【纹影定量化】声激励下甲烷燃烧的点火过程

纹影图像被广泛用于点火及火焰流场运动研究中，可以直接观察燃烧中的物理现象。近期，上海交通大学王倩副教授课题组和同济大学季晨振研究员课题组采用鹭威纹影系统Luftvis-250，联合开展了声激励条件下甲烷气体扩散火焰点火过程的实验研究。该工作的亮点为通过基于纹影特性的光流算法获得了点火前冷态流场和点火过程的瞬时流场的速度，揭示了声波激励对射流流场和点火过程的影响机理。

1.实验设备

燃烧喷嘴为同心圆环结构（见图1），甲烷和空气分别由内外管流出，甲烷流量为3 L/min，出口平均流速约为0.9 m/s，空气流量为40 L/min，出口平均流速为0.7 m/s，点火位置在喷嘴上方20 mm处。声激励频率从30 Hz到100 Hz不等。高速相机拍摄频率为 2000 fps，曝光时间1/6600 s。

2.冷态流场是什么样的？

从点火前的冷流场（图2-3）可以看到，由于扬声器的激励（50Hz），喷嘴出口形成周期性的射流。通过光流算法，可以进一步计算出该冷态流场的速度。从速度云图（图4-5）可以看出，声传播会使得局部速度发生激增，最大接近1.5m/s；在白色虚线框的区域内，局部区域的速度增加使得速度梯度明显增大。

3.点火过程是什么样的？

现在进入激动人心的点火环节。在30Hz声波激励条件下（图6），电火花成功点燃周围的燃气，并逐渐发展成稳定的火焰。同样通过光流算法获得的点火瞬时速度场显示，火焰的前锋面附近的速度较快，最大接近3m/s。

4. 点火会失败吗？

在实验过程中会发现在外部激励作用下并不是每次点火都会成功。在点火失败的实验中，通过观察瞬时纹影图像，电火花出现的时间正好是声激励波峰（速度最大位置）传播到点火位置的时刻。声波的传播对流场的瞬时扰动比较明显。图8中对比了是否点火成功的速度云图，可以发现点火失败情形下，点火位置处的速度梯度明显增大（如图中白色虚线框内所示），导致点火失败。而在点火成功的案例中，由声波引起的局部速度梯度较大区域已经越过了电火花产生的位置，因此并未受到显著影响。两个情形的对比结果表明，声波激励引起的局部速度梯度过大，是点火失败的原因之一。

参考文献

Zhu, P.; Wang, Q.; Pan, D.; Zhu, T.; Ji, C. Experimental Study on Transient Ignition Characteristics of Acoustic Excited Methane Jet Diffusion Flames.Appl. Sci. 2022, 12, 9719.

论文网址 https://doi.org/10.3390/app12199719