膨胀预混火焰自加速振荡机制及变化规律研究

Self-acceleration of premixed expanding flames significantly increases the flame propagation speed, which makes it one of the most important issues in thermal power installations and fire hazards. The oscillatory feature in conditions of Lewis number greater than unity is a suspended problem among investigations of the self-acceleration process. In-depth research of the mechanism and regularity of this feature is of great theoretical meaning to the comprehension of flame self-acceleration. The current study would try to interpret the mechanism of oscillatory self-acceleration from the perspective of cellular wavelengths’ characteristics, on the basis of numerical simulations on 2D circular expanding flames with monochromic or polychromatic perturbations and optical experiments observing the evolution of cellular structures. Through analysis on the perturbation-filtering mechanism of thermal-diffusive effect, law of development from full-spectrum perturbations to flame cells with certain wavelength characteristics would be clarified, so as to reveal the mechanism of oscillatory self-acceleration. Finally, by quantitative evaluation of the cellular morphological development, the periodic growth and split modes of cellular structures would be interpreted and variation regularities of oscillatory parameters in the self-acceleration phenomena responding to Lewis number would be clarified. The above investigation would be helpful to establishment of the mathematical model for oscillatory self-acceleration in laminar premixed expanding flames.

膨胀预混火焰的自加速现象是热能动力装置中火焰传播速度预测和火灾行为中爆炸危险评估的一个关键问题。目前，针对Lewis数大于1时火焰自加速振荡特征的研究尚不清楚，深入探讨该振荡特征的机制和规律对准确认识火焰自加速过程有重要的理论意义。本项目拟根据单波长及多波长等不同初始扰动条件下的二维膨胀火焰数值模拟和胞状形态发展过程可视化观测试验，从褶皱细胞波长特征的角度揭示膨胀火焰自加速过程的振荡机制。通过分析热-扩散作用对不同波长扰动的抑制和过滤作用，本项目拟探究连续谱特征的实际扰动向具有特定波长特征的火焰面褶皱细胞发展的机理，进而揭示Lewis数大于1条件下自加速振荡特征的形成机制。最后，并通过对火焰细胞形态及发展过程的定量评价，阐释火焰面胞状结构的周期性发展及分裂机制，明确自加速振荡特征参数随Lewis数的变化规律。本项研究将对构建膨胀预混火焰振荡自加速的数学模型具有重要的指导价值。

膨胀预混火焰的自加速现象是热能动力装置中火焰传播速度预和火灾行为中爆炸危险评估的一个关键问题。本项目聚焦火焰自加速振荡现象的两个关键科学问题开展研究：1）热扩散作用对扰动波谱特征的过滤机制；2）火焰面胞状结构的周期性形态演变及分裂机制。具体分为三个方面：1）振荡自加速现象与火焰面形态的关系研究；2）湍流扰动（持续的宽波谱扰动）条件下膨胀预混火焰的自加速规律研究；3）电极扰动（单波长扰动）对火焰形态的影响研究。研究结果表明，膨胀预混火焰自加速曲线振荡过程中的火焰加速阶段对应了火焰面上大量小尺度胞状结构的产生过程，该过程中变得明亮的褶皱裂纹反映了褶皱结构沟槽的加深。在火焰加速度达到最大值后，褶皱裂纹逐渐变暗，反映了沟槽变浅，火焰加速度逐渐减小直至火焰传播速度进入减速阶段。热扩散不稳定性的加入会导致火焰自加速振荡特征的频率增大，幅度降低。水力学不稳定与热扩散不稳定性共同存在的条件下，胞状不稳定性机制下的火焰面扰动幅度增长率需要用二阶以上的波数多项式表达；随着湍流扰动的增强，火焰加速加速特征将分别经历“自身不稳定性主导”、“不稳定性与湍流共同主导”、“湍流主导”三个阶段，火焰面上的胞状结构的尺寸分布由较为均匀的小尺寸分布逐渐向多尺度分布过渡，且有多个小尺寸胞状结构组成大尺度分形结构也更早的出现了。在对称布置的电极扰动作用下，初始火核可以发展为扁球形或纺锤形，这些偏离球形的特征在Le大于1时可以随着火焰火焰的发展逐渐向球形恢复，即波数为2的扰动被火焰自身稳定机制抑制和过滤了，抑制的速度随着Le的增大而加快；但是当Le远大于1时可能在恢复球形后再次向正交方向的纺锤形或扁球形发展，使得火焰形态发生振荡。本项目给出了热-扩散作用对特定波长扰动的抑制作用的直接证据，为揭示自加速振荡特征的形成机制提供了新的切入点，对完善火焰传播速度预测模型有重要的参考价值。