探秘蓝色旋涡火焰：形成机制与动力学特性前沿研究
蓝色旋涡火焰是一种特殊的旋涡火焰，具有层流、无烟、旋转的特点，通常从燃烧液态烃燃料的湍流和含烟的火焰旋涡演变而来，中国科学技术大学团队利用中智科仪EyeiTS高速像增强模组配合高速相机研究了不同燃料表面直径对蓝色旋涡火焰动力学特性的影响，成果以“An experimental study of the blue whirl: Effect of fuel surface diameter”为题发表于期刊“Combustion and Flame”。
研究背景
池火(pool fire)和火焰旋涡是常见的扩散火焰，分别可能在燃料泄漏事件和大型林地火灾中发生，对财产和生命造成巨大破坏。因此，研究池火和火焰旋涡有助于预测和预防不希望发生的火灾。池的规模对于池火和火焰旋涡都是关键因素。通常，池的规模以池直径或燃料表面直径来表征。
蓝色旋涡火焰是一种新近发现的独特旋转火焰，其特征是层流、无烟、蓝色旋转，通常是从燃烧液体碳氢燃料的湍流且含烟的火焰旋涡演变而来。形成蓝色旋涡需要平坦边界条件以及环境流动(ambient circulation)。与极具破坏性的传统火焰旋涡相比，蓝色旋涡规模较小，相对容易控制，其独特的机制为火灾应急响应和低排放燃烧提供了广阔前景。目前蓝色旋涡火焰仍存在许多未解决的问题，例如形成机制，边界层效应，尺度效应和火焰流相互作用等。
文章介绍了一种新的边界条件，它有助于改变燃料表面的直径并保持其稳定。燃料表面直径表征了池的规模，并研究了它对蓝色旋涡动力学的影响，例如循环、火焰宽度、抬升高度、火焰偏转以及燃烧速率。此外，为蓝色旋涡火焰建立了一个热传递模型，并提出了一个半经验的燃烧速率相关性。
实验方案与装置
图1 实验装置
两半圆柱形聚甲基丙烯酸酯(PMMA)(直径：D = 300 mm，高度：600 mm)放置在铝制平台上(尺寸：400 mm × 400 mm)，两者之间保持固定间距(S = 30 mm)。
● n平台中心的燃烧器：由一个铝制圆筒(圆筒直径：100 mm，中心孔直径：6.3 mm，上表面内倾角：10°)和下方的燃料支撑组成。
● n热丝风速计探头：设置在入口间隙的中心位置，距离平台的高度为30 mm，用于测量入口切向速度。
● n顶部排烟罩：(尺寸：400 mm × 400 mm)设置在半圆柱体的顶部。罩内的风扇在实验期间启动以进行通风，这有助于形成蓝色旋涡并增强火焰稳定性。
● n正庚烷液体燃料：纯度大于98%，燃料罐通过聚氨酯软管将燃料输送至位于燃烧器下方的燃料支撑处。通过下方的提升平台实现燃料罐高度的垂直调整，从而改变燃料表面高度(或直径d)。放置在燃料罐和提升平台下的电子秤用于测量燃料的质量损失率。
● n燃料表面直径与火焰动力学：在半圆柱体外部，以45度倾斜角度放置一台数字摄像机用于在整个实验过程中测量燃料表面。
● n火焰几何形状与化学发光：一个蓝色旋涡由三部分组成：一个倒置的圆锥形蓝焰，一个明亮的蓝色环，以及一个紫色帽子火焰(从下到上)。明亮的蓝色环是涡旋最宽的部分，是蓝色涡旋的特征结构。火焰几何参数，火焰宽度(Wf)和火焰边缘的抬升高度(Hl)，分别定义为环的直径和环与燃料表面之间的垂直距离。图2展示了OH*化学发光成像和视频记录装置。OH*化学发光成像已被广泛用于表征燃烧过程。这里，使用了一台高速相机配备高速图像增强器(CISS，EyeiTS-D-HQB)，一个100mm紫外镜头，以及一个窄带通滤光片(310 ± 10 nm)，用于捕获OH*化学发光的图像。
图2 OH* 化学发光与燃料表面直径测量装置
实验结论
图3(a)蓝色旋涡的灰度OH*化学发光图像，(b)相应的像素强度轮廓，(c)光强的径向分布。
图3展示了OH*化学发光图像、对应的像素强度轮廓以及OH*化学发光光强的径向分布。对于每种燃料表面直径，火焰被允许燃烧几分钟以达到稳态。明亮蓝色环的左右边缘定义为强度峰值的20%阈值线与径向分布曲线的交点。这两个环边缘可以被认为是火焰的左右边缘，用于确定火焰宽度、火焰边缘的抬升高度以及火焰中心的位置。
图 4 不同燃料表面直径下的火焰形状变化过程
图4展示了大约100ms时间跨度下不同燃料表面直径下的火焰形状。可以看出，随着燃料表面直径d的增加，明亮蓝色环的直径和高度都增加。当d<50mm时，火焰完全为蓝色。火焰的自发荧光主要来源于明亮蓝色的部分。环形在中间，而火焰的上部和下部则较暗。当d>50mm时，环形的皱褶变得更加明显，并且在蓝色火焰包络中偶尔形成黄色火焰。对于d < 50mm的火焰，定义为蓝色旋涡的稳定状态;d≥50mm的火焰，定义为蓝色旋涡的过渡状态。
总结
本研究探讨了在凹面光滑金属表面上形成10度倾斜角度的蓝色旋涡火焰时，液体燃料表面直径对蓝色旋涡火焰动力学的影响。结果表明，液体燃料表面直径对蓝色旋涡的形成和演化有显著影响。当燃料表面直径位于25mm<d<50mm范围内时，可以形成稳定的蓝色旋涡。当d≥50mm时，蓝色旋涡变得不稳定，在蓝色旋涡包络中心区域生成黄色旋转火焰，形成过渡状态。
随着燃料表面直径的增加，蓝色旋涡的循环和火焰宽度显示出接近线性的增长。稳定状态下蓝色旋涡边缘火焰尖端的抬升高度与燃料直径成线性关系，在过渡状态下则几乎保持不变。而蓝色旋涡的火焰旋转频率随循环的增加而呈线性增加，旋转半径几乎保持不变。蓝色旋涡单位面积的燃烧速率随燃料表面直径的增加而降低。基于辐射理论建立了一个蓝色旋涡的辐射热传递模型，并通过模型和实验测量获得了稳定和过渡状态下的修改燃烧速率表达式。进一步地，基于量纲分析提出了预测蓝色旋涡火焰几何特性和火焰旋转频率的尺度定律。
本研究提供了不同燃料表面直径下的火焰动力学实验，并深入探讨了蓝色旋涡的物理特性。
论文链接：
DOI：
https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2024.113322
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