紋影圖像被廣泛用于點(diǎn)火及火焰流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)研究中，可以直接觀察燃燒中的物理現(xiàn)象。近期，上海交通大學(xué)王倩副教授課題組和同濟(jì)大學(xué)季晨振研究員課題組采用鷺威紋影系統(tǒng)Luftvis-250，聯(lián)合開(kāi)展了聲激勵(lì)條件下甲烷氣體擴(kuò)散火焰點(diǎn)火過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究。該工作的亮點(diǎn)為通過(guò)基于紋影特性的光流算法獲得了點(diǎn)火前冷態(tài)流場(chǎng)和點(diǎn)火過(guò)程的瞬時(shí)流場(chǎng)的速度，揭示了聲波激勵(lì)對(duì)射流流場(chǎng)和點(diǎn)火過(guò)程的影響機(jī)理。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備

燃燒噴嘴為同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），甲烷和空氣分別由內(nèi)外管流出，甲烷流量為3 L/min，出口平均流速約為0.9 m/s，空氣流量為40 L/min，出口平均流速為0.7 m/s，點(diǎn)火位置在噴嘴上方20 mm處。聲激勵(lì)頻率從30 Hz到100 Hz不等。高速相機(jī)拍攝頻率為 2000 fps，曝光時(shí)間1/6600 s。

2.冷態(tài)流場(chǎng)是什么樣的？

從點(diǎn)火前的冷流場(chǎng)（圖2-3）可以看到，由于揚(yáng)聲器的激勵(lì)（50Hz），噴嘴出口形成周期性的射流。通過(guò)光流算法，可以進(jìn)一步計(jì)算出該冷態(tài)流場(chǎng)的速度。從速度云圖（圖4-5）可以看出，聲傳播會(huì)使得局部速度發(fā)生激增，最大接近1.5m/s；在白色虛線框的區(qū)域內(nèi)，局部區(qū)域的速度增加使得速度梯度明顯增大。

3.點(diǎn)火過(guò)程是什么樣的？

現(xiàn)在進(jìn)入激動(dòng)人心的點(diǎn)火環(huán)節(jié)。在30Hz聲波激勵(lì)條件下（圖6），電火花成功點(diǎn)燃周圍的燃?xì)?，并逐漸發(fā)展成穩(wěn)定的火焰。同樣通過(guò)光流算法獲得的點(diǎn)火瞬時(shí)速度場(chǎng)顯示，火焰的前鋒面附近的速度較快，最大接近3m/s。

4. 點(diǎn)火會(huì)失敗嗎？

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)在外部激勵(lì)作用下并不是每次點(diǎn)火都會(huì)成功。在點(diǎn)火失敗的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)觀察瞬時(shí)紋影圖像，電火花出現(xiàn)的時(shí)間正好是聲激勵(lì)波峰（速度最大位置）傳播到點(diǎn)火位置的時(shí)刻。聲波的傳播對(duì)流場(chǎng)的瞬時(shí)擾動(dòng)比較明顯。圖8中對(duì)比了是否點(diǎn)火成功的速度云圖，可以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火失敗情形下，點(diǎn)火位置處的速度梯度明顯增大（如圖中白色虛線框內(nèi)所示），導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。而在點(diǎn)火成功的案例中，由聲波引起的局部速度梯度較大區(qū)域已經(jīng)越過(guò)了電火花產(chǎn)生的位置，因此并未受到顯著影響。兩個(gè)情形的對(duì)比結(jié)果表明，聲波激勵(lì)引起的局部速度梯度過(guò)大，是點(diǎn)火失敗的原因之一。

參考文獻(xiàn)

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.

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