声扰动与机械振动对层流预混火焰的影响
导读：在高性能推进系统中，燃烧过程与声波之间的能量转换非常复杂，可能会引发大幅度的燃烧不稳定性，进而导致严重的振动或结构损坏。北京理工大学团队利用中智科仪EyeiTS高速像增强模组研究了声学扰动和机械振动对层流预混火焰动态响应特性的影响，成果以“The effects of acoustic disturbances and mechanical vibration on laminar premixed flames: A comparative study”为题发表于期刊“Applied Energy”。
研究背景
燃烧不稳定是一种在各种燃烧系统中频繁出现的不良现象，例如火箭发动机、燃气轮机，甚至在工业蒸汽动力锅炉系统中。从根本上说，它是由不稳定的热量释放、湍流流动和声压之间的复杂相互作用引起的。燃烧不稳定的出现总是伴随着燃烧室内压力和热量释放的剧烈振荡，可能引发诸如结构振动、侵蚀，甚至在极端情况下导致爆炸等不利后果。理解燃烧不稳定性的机制需要对火焰的动力学响应特性进行深入研究。
先前的大多数研究集中在外部声波激励下火焰的响应特性上。这些燃烧研究中的声学扰动通常使用扬声器或正弦阀生成，并应用于各种火焰构型，包括层流和湍流火焰。然而，声学振动并不是唯一能够引发燃烧不稳定的外部激励源。在高性能推进系统中，机械振动也可以引发燃烧不稳定，例如液体火箭发动机中的POGO振荡。这些系统在其燃烧室内表现出复杂的热声结构耦合相互作用。
本研究旨在阐明声学扰动和机械振动对火焰动态燃烧特性的影响差异。文中，通过扬声器或电磁振动激励器扰动预混甲烷火焰燃烧器，评估了激励频率和幅度对预混甲烷火焰动态响应的影响。使用光电倍增管测量了非稳态放热率，并用带有图像增强器的高速相机捕捉了火焰动力学行为。此外，采用双麦克风法测量了火焰上游的声波扰动，使用加速度计测量了结构振动。然后，在不同的当量比和平均流速下获得了火焰传递函数。
实验方案与装置
燃烧器和设备
实验装置主要由一个燃烧器、两个可互换的激励系统和各种测量设备组成，如图1所示。燃烧器总长L=210 mm，内径Din=48 mm，详细信息见图2。在燃烧器底部，甲烷燃料和空气在一个大腔体内预混。激励系统包含一个信号发生器、一个功率放大器和一个激励装置。采用了两种不同的系统：一种使用扬声器生成声波干扰，另一种方法使用电磁激振器提供机械振动。扬声器直接固定在燃烧器底部，而电磁激振器通过适配器连接。通过调制信号发生器和功率放大器，扬声器在火焰上游产生各种声压波动。相反，电磁激振器直接向燃烧器施加机械振动，引起受控的垂直振荡，使燃烧器上下移动。
图1 实验系统示意图
实验测量
通过在308nm波长下的OH*化学发光表征了预混甲烷火焰的非稳态热释放率。为了减少其他波长的干扰，使用了一个中心波长310nm、带宽10nm的窄带滤波镜头。利用光电倍增管检测局部非稳态热释放率，这是因为OH*化学发光强度与热释放率之间存在线性关系。
高速相机与图像增强器(中智科仪：EyeiTS-D-HQB)相结合，通过OH*化学发光捕捉了火焰形态在时间和空间上的演变。燃烧器内部的声压扰动由两个麦克风检测，加速度传感器固定在燃烧器上测量机械振动。
图2 实验装置示意图
实验结论
在50Hz、100Hz和150Hz三种代表性频率下研究了激励强度对瞬时火焰动力学的影响，如图3至图5所示。每个图的右侧提供了对应的数据，包括声压、加速度和不稳定热释放率数据，便于对火焰在不同激励条件下的响应进行全面分析。在这些图中，“P”表示扬声器引起的声压振幅，而“A”表示由燃烧器机械振动引起的加速度振幅。图3展示了火焰在机械振动和声激励下对50 Hz扰动的响应。可以发现，在低激励水平下(声扰动P=4Pa，机械振动A = 30 m/s²)，火焰动力学表现出相似的行为：火焰主要保持其特征性的“V”形，表面结构变化很小。当大振幅机械振动(P=12Pa，A=90m/s²)时，发现在火焰尖端出现了较大的抖动，表明火焰表面波动增强。
图4展示了在100 Hz激励频率下不同激励振幅时的火焰响应。当激励振幅较小时(P= 8Pa，A= 8m/s²)，火焰以线性方式响应，火焰结构未观察到明显变化。当激励振幅显著增加(P= 24Pa，A=24m/s²)时，两种激励模式下的火焰形态均发生了显著变化，出现明显的蘑菇状火焰结构，表明过渡到了非线性响应区域。
图3 不同激励幅度下单个周期内的OH*火焰图像以及声压、加速度和不稳定热释放率的时间序列，驱动频率f=50Hz
图4 不同激励幅度下单个周期内的OH*火焰图像以及声压、加速度和不稳定热释放率的时间序列，驱动频率f=100Hz
图5 不同激励幅度下单个周期内的OH*火焰图像以及声压、加速度和不稳定热释放率的时间序列，驱动频率f=150Hz
图5展示了火焰对150Hz激励的响应。在该频率下的火焰动力学与图3中低频激励下的情况相似。主火焰结构在低激励水平下保持“V”形，而在高激励水平下，火焰尖端表现出强烈的翻转。
总结
在这项研究中进行了系统的比较实验，评估了层流预混火焰在声波扰动和机械振动激励下的响应，通过火焰传递函数评估了火焰的动力学响应特性。研究了速度波动(从0.008到0.06 m/s)、当量比(从0.66到1)和平均流速(从0.568到1.704 m/s)的影响，分析了不同操作条件下火焰形态和放热信号。这些发现有助于更深入地理解在不同激励方法和操作条件下的火焰动力学，这对于燃烧系统的设计和优化至关重要。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.124228
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解决方案
由中智科仪自主研发生产的EyeiTS像增强模组适用于灵敏度要求以及高速采集速度要求较高的实验：
01、单光子探测灵敏度：
在火焰燃烧诊断实验中，选用Hi-QE Blue 光阴极，在紫外波段的量子效率高达30%以上;更高增益的双层MCP可选，最高增益高达15万倍，支持单光子信号探测。
02、超高采集频率：
EyeiTS高速像增强模组最高可支持百万帧高速成像采集。
03、精准的时序控制：
EyeiTS高速像增强模组可选择D410时序同步控制器，具有3路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10ps;
04、高通量紫外镜头：
F/2超大通量紫外镜头专为火焰燃烧优化设计。
