高温伴流中燃料射流不稳定自着火特性研究

刘贵军，张归华，吴玉新，张 扬

(清华大学能源与动力工程系，北京 100084)

燃料射流在高温空气伴流中的自着火特性及控制不仅是一个基本科学问题，对新一代贫预混燃气轮机技术的发展也有重要意义[1-2].贫预混燃烧技术要求燃料与空气在预混段中充分混合后再进入燃烧室燃烧，如果空气温度足够高或燃料停留时间足够长，预混段内易发生自着火，影响燃气轮机稳定运行.在双碳目标下，使用富氢燃料是燃气轮机碳减排的重要途径，但氢气的高火焰传播速度、高分子扩散率将导致预混段中自着火的风险增加[3].

由于实际预混段和燃烧器具有复杂结构，为了获得对高温空气伴流中自着火的物理认识，研究者们开发了简单实验室燃烧器.Cabra 等[4-5]利用燃烧尾气形成的高温伴流屏蔽了周围冷空气的影响，研究了高速射流下氢气、甲烷的自着火行为，指出自着火是火焰稳定的重要机制.但Cabra 燃烧器存在伴流速度低的缺点.Markides 和Mastorakos[6-7]利用电加热空气燃烧器在受限空间内研究了湍流伴流中的自着火特性，并指出自着火并非完全由化学因素控制，湍流对自着火有延迟作用.此外，Eitel 等[8-9]设计了一种升温较快的等离子加热燃烧器，并利用空气在等离子加热过程中产生的NOx研究了含NOx空气伴流中的自着火演化过程.

考虑到实际预混段中高温空气具有较高流速，本研究将采用电加热空气法产生高速高温伴流.当燃料射入高温空气伴流，自着火可能在非均匀流场、温度场、浓度场的复杂耦合下产生、熄灭和再燃.Markides 和Mastorakos[6]在实验中首次观测到不稳定自着火以随机点的形式发生，并在统计上稳定在燃料管下游一定位置，这些自着火核既不闪回也不发展成火焰，而是迅速淬灭，并伴有强烈的噪声.Kerkemeier 等[10]采用二维DNS 方法对实验进行了重现，也观测到了随机着火，发现着火点总出现在最具反应性混合分数、低标量耗散率的区域.对于这种随机着火，一方面，其存在较大引发回火的风险，但现有的针对自着火条件下的回火机理研究较缺乏[11-12]；另一方面，其产生的噪声(压力脉动)也会对燃气轮机预混段、燃烧器结构造成损害[13].因此，研究湍流条件下自着火的不稳定行为对火焰稳定特性的理解和不稳定燃烧的控制都有重要意义.

Oldenhof 等[14-15]利用高速摄像和平面激光诱导荧光(PLIF)实验研究了高温尾气伴流中的甲烷自着火行为，发现相比传统抬升火焰，自着火核的产生和生长代替火焰传播决定了抬升火焰的稳定.Papageorge 等[16]利用瑞利散射技术获得高速二维图像，表明高温伴流中的自着火易发生在燃料射流边缘，即燃料稀薄且低标量耗散区域.Macfarlane 等[17-18]利用PLIF 对高温伴流中二甲醚湍流抬升火焰根部上游的自着火核演化进行了研究，观察到当伴流温度更低的情况下，自着火核与燃料喷嘴的距离增加，成核密度降低，且成核区域范围变大.但上述研究对不稳定自着火回火及动态频率特征关注较少，不利于全面掌握自着火特性和评估对工业设备的危害.

对于不稳定自着火行为，自着火频率与自着火发生的可能性强相关.目前仅有少数研究讨论了自着火频率，例如Markides 和Mastorakos[7]通过自着火频率分析了湍流混合对自着火化学反应动力学的影响，发现随机着火自着火频率随自着火高度的降低而增加(温度升高或流速降低)，但对自着火频率本身关注较少，未对不同工况下自着火频率进行系统研究.Johannessen 等[19]基于Cabra 燃烧器利用高速纹影成像技术研究了自着火频率，但实验中高温尾气伴流速度较低(0.65 m/s)，且组分与温度的耦合对自着火频率的分析存在影响.

本研究的目的是研究当燃料射流和空气伴流条件发生改变时，燃料射流在湍流高温伴流中的不稳定自着火行为特性，通过实验观测总结不稳定自着火的行为规律，为不稳定自着火的调控和避免提供参考.当射流速度较低时，自着火核产生后可能会向上游传播，发生回火[20]，因此本研究将基于高温自着火实验系统，结合对现有回火机理[12]对自着火条件下的回火过程进行分析.当射流速度较高时，本研究将通过高速摄像和动态压力传感器观测随机着火过程和频率，分析射流速度、燃料浓度、伴流温度和伴流速度对不稳定自着火行为的影响.

1 实验方法

1.1 高温自着火实验系统

高温自着火实验系统由燃料与空气供应系统、数据采集与控制系统和双层石英管实验段组成，如图1所示.伴流空气从大气获得，在质量流量控制器(Bronkhost EL-flow) 的控制下进入电加热器(Sylvania SFI-1.25E)被加热，通过整流段和湍流发生器后进入石英管.为了使自着火现象易于被观测，本实验采用N2稀释的C2H2作为燃料[21]，通过质量流量控制器调节流速，燃料中C2H2摩尔分数Xf被控制在0.24～0.40.

图1 高温自着火实验系统Fig.1 Schematic of the autoignition experimental setup

整流段内部的不锈钢燃料管长 0.6 m，内径4.93 mm，外径6.35 mm，外壁与高温伴流空气接触，燃料管内流经的燃料可以被加热到与高温伴流空气相近的温度.使用N2代替燃料对燃料管出口气体进行测温，结果显示射流温度比伴流约低10 ℃.因此，燃料的射入会导致伴流空气温度改变，为避免这一影响，在实验前用等吸热能力的N2代替燃料通入，以此降低燃料通入后伴流温度的变化，提升对伴流温度控制的准确度.表1 列出了空气伴流和燃料射流的详细参数.在伴流温度固定后，根据所需燃料速度和空气伴流速度，结合流体密度与流通面积计算得到各自所需质量流量.在质量流量计(0.1% Fs)的精确控制下，射入反应段的燃料和空气流速即为所需速度.

表1 实验中空气伴流和燃料射流参数Tab.1 Fuel jet and air coflow parameters used in the experiment

考虑到自着火对温度非常敏感，在自着火实验前，会让高温空气在实验段内持续流动1 h，使系统达到热平衡，伴流温度 Tcoflow的波动在±1 ℃以内.同时，为了减小石英管内流动方向的温降，本实验采用双层抽真空石英管以减少热损失，石英管长0.6 m，内径25 mm.经测量，当燃料管出口处伴流温度Tcoflow＝ 570 ℃时，下游300 mm 内温度衰减小于12 ℃，石英管中空气伴流散热极少.

1.2 测量方法

1.2.1 动态压力信号

动态压力信号也被称为声学信号，是研究不稳定火焰的重要测量手段.本实验中动态压力传感器(PCB-112A22)的频率测量范围0.5～250 000 Hz，压力测量上限为345 kPa，灵敏度为14.5 mV/kPa，响应时间小于2µs.实验中采样率被设为22 050 Hz，远高于不稳定自着火频率，根据Nyquist 采样定理，该采样频率下，传感器可以测量到真实动态压力信号，避免信号重叠.此外，由于双层抽真空石英管侧壁无法安装传感器，且考虑到传感器的工作温度低于135 ℃，本研究在燃料管出口上游10 mm 不锈钢侧壁处外接了一根不锈钢管，与动态压力传感器通过三通接头连接，三通接头另一端与半无限长管连接以降低声波反射对信号测量的影响，此外也通过标准声源对传感器进行了校正.

自着火核的生成类似于微小爆炸，会造成压力脉动[6].当空气伴流参数和燃料射流参数不变时，周期性自着火产生的压力信号近似为平稳随机信号，即随机信号统计特性不随时间变化.典型自着火压力脉动时域信号如图2(a)所示，每个压力峰对应一个火核生成，通过计算单位时间内压力峰值数量可以得到自着火频率[19].

图2 典型自着火压力脉动信号Fig.2 Pressure pulsation signal of typical autoignition

此外，幅度谱可用于描述压力脉动幅度在频域内的分布特性，可以直观地展示不稳定特征频率及对应的幅度.通过使用Welch 的平均周期图法(Matlab 的PSD 函数)可以计算得到功率谱，然后使用缩放公式计算得到幅度和频率的对应关系，得到幅度谱，如图2(b)所示.横轴为频率，纵轴为幅度均方根值.在本研究中，通过峰值数和幅度谱计算得到的自着火频率误差在1.25%以内，表明可以通过幅度谱对自着火频率特性进行分析.

1.2.2 高速图像

高速图像是研究自着火核产生和生长规律最直观的手段.本实验采用的高速摄像机为 Phantom V210，在176×624 分辨率的图像下最高拍摄频率为12 000 Hz.通过分析高速图像可以得到一定时间内火核产生和熄灭的次数，观测火核的成长和熄灭过程.自着火频率也可以由单位时间内出现自着火核的数量得到，该方法可以进一步验证由动态压力信号测得的自着火频率.

2 结果讨论

2.1 不稳定自着火类型

当燃料射入高温伴流后会发生自着火.固定燃料摩尔分数和伴流参数，在不同燃料射流速度Ujet下可以观测到2 种不稳定自着火行为.图3 展示了数码相机观测得的伴流温度Tcoflow＝570 ℃、伴流速度Ucoflow＝20 m/s、燃料摩尔分数Xf＝0.28 工况下的不稳定自着火.当燃料以相对较高的速度(Ujet＞7 m/s)喷入，自着火核在一定高度处随机产生、熄灭，呈明亮蓝色，并伴有声压级为40～70 dB 的噪声，这种不稳定自着火被称为随机着火[6]，如图3(b)所示.当燃料喷入的速度降低(Ujet＜7 m/s)，自着火核产生后会发生回火，火焰附着在燃料管口形成扩散燃烧，呈明亮的黄色，如图3(a)所示.

图3 不稳定自着火类型Fig.3 Types of autoignited flames

在实际运行中燃料流量波动或燃烧室内压力波动都有可能造成燃料射流速度短暂降低，发生回火形成附着火焰，烧毁燃料喷嘴或预混段.因此，本研究将自着火由随机着火转变为附着火焰的临界燃料射流速度定义为回火速度Ufb，首先研究回火过程以及影响回火速度的主要因素.其次，对于随机着火，尽管它不会发生回火烧毁燃料喷嘴，但其产生的中低频压力脉动将影响燃烧室燃烧稳定和结构稳定[13]，故主要关注频率特征.

2.2 回火过程及机理分析

当燃料射流速度较低时，不稳定自着火表现为自着火后回火形成的附着火焰.回火速度可以表征发生回火的难易程度，是研究回火现象的重要参数，有助于分析自着火条件下燃烧射流-空气伴流的回火机理.

图4 展示了自着火条件下回火速度Ufb随燃料摩尔分数Xf的变化情况，Ufb随Xf的近似线性增加，增加速率在Xf＞0.32 后略有放缓.从图4(a)可以看出伴流温度的增加对Ufb有明显提升作用，伴流温度每增加10 ℃会导致Ufb平均增加约1.4 m/s，即高伴流温度下，回火可以在更高射流速度下发生.由图4(b)可知，高伴流速度会导致Ufb变小，即对回火有抑制作用，但伴流速度每增加4 m/s 仅能使Ufb平均减少约0.23 m/s.因此，相比伴流速度对回火的抑制，伴流温度对回火的促进效果更明显，即化学反应动力学因素对回火速度的影响更大.

图4 回火速度与燃料摩尔分数的关系Fig.4 Relationship between flashback speed and fuel mole fraction

为了进一步确认主导回火过程的因素，本研究采用高速摄像机以12 000 Hz 的频率对典型回火过程进行了拍摄.图5 展示了 Ucoflow＝20 m/s、Tcoflow＝570 ℃、Xf＝0.32 条件下回火过程的高速图像，单张图片曝光时间为50µs.序号1～20 是从回火过程的原始图像序列中每隔4 张取出的图像，即图像1 和图像2 的时间间隔约为333.3µs.图像1 的上一时刻为黑暗状态，图像1～2 展示了2 个初始自着火核的生成与成长.图像3 中有一个新火核在初始火核的上游生成，经一段时间后在图像4 的时刻与初始火核合并成为一个更大的燃烧区域.在图像5～9 中，该燃烧区域逐渐扩展并释放更强热辐射.受燃烧区域的影响，图像 10 中有一个火核在更上游的地方生成.在图像11～14 中，火核长大且同时向上游和下游扩展，首先与下游燃烧区域合并.根据图像15～20，火焰沿燃料射流边界(燃料和空气的混合界面)逐渐向上游传播，最终附着到燃料管口形成附着火焰.

图5 自着火条件下回火过程Fig.5 Flashback process under autoignition condition

根据图5，自着火条件下回火过程可被分为3 个阶段：初始火核生成(图像1～2)、上游火核生成(图像3～10)、火焰区域扩展(图像11～20).第1阶段中，自着火核在最具反应性混合分数、低标量耗散率的区域产生[10]；第2阶段中，因自着火化学过程对温度十分敏感[22-23]，受下游燃烧区域热辐射影响，尽管燃料微团尚未运动到第1 阶段所述的区域，在更强烈化学反应的驱动下也可以在更上游的位置形成火核；第3 阶段中，燃烧区域向上游的扩展是形成附着火焰的关键过程，此时火焰沿着近似化学计量混合分数等值线向上游传播，火焰传播速度大于局部流动速度是回火发生的必要条件.

为进一步确认火焰传播速度对回火过程的影响，本研究通过CHEMKIN 计算得到不同Tcoflow和Xf下的化学计量层流火焰传播速度SL,st，将图4(a)中不同伴流温度下回火速度Ufb和SL,st拟合得到图6.结果表明，不同伴流温度下回火速度可拟合为一条相关系数R2＝0.941 的直线，说明火焰传播速度和局部流动速度的相对大小是影响回火的主导因素，拟合线左上方即不会发生回火的区域，拟合线右下方即会发生回火的区域.因此，与经典回火理论相同，自着火条件下火焰传播速度依然是决定回火的重要参数.

图6 回火速度与层流火焰传播速度的关系Fig.6 Correlation of flashback speed and laminar flame propagation speed

2.3 随机着火动态特征分析

当燃料射流速度较高时，不稳定自着火表现为随机着火.本节通过动压压力信号和高速图像对随机着火频率特征及其主要影响因素进行了分析.图7对比了Tcoflow＝570 ℃、Ucoflow＝20 m/s、Ujet＝12 m/s条件下附着火焰与随机着火(Xf为0.3、0.32、0.34)的幅度谱，结合图2(b)随机着火与背景噪声的幅度谱对比可知，相比于附着火焰通过高温火焰烧蚀喷嘴对燃气轮机产生危害，随机着火通过不同频率的压力脉动对燃烧室组件产生影响.

图7 附着火焰与随机着火幅度谱对比Fig.7 Amplitude spectrums of attached flame and random spots

根据图7 可知，随机着火压力脉动信号在频域上存在两个功率密度峰(幅度＞10 Pa，对系统影响相对较大)，其特征频率分别位于 40～50 Hz、400～450 Hz 内，前者属于低频振荡，易对旋流器、喷嘴造成损害，后者属于中频振荡，易导致燃烧室及下游结构疲劳损坏[13].因此，探究功率密度峰产生的原因和影响频率的因素对控制不稳定自着火行为有重要意义.

此外，图7 中存在两个值得关注的现象.首先，当Xf＜0.34 时，随机着火的幅度谱存在2 个明显的特征峰.当Xf＝0.34 时，低频特征峰幅度明显下降，低于10 Pa，对于Xf＞0.34 的工况，低频特征峰幅度也趋于消失，此处以Xf＝0.34 为例展示.其次，相比Xf＝0.3 工况下的随机着火，Xf＝0.32 工况下两个特征频率以及特征峰幅度都随着燃料摩尔分数的增加而增加.但当Xf＝0.34 时，高频特征峰幅度有增加，但其特征频率却从441.5 Hz 降低到了423.6 Hz.

为了对上述现象深入了解，本研究通过高速摄像机以12 000 Hz 的频率对Tcoflow＝570 ℃、Ucoflow＝20 m/s、Ujet＝12 m/s 下Xf＝0.30 和Xf＝0.34 的随机着火过程进行了观测，并将单张图像(曝光时间为50µs)按时间排列得到图8 和图9.对于图8 中Xf＝0.30 的随机着火，3 组自着火间歇出现，组与组之间为无火核黑暗图像，组与组之间平均时间间隔为22.7 ms，单个自着火组平均持续9.2 ms.这种自着火组间歇出现的现象尚未见前人报道，可能是因为前人的实验工况仅关注Xf＞0.6 的工况[7].本文中，自着火组周期出现的频率被命名为间歇频率，用fj表示.

图8 Xf＝0.30 时随机着火高速图像Fig.8 High-speed images of random spots at Xf＝0.30

图9 Xf＝0.34 时随机着火高速图像Fig.9 High-speed images of random spots at Xf＝0.34

此外，单个组内平均约发生4～6 次自着火，火核产生位置高度近似不变，自着火周期发生的频率被命名为自着火频率，用fign表示.图8 中的单个图像为各个自着火核完全形成时刻的图像，可以发现自着火核既可以独自产生，也可以在上个自着火核并未被完全淬熄的情况下产生，且新自着火核的位置与旧火核间的距离较近，该距离一般小于一个成熟火核直径.另一方面，这两种方式产生的新火核与上一个火核之间的时间间隔近似相同.

图9 展示了Xf＝0.34 的随机着火高速图像.图9左侧部分展示了单个自着火核的生长和淬灭过程，单张图像之间间隔1/12 000 s，整个自着火核生命周期为0.833 ms.自着火核在0 ms 的时刻首次出现，而后以近似球形薄壳的火焰面向四周传播，同时火核也被气流推向下游位置.在0.333 ms，球形火焰面分裂为上下两部分，上部火焰与流动同向，向下游传播并迅速熄灭.下部火焰向上游传播在来流的作用下与燃料喷嘴的相对位置近似保持不变，且因来流中有反应物补充，下部火焰存在的时间长于上部火焰.

图9 右侧部分展示了连续自着火核产生的图像，图像间为被省略的无火核黑暗图像，自着火之间的时间间隔约为2.37 ms.对比图8 和图9，可以发现当Xf＝0.34 时，不存在自着火组，间歇性消失，自着火核连续出现.此时根据高速图像计算得到的fign为421.94 Hz，与图7 中Xf＝0.34 工况的高频峰特征频率近似重合.

此外，通过高速图像时间间隔的计算得到当Xf＝0.28 时，fj＝44.87 Hz(fj为随机着火间歇频率)，fign＝422.61 Hz，此时根据动态压力信号幅度谱得到的低频峰特征频率为43.75 Hz，高频峰特征频率为424.8 Hz.因此，幅度谱中低频峰特征频率可以表征自着火组间歇频率，而高频峰特征频率可以表征自着火频率，且随着燃料摩尔分数Xf增长到0.34，随机着火的间歇性消失.

根据图10，可以更清晰地看到随机着火间歇频率fj和自着火频率fign随燃料摩尔分数Xf的变化.图中Ujet＝12 m/s，Ucoflow＝20 m/s，Tcoflow＝570 ℃.图10 也将不同Xf下通过动态压力信号和高速图像得到的频率值进行了对比验证，fign的最大差异为8.2%，fj的最大差异为5.3%，尽管存在一定偏差但两者趋势一致，均可以反映随机着火动态特性.此外，通过动态压力信号得到的频率普遍略高于高速摄像，可能是由于自着火核并不是全部在石英管的中心轴线上产生.因为高速摄像机仅能敏感捕捉其对焦平面上的图像，进而遗漏少量位于对焦平面外且见亮度较低的火核，由此导致通过高速图像得到的频率值偏低.

图10 不同燃料摩尔分数下动态压力频率测量与高速摄像频率测量对比Fig.10 Frequency of random spots measured by pressure pulsation signal and high-speed images

图10 中，在Xf＝0.34 两侧，fj和fign都随着燃料摩尔分数Xf增加而近似线性增加，说明Xf会增强随机着火强度.对于当Xf从0.32 增加到0.34，fj消失，fign降低这一现象，可从能量守恒的角度分析.当随机着火间歇性存在时，固定时段内存在近一半的无自着火核时刻，反应物在剩余时段内被消耗发生自着火；当随机着火间歇性不存在时，不存在长时段的无自着火时刻，反应物可以在全时段内发生自着火，故着火频率下降.考虑到燃料浓度增加，因此自着火频率在间歇性消失后略有下降是合理的.但由于本研究测量分析手段有限，无法对该现象进行定量分析.

燃料摩尔分数的增加既可以加快自着火区域的化学反应动力学过程，也可以改变燃料组分场，确定哪种是导致间歇性消失的主要因素对理解不稳定自着火行为有重要意义.

对于前者，可以认为混合时间远小于化学反应时间，即在燃料到达自着火区域前就已经形成了足够多的最具反应性混合分数的反应物微团，但由于化学反应较慢，无法快速形成自着火所需要的前驱体自由基浓度，阻碍自着火的发生[18,24-25].因此，当Xf较低时，第1 组自着火将区域内前驱体自由基消耗尽后，受反应物浓度、温度决定的自由基生成速率暂时低于湍流拉伸导致的自由基耗散速率，产生了间歇时段，随着反应物补充或温度回升再次形成前驱体自由基区域，引发自着火.

对于后者，可以认为化学反应时间远小于混合时间，只要组分场内燃料混合分数能达到最具反应性混合分数就可以发生自着火[2,26].因此，当Xf较低时，第1 组自着火将区域内最具反应性混合分数的反应物微团消耗尽后，因混合时间相对较长，新的反应物微团还未形成，需要时间积累，造成低Xf随机着火具有间歇性.

为了确定影响间歇性的主要控制因素，本研究通过保持其他参数不变，仅改变伴流温度Tcoflow或伴流速度Ucoflow，获得了图11 和图12 的随机着火幅度谱图像.同时为了更清晰地凸出间歇性的变化，燃料摩尔分数浓度被设为Xf＝0.32.在这里，改变Tcoflow可以在不影响燃料组分场的情况下增强化学反应动力学，增强自由基的生成速率；改变Ucoflow可以通过改变流场影响混合时间，同时通过湍流度改变自由基的耗散速率.

图11 伴流温度对随机着火幅度谱的影响Fig.11 Amplitude spectrums of random spots at different Tcoflow

图12 伴流速度对随机着火幅度谱的影响Fig.12 Amplitude spectrums of random spots at different Ucoflow

图11 中，Xf＝0.32，Ujet＝14 m/s，Ucoflow＝20 m/s，根据图11，当随机着火Tcoflow等于560 ℃和570 ℃时，幅度谱存在低频峰，即随机着火存在间歇性，且间歇频率fj和自着火频率fign都随着Tcoflow增加而增加.当Tcoflow＝580 ℃时，幅度谱低频峰消失，高速图像结果也在显示间歇性消失.上述结果表明，在不改变燃料组分场的情况下增强化学反应动力学同样可以改变随机着火的间歇性.

图12 中，Xf＝0.32，Ujet＝14 m/s，Tcoflow＝570 ℃，根据图12，当随机着火Ucoflow等于14 m/s 和18 m/s时，随机着火不存在间歇性，间歇频率fj和自着火频率fign都随着Ucoflow增加而降低.当Ucoflow增加到22 m/s 和26 m/s，随机着火间歇性出现，fj和fign进一步降低.根据同轴射流理论[27-28]，当Ucoflow＞Ujet，Ujet固定为14 m/s，Ucoflow增加将导致混合时间变短.但图12 的结果表明Ucoflow增加到22 m/s 和26 m/s(混合变好)反而导致了间歇性的出现，因此燃料组分场不是影响随机着火间歇性的决定性因素.相反，低Ucoflow下较低的自由基耗散率可以避免间歇性，同时提升自着火频率.因此，由化学反应和湍流耗散决定的自着火区域自由基浓度是决定随机着火间歇性的主要因素.具体而言，当Xf较低时，化学反应速度较低，自着火生成位置处自由基消耗快于自由基团生成，当一组自着火发生后降低了局部自由基浓度，需要一段时间积累后方可发生自着火.随着Xf升高，化学反应速率加快，局部自由基生成速率大于消耗速率，使自着火无需间歇即可连续产生，造成fj不可测量.

本研究也探究了射流速度对随机着火频率特征的影响，如图13 所示.图13 中，Xf＝0.32，Ucoflow＝20 m/s，Tcoflow＝570 ℃.随着Ujet增加，间歇频率fj和自着火频率fign都先增加后维持不变，最后迅速下降.首先，图13 中Ujet增加导致混合时间的改变并不会导致间歇性消失；其次，当Ujet在12～20 m/s 内，fj和自着火频率fign都近似不变，表明当伴流参数和燃料浓度固定时，流场对随机着火频率特征影响较小，化学反应动力学是影响随机着火动态特性的主要因素.最后，当Ujet过高，此时自着火延迟时间和反应物停留时间难以平衡，自着火生成被强烈抑制，造成fj和fign迅速下降.

图13 燃料射流速度对随机着火频率的影响Fig.13 Amplitude spectrums of random spots at different Ujet

3 结论

本文通过高温自着火实验系统实验研究了氮气稀释的燃料射入高温空气伴流后的不稳定自着火行为，包括自着火条件下的回火和随机着火两种行为.实验通过动态压力信号和高速图像研究了燃料摩尔分数、射流速度、伴流温度和伴流速度对不稳定自着火行为的影响，得到以下结论：

(1)燃料射流-高温空气伴流中存在两种不稳定自着火.自着火引发的回火通过烧蚀燃料喷嘴产生危害，随机着火通过压力脉动对燃烧室结构产生危害.

(2)自着火核通过火焰传播向上游的扩展是导致自着火条件下回火的主要原因，层流火焰传播速度和局部流动速度的相对大小对回火起主导作用.

(3)通过动态压力信号和高速图像分析发现，在较低燃料摩尔分数时，随机着火幅度谱存在两个功率密度峰，低频峰对应随机着火的间歇性，高频峰对应自着火频率特征.通过对比不同伴流温度和伴流速度下的幅度谱证明，随机着火的间歇性由化学反应和湍流耗散决定的自着火区域自由基浓度主导.

(4)在不考虑间歇性的情况，增加燃料摩尔分数、伴流温度对自着火频率有提升作用，增加伴流速度会降低自着火频率.在自着火未被吹熄的工况下，燃料射流速度对随机着火频率影响较小.