狭窄通道中高速爆燃稳定传播的机理研究取得新进展

近日，清华大学能动系和燃烧能源中心Damir Valiev课题组的文章《On the stabilization mechanism of high-speed deflagrations in narrow channels with heat loss》被第四十届国际燃烧大会（40th International Symposium on Combustion）接收为口头报告，刊登于《Proceedings of the Combustion Institute》。

火焰在光滑管道中的传播存在多种模式。由于超音速高速爆燃模式极易在经历短暂加速后过渡到爆轰模式，因此针对超音速高速爆燃的研究很少。通常情况下，所谓的“阻塞火焰（choked flames）”在含障碍物管道中更常见，它常以接近已燃区中声速的速度在管道中传播。然而，近期在低温条件下进行的氢气-空气燃烧实验（Kuznetsov et al., Int. J. Hydrogen Energy 2022 & Shen et al., Proc. Combust. Inst. 2023）表明，在光滑管道中有可能观察到近似稳态的超音速爆燃传播。由于上述研究突显出低温燃烧具有强热膨胀的特性（热膨胀比超过20），因此促使本工作进一步研究气体热膨胀效应对实现超音速爆燃的潜在影响。

图   1   : 不同热膨胀系数下无量纲火焰速度随时间变化曲线(Pe=20)。

点划线表示CJ爆燃波的理论速度FCJ。

为研究热损失、热膨胀效应和壁面摩擦对高速爆燃模式的综合影响，本工作运用数值模拟方法对窄通道中的火焰传播进行了系统的参数研究。如图1所示，高速爆燃传播速度呈现出明显的周期性振荡。尽管如此，其平均速度仍相当接近对应的查普曼-儒盖爆燃波（Chapman-Jouguet deflagration）理论速度值，在图1中用点划线表示。

图2描述了四种火焰传播模式的分布状况，两条边界线大致勾勒出了高速爆燃模式的极限。Hcr边界的存在表明，壁面热损失是抑制DDT并且实现高速爆燃的关键因素。临界热损失系数Hcr随热膨胀比Θ的增大而增大，表明高速爆燃模式很可能是热膨胀效应和壁面热损失之间达到某种动态平衡的结果。

图   2   :不同热膨胀系数Θ与热损失系数H下火焰熄灭、低速爆燃、爆燃爆轰转变(DDT)、高速爆燃模式的分布

图3展示了单个振荡周期内各时刻的数值纹影图像。从图中可以看到火焰面前方存在两个压力波/激波。在火焰加速阶段，前驱激波逐渐变弱，并且前驱激波与弯曲反应面之间的距离也逐渐缩短。

图4展示了波之间相互作用的全过程，插图是对其中三个振荡周期的局部放大。从图中可以看出前驱激波确实经历了重复的周期性加速和减速过程。在加速阶段，单位时间内产生的燃烧产物体积增加。这些燃烧产物随后在壁面热损失作用下被快速冷却，因此形成了反向流动。反向流动会减缓火焰传播速度，也会减弱前驱激波。但是在壁面摩擦和气体热膨胀的共同作用下，火焰会克服反向流动的阻碍并重新开始加速。

总结：本工作首次研究了光滑管道中高速爆燃模式的气体热膨胀比极限；提出了通过气体热膨胀和壁面热损失之间的动态平衡来实现高速爆燃的新机制；分析了高速爆燃模式中爆燃波和激波的结构，发现了前驱激波周期性的加速和减速过程。

图3: 一个振荡周期内若干时刻的数值纹影图

图4: 基于轴线处纹影曲线的时间排列的波形图

本文的第一作者是清华大学燃烧能源中心博士生陈灿若，通讯作者是Damir Valiev副教授。本研究受到国家自然科学基金（No. 52176118）和清华大学的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.proci.2024.105318

供稿：Damir Valiev课题组

审核：刘有晟、游小清