射流扩散火焰在能源动力领域的应用非常普遍，如工业窑炉、电站锅炉及燃气轮机等。火焰稳定性关乎燃烧设备安全稳定运行、燃烧效率和污染物排放等，是射流扩散火焰研究中的重要问题之一。射流扩散火焰具有附着和推举2种稳定状态，当射流出口速度较小时，火焰根部稳定在燃烧器喷口附近，称为附着火焰; 持续增大射流速度，一定条件下火焰根部显著离开喷嘴并稳定在喷口下游一定位置处，形成推举火焰。实际燃烧设备为保证一定可靠性通常需要稳定的附着火焰，而某些工业锅炉等为保护喷嘴则通常选用推举火焰。
地面常重力环境中存在浮力对流，导致射流扩散火焰边缘出现大尺度的涡旋结构。实验和数值计算结果表明，上述结构是由于火焰面周围的高温燃气与环境交界面之间的剪切层发生了Rayleigh-Taylor不稳定性((R-T instability)和Kelvin-Helmholtz不稳定性((K-H instability)[1]。射流扩散火焰面边缘涡旋结构的运动引起火焰高度、宽度、亮度等随时间发生周期性变化的现象，称为火焰振荡或闪烁(flame flickering)现象，属于火焰不稳定性中的一种。射流火焰振荡现象的研究主要涉及燃烧器尺寸、燃料类型、压力、重力以及伴流空气速度对振荡幅度和振荡频率的影响。Chamberlin和Rose[2]研究了层流和转捩过程的射流扩散火焰的低频振荡现象。扩散火焰表现出的10~20 Hz的低频振荡与涡旋结构的运动密切相关[1-3]，且振荡频率与燃料类型关系不大[1, 4]。葛逸飞[5]利用建立的高压扩散燃烧实验平台开展了0.1~4.0 MPa压力范围内的甲烷-氧气层流射流扩散火焰不稳定性研究，将燃烧状态划分为无振荡、间歇性振荡和持续振荡区，并提出了相应的临界条件。前人的研究结果表明，伴流能够有效抑制浮力对扩散火焰面的影响，提高火焰稳定性、降低火焰高度[6-8]。李丹等[9]通过实验考察了伴流速度对扩散火焰转捩和稳定性的影响，结果表明，较大的伴流速度对浮力效应具有抑制作用，随着伴流速度增大，中心射流对火焰形态的影响逐渐显著，火焰周期性振荡的幅度逐渐减小。
Wang等[12]通过落塔实验研究了微重力下湍流射流火焰的吹熄和推举行为，发现火焰高度随着伴流速度的增加而减小，火焰推举高度随着伴流速度的增加而增大且小于常重力下的推举高度，微重力火焰吹熄极限显著高于常重力火焰。Li等[13-14]对微重力和常重力环境下推举射流扩散火焰的转捩过程进行了实验研究，分析火焰的转捩过程和稳定特性，探讨火焰的转捩机制和稳定机理。微重力与常重力下推举火焰的转捩过程定性相同，且推举火焰根部与紊乱射流之间的相互作用引起火焰从层流向湍流状态的转变; 层流和转捩初期，推举火焰的稳定可通过燃烧速度与局部气流速度之间的平衡进行解释，而转捩中后期及湍流阶段，涡旋结构在火焰稳定中的作用愈加重要。再者，转捩阶段冷态及反应射流均存在间歇性破碎现象，且破碎频率随射流速度增大而增大，该现象导致火焰形态和火焰高度等产生剧烈变化。此外，微重力下的火焰推举高度较低，火焰高度远大于常重力火焰高度，无量纲火焰高度与火焰Froude数之间存在2/3次幂的关系。
推举高度和火焰高度的变化集中体现了推举火焰的稳定性，是流动与火焰相互作用的结果，浮力流动在其中发挥着重要作用。本文基于推举射流扩散火焰向湍流转捩过程中的火焰推举高度和火焰高度等落塔微重力实验数据，分析和讨论了微重力下推举射流火焰的稳定特性，通过对比常重力下的实验结果，进一步分析了浮力对火焰稳定特性的影响。
1 实验方法
实验系统如图 2所示，主要包括同轴伴流射流燃烧器、气体(燃料和空气)供应装置、点火装置、观测设备和可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)。相应的常重力实验也在该装置上完成。燃料喷嘴内径为1.0 mm，伴流空气管内径为47 mm，实验用气体燃料为丙烷(体积分数>99.9%)和氮气(体积分数≥99.99%)的混合气，丙烷质量分数为0.786; 射流出口Reynolds数(Re)的计算方式为Re=Ufd/υ，其中Uf为射流出口平均速度，d为喷嘴内径，υ为燃料气体的运动黏度，Re取值范围为1 570~3 680。伴流空气由氮氧混合气(O2体积分数21%, N2体积分数79%)供应，在伴流侧设置蜂窝器整流段以获得均匀的空气流动，伴流空气速度为0.3 m/s。根据燃料射流出口Re、伴流空气速度等实验参数的需要，利用气体质量流量控制器分别对3种气体的流量进行设定和控制，控制精度为±1%。实验过程中采用GoPro相机对火焰图像进行记录，拍摄速率为120 fps，分辨率为1 080像素×1 920像素。
2 结果与讨论
2.1 火焰稳定性
Li等[13]的研究表明，微重力下推举火焰的转捩过程与常重力结果相似，转捩发生和结束时对应的射流出口Re与常重力结果基本一致(转捩发生点Re=1 720、转捩结束点Re=2 650)。如图 3所示，火焰高度hf定义为火焰根部到火焰顶端的轴向距离，推举高度HL为射流出口到火焰根部的距离，由图可知，当火焰为层流状态(Re=1 570)时，常重力下火焰为推举状态，同时火焰面下游存在浮力诱导产生的大尺度结构，hf振荡变化，而微重力下火焰则为稳定的附着状态，且火焰边缘平滑，hf基本为常值。此外，当Re>3 190时，常重力下的火焰发生吹熄，而微重力下Re=3 680左右时，火焰仍保持稳定的湍流推举状态，尚未达到吹熄极限。
通过观察微重力与常重力环境下转捩过程中火焰的演化过程[13]，可以发现重力显著影响火焰面上湍流结构的特征和发展。常重力和微重力下弱湍流推举火焰边缘大尺度结构的典型差异如图 5所示，由图可知，随着火焰逐渐演变为湍流状态，微重力下火焰两侧的大尺度结构倾向于更加对称，并且在沿火焰面向上运动的过程中逐渐向火焰内部延伸，但尺度变化不大。这是由于微重力下hf大大增加[13, 15-16]，火焰面边缘的不稳定性具有了更长的时间发展，因而火焰两侧受大尺度结构的影响更为突出。常重力下火焰上游较小区域(≈1/3hf)内的结构特征与微重力结果相似，但下游区域却呈现出较大尺度蜿蜒扭曲的结构，后者可能是由浮力加速作用导致[17]。Idicheria等[17]对常重力和低重力下湍流附着火焰的形态特征进行了比较，也观察到类似的现象。
2.2 火焰的分裂行为
随着射流速度增大，火焰保持稳定的转捩状态，如图 6c所示，微重力和常重力下hf分别基于某一轴向位置上下波动，但微重力下由于无浮力对流的影响，hf波动的范围较窄。此情况下火焰形态和稳定行为主要受到火焰边缘与周围空气之间剪切层不稳定性及根部紊流的影响。
当Re增大至2 650时转捩阶段结束，射流间歇性破碎的现象消失，常重力下hf变化范围缩小，火焰分裂现象减弱，但微重力下hf变化加剧，可见火焰分裂更加严重(见图 6f)。此工况下，火焰根部降低到距喷口更近的位置，火焰边缘剪切层的不稳定性增强，又因为微重力下的hf远高于常重力下的，因此不稳定性发挥作用导致火焰的中下游发生分裂。
Idicheria等[17]针对常重力和微重力下湍流附着火焰特性的研究结果表明，常重力下火焰尖端附近的结构被拉长，且常出现火焰尖端脱离主体火焰的现象; 微重力下火焰尖端附近的结构更紧凑、更厚，分裂现象并不常见。然而对于推举火焰，本文的实验结果显示转捩和湍流火焰在微重力环境下发生了与常重力结果相似的严重分裂现象，这表明推举对火焰的稳定行为产生了重要影响。
通过加权平均计算不同工况条件下火焰的平均分裂频率，结果如表 1所示。由表可知，Re=2 460时(转捩阶段)，微重力火焰的平均分裂频率大于常重力火焰，虽然此条件下火焰分裂主要由间歇性破碎的射流控制，但由于微重力下的hf较大，火焰边缘剪切层不稳定性的发展也更为充分。Re>2 650时，推举火焰进入湍流阶段，火焰分裂现象主要受到火焰边缘剪切层不稳定性和中心湍流的影响，微重力下火焰平均分裂频率相对较低，表明浮力对流对火焰分裂具有促进作用，随着Re的增大，微重力下火焰平均分裂频率增大。
表 1 不同工况条件下射流火焰的平均分裂频率、St和Fr |
| Re | 重力环境 | 平均分裂频率/Hz | Fr/105 | St/103 |
| 2 460 | 常重力 | 20.1 | 0.24 | 1.31 |
| 2 650 | 常重力 | 23.3 | 0.27 | 1.42 |
| 2 460 | 微重力 | 22.2 | 2 319 | 1.44 |
| 2 650 | 微重力 | 16.4 | 2 691 | 1.00 |
| 2 940 | 微重力 | 19.7 | 3 312 | 1.08 |
| 3 190 | 微重力 | 23.8 | 3 887 | 1.22 |
分裂行为引起火焰振荡，在常重力环境下，无量纲的振荡频率(用Strouhal数St表示)与射流Froude数(Fr)的倒数之间存在非线性关系[20]，St和Fr的计算方式为
其中：f为火焰振荡频率; d为喷嘴内径; g为重力加速度，常重力下为9.8 m/s2，微重力下为1×10-3 m/s2。由此计算得到不同工况条件下射流火焰的St与Fr如表 1所示。由表可知，2种重力条件下Fr的数值差距较大，但St差异很小，St与Fr之间不存在明显的关联。这表明除了受到浮力的影响，推举火焰的动态行为还会受到射流流态和剪切层不稳定性发展等的共同作用，Fr不能关联微重力火焰的分裂/振荡频率。
3 结论
本文在落塔微重力环境下开展了推举射流扩散火焰向湍流的转捩过程实验，分析了微重力下转捩过程中火焰推举高度、火焰高度、火焰分裂周期和火焰平均分裂频率的变化; 观测了微重力下推举扩散火焰的稳定行为，并与常重力下的实验结果进行对比，分析浮力对火焰稳定特性的影响。主要结论如下：
1) 转捩阶段射流出现间歇性破碎现象，导致推举高度发生波动。尽管微重力下推举高度较低，推举高度波动的控制机制与常重力火焰相似。
2) 转捩火焰和湍流火焰均发生分裂现象，由此导致火焰振荡，火焰高度随时间产生变化。由于微重力下火焰高度远大于常重力火焰，火焰边缘不稳定性向下游区域的发展较为充分，因此火焰高度变化的范围更大。
3) 火焰分裂现象具有明显的随机性。浮力对火焰分裂具有促进作用。此外，射流Froude数不能关联微重力火焰的分裂/振荡频率。
