利用二维瑞利温度计对贫预混H?/空气火焰中的火焰表面拓扑结构和温度进行了实验研究

《Proceedings of the Combustion Institute》：Experimental investigation of flame surface topology and temperature in lean premixed H 2/air flames with 2D Rayleigh thermometry

氢气/空气火焰表面拓扑与温度关联性研究。采用2D Rayleigh散射和1D Raman/Rayleigh光谱验证，发现局部高温区域与正曲率火焰表面显著相关，Ka数增至690后该关联减弱，表明湍流扩散主导。提出火焰表面温度与曲率统计指标作为TD不稳定的标志。

　　氢气作为一种无碳能源载体，被认为在应对太阳能和风能等可再生能源的间歇性问题中具有重要潜力。氢气与空气的预混燃烧在内燃机和燃气轮机等设备中具有显著的减排潜力，尤其是在减少氮氧化物（NOx）排放方面。然而，这类燃烧方式也面临热扩散性（Thermo-Diffusive，简称TD）不稳定性的问题。这种不稳定性主要源于混合物热扩散率与氢气质量扩散率之间的不平衡，导致火焰表面出现细胞状燃烧结构，从而增加火焰表面积并提升局部燃料消耗速率。在湍流条件下，这种TD不稳定性会进一步受到湍流与化学反应相互作用（Turbulence-Chemistry Interaction，简称TCI）的影响，使得火焰拓扑结构和热化学特性更加复杂。因此，理解这些不稳定性及其在湍流条件下的演变对于优化燃烧过程和提高燃烧效率至关重要。

在本研究中，采用二维（2D）瑞利散射测量技术，结合准同时的一维（1D）拉曼/瑞利光谱测量，对氢气/空气预混湍流火焰的火焰表面拓扑结构和温度特性进行了深入研究。瑞利散射技术能够提供宏观火焰结构和温度分布的定量信息，而拉曼/瑞利光谱则可以测量1D温度剖面，从而对瑞利散射数据进行验证。研究结果显示，随着卡洛维茨数（Karlovitz number，简称Ka）的增加，火焰表面积的变化和温度分布的不对称性逐渐减弱，标志着燃烧过程向分布式燃烧（distributed combustion）阶段的转变。这种转变通常与湍流强度的增加和火焰结构的细化有关，而Ka的定义考虑了湍流时间尺度和火焰反应区厚度的相对关系。

在实验设置方面，研究使用了水冷的氢气/空气预混火焰燃烧器，以稳定高湍流强度的火焰。燃烧器结构包括外层多孔共流环、中层不锈钢多孔引燃燃烧器以及内径为4.5毫米的同心喷嘴。为了提高火焰结构的分辨率，实验中采用了高空间分辨率的瑞利散射系统，并结合PIV（粒子图像测速）技术获取湍流场的详细信息。同时，通过激光片和CMOS相机等设备，实现了对火焰表面温度的定量测量。这些实验数据经过处理后，能够揭示火焰表面的温度分布与曲率之间的关系。

通过瑞利散射图像的处理，研究人员能够校正光学畸变，并补偿激光片在空间分布上的不均匀性。随后，将校正后的瑞利散射信号归一化为冷反应物中心区域的最高1%强度，以获取准确的温度值。同时，火焰表面的曲率被通过Li等人的方法计算得出。在分析过程中，研究人员发现，当Ka增加时，火焰表面的温度分布逐渐变得对称，并且火焰表面的温度变化与曲率之间的相关性减弱。这表明在高湍流强度下，湍流传输对火焰结构的影响超过分子扩散，从而削弱了TD不稳定性。

研究结果表明，随着Ka的增加，火焰表面的温度分布呈现出从非对称到对称的变化趋势。这种变化不仅反映了火焰结构的演化，也揭示了湍流与化学反应之间的相互作用对火焰热化学特性的影响。在低Ka情况下，火焰表面的温度分布仍然与曲率密切相关，但在高Ka情况下，温度分布的不对称性逐渐消失，表明火焰结构趋于均匀。此外，火焰表面温度的统计特性（如均值和波动）在不同Ka条件下表现出显著差异，其中在Ka为7690的情况下，火焰表面温度几乎不再受曲率的影响，这表明湍流主导了火焰结构的演变。

基于上述发现，研究提出了两个非维度温度指标，用于识别TD不稳定性及其在高湍流条件下的变化趋势。第一个指标是火焰表面在正曲率和负曲率区域之间的温度差异，归一化为温度波动。第二个指标是火焰表面在近平坦区域（曲率为零）的温度，归一化为绝热火焰温度。这两个指标能够有效反映TD不稳定性在不同Ka条件下的变化情况。在Ka增加到约700时，这些指标表现出显著的转变，表明在该阈值之后，分子扩散对混合过程的影响变得微不足道，而湍流传输则成为主导因素。

该研究不仅提供了关于氢气/空气预混湍流火焰的详细热化学和拓扑结构信息，还为理解湍流与化学反应相互作用对火焰行为的影响提供了新的视角。通过结合瑞利散射和拉曼/瑞利光谱数据，研究人员能够更准确地评估火焰温度和曲率之间的关系，并揭示TD不稳定性在不同湍流强度下的演变机制。这些发现对于开发更精确的燃烧模型、优化燃烧设备设计以及提升燃烧效率具有重要意义。同时，研究还提出了温度相关的指标，为未来在分布式燃烧阶段的火焰稳定性分析提供了理论支持和实验依据。

总之，该研究通过系统的实验和数据分析，揭示了氢气/空气预混湍流火焰在不同湍流强度下的温度分布特性及其与火焰曲率之间的关系。研究结果表明，随着Ka的增加，火焰结构逐渐从细胞状变为更均匀的分布，而TD不稳定性在低至中等湍流强度下起主导作用，但在高湍流强度下被湍流传输所抑制。这些发现不仅深化了对湍流燃烧机制的理解，也为未来的燃烧控制和优化提供了重要参考。