ITA 驱动旋流火焰燃烧动力学洞察

本文考察了基于高剪切旋流喷嘴在模型燃烧室中进行的内禀热声 (Intrinsic ThermoAcoustic, ITA) 驱动的燃烧不稳定的火焰、流场和声学耦合。燃烧室采用纯甲烷和甲烷-氢气混合燃料搭配空气，以部分预混方式运行。本研究中保持燃料流量不变，改变空气流量，使湍流数 (Reynolds number) 处于 8000-19000 范围内，固定热功率为 16 kW。测量并分析燃烧室的声学压力、高速 OH$^*$、CH$^*$ 化学发光图像、高速粒子图像测速法以及稳定排气温度。结果显示该燃烧室在两种燃料下声学压力振幅呈非单调变化。相较于纯甲烷，甲烷-氢气混合燃料的工作区间更宽，声学振荡振幅较大。两种燃料均表现出随空气流量线性增加的主导不稳定频率，表明 ITA 驱动的燃烧不稳定。构建的低阶网络模型引入简化的 $n-\tau$ 火焰响应，采用实验中捕获的导弗时间延迟，成功再现了观察到的主导不稳定频率，进而印证了 ITA 驱动机制。火焰和流场的时空分辨特征显示，在大幅度声学振荡期间，外层剪切层发生周期性轴对称涡旋 shedding，并与回火区 (CRZ) 相互作用。在相对较小幅度时，内外剪层涡旋以不同速度向下游输送，且彼此之间不发生相互作用。涡旋 shedding 过程在工况条件下的行为进一步通过代表涡动力学的简化模型进行分析。