. 聲波影響燃燒及燃燒火焰特性的研究[D]. 北京：華北電力大學(xué)數(shù)理學(xué)院，2019.

Wei Zhuping. Effect of sound Wave on Combustion and Combustion Flame Characteristics[D]. Beijing：School of mathematical，North China Electric Power University，2019(in Chinese).

［23］ Pretrel H，Suard S，Audouin L. Experimental and numerical study of low frequency oscillatory behaviour of a large-scale hydrocarbon pool fire in a mechanically ventilated compartment[J].，2016，83：38-53.

Simulation of Combustion Behavior of Pool Flame Under Transverse Acoustic Wave

Zhang Yutao，Lin Guocheng，Zhang Yuanbo，Yang Jie，Huang Yiming

(School of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

In order to study the control behavior of acoustic wave on pool flame in open environment，the pool flame under the acoustic pressure of 0.85Pa，2.10Pa，3.42Pa and 4.78Pa was simulated，respectively，based on the convective mass transfer model. The results show that the simulation results are in good agreement with the experimental results in terms of flame shape and combustion mass loss. It is found that the increase of sound pressure can make the air more evenly mixed with the ethanol gas layer on the surface of the pool，thus promoting the combustion in the local area of the cup mouth of the pool. When the flame enters the periodic shedding state after 0.4s of sound wave action，the shedding period is consistent with the sound wave period. The pool surface temperature oscillates under the forced convection caused by unstable flow and the thermal feedback of the flame itself，and a noise signal occurs in the frequency domain. The acoustic wave can cause the asymmetric change of vortex pairs on both sides of the flame，break the flame，and increase the staggered area of positive vorticity and negative vorticity. In addition，the increase of sound pressure can accelerate the movement of vortex on the flame surface and aggravate the tensile fracture of local structure of flame. This study provides a reference for the research on the combustion behavior of pool flame controlled by acoustic waves.

acoustic force；pool flame；convective mass transfer；Fourier transform；strain rate

TF051

A

1006-8740(2023)04-0381-09

10.11715/rskxjs.R202305025

2022-04-13．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51774233).

張玉濤(1982— )，男，博士，教授.

張玉濤，ytzhang@xust.edu.cn.

(責(zé)任編輯：隋韶穎)