小型實驗艙采用模塊化設計，支持高溫、低溫、高壓、低壓、富氧、貧氧等多種極端環境模擬，內置高精度傳感器與光學觀測系統，可實時采集燃點、熱值、質量損失率及氣體成分等關鍵參數。實驗過程通過高速攝像與紅外熱成像全程記錄，結合多光譜分析技術，同步獲取火焰傳播動態、溫度場分布及燃燒產物數據，為復雜燃燒行為研究提供高分辨率實驗支撐。

該裝置特別適用于封閉空間內合成氣/空氣混合火焰的演化機制研究，可精準復現火焰從爆燃傳播到郁金香形火焰（DTF）形成的全過程。通過調整障礙物布局與阻塞比，可量化分析火焰前鋒速度場、壓力場與渦流場的耦合作用，揭示二次尖點生成、火焰褶皺等特殊現象的流體力學成因，為清潔燃料安全應用提供關鍵實驗證據。

研究聚焦合成氣這類低碳燃料在受限空間內的燃燒特性，通過大渦模擬與實驗驗證相結合，闡明障礙物對火焰形貌突變的影響規律。成果不僅有助于優化合成氣儲運系統的防爆設計，其揭示的"雙郁金香火焰"等新現象更為氫能、沼氣等清潔能源的安全利用提供了普適性研究方法，具有重要工程指導價值。

1.研究背景

化石燃料能源燃燒產生的排放物對環境造成嚴重損害。合成氣作為一種重要的清潔替代能源，受到了廣泛關注。合成氣主要由CO和H2組成，熱值高，污染小，可以通過多種方法生產。然而，在合成氣生產、運輸和使用的每個階段都可能出現安全問題。在實際情況中，合成氣/空氣爆燃火焰在傳播期間可能遇到障礙物。根據先前眾多研究，火焰通過障礙物后，會出現一種新的“郁金香”火焰。但是，由于現有實驗數據和方法的局限性，這一現象背后的根本原因尚未揭示。本研究旨在探索新觀察到的“郁金香”火焰發展模式的根本原因，可以為合成氣安全提供重要的科學指導，并為其他清潔能源的安全提供科學的方法指導。

2.模擬設置

如圖1所示，模型尺寸為100 mm × 100 mm × 1000 mm。在距離左端200 mm的上下壁布置了兩個阻塞比（BR）為0.5的障礙物。點火點在左端中心半徑為5 mm的半球形區域內。在管道的上壁上，設置了一個監測點P，用于壓力收集。模擬的初始條件設定為大約0.1 MPa壓力和300 K溫度。

3.結果及討論

3.1火焰結構演變

圖2-3分別比較了BR = 0和0.5時合成氣/空氣火焰結構的實驗和模擬圖像。仿真結果與實驗結果之間的密切相關性證明了大渦模擬的準確性。圖2顯示了在初始階段火焰是半球形的。之后，火焰逐漸變為指狀（t = 7.00 ms）。在此期間，火焰表面積快速增長。然后，在t = 9.00 ms時，火焰裙部接觸側壁，并且火焰表面積減小直到t = 13.00 ms，此時火焰發展成平面形狀。隨后，火焰中心向燃燒區彎曲，表現為“郁金香”火焰。當“郁金香”火焰完全形成時，經歷了明顯的扭曲，在“郁金香”火焰的上唇和下唇上都出現了小的、尖的凹陷，從而產生了新的“郁金香”火焰。這種火焰命名為扭曲的“郁金香”火焰（DTF）。此后，火焰繼續以DTF結構傳播，直到到達管道端部。

圖2 BR = 0.05時，實驗火焰和大渦模擬火焰演化結構的比較

圖3說明了火焰形狀在越過障礙物之前（t = 7.00 ms）從半球形到指形的轉變。然后，火焰隨著其接近障礙物而被拉長，并且其通過障礙物開口噴射，形成噴射火焰（t = 8.75 ms）。然后，噴流火焰向側壁移動，并向障礙物前進，以消耗障礙物下游的未燃燒混合物（t = 9.50 ms）。隨后，觀察到準指狀和準平面火焰（t = 11.50-12.50 ms）。隨后，出現“郁金香形”火焰（t = 13.50-15.50 ms）BR = 0.5時的“郁金香”火焰與BR = 0時的火焰不同。當BR = 0時，“郁金香”火焰形成后，火焰唇和尖點均向右移動。當BR = 0.5時，“郁金香”形火焰唇和尖角開始向左移動到燃燒區（t = 13.50-14.00 ms）。此后，“郁金香”火焰唇向右移動，而尖瓣繼續向左移動。隨著火焰的傳播，火焰唇與尖點之間的距離增加，而唇之間的距離減小（t = 15.50 ms）。最終，火焰唇在中心線處融合在一起，并且“郁金香”火焰坍縮成準平面形狀（t = 18.50 ms）。火焰逐漸發展，在2D視圖中形成雙“郁金香”火焰（t = 19.00 ms）。

圖3 BR = 0.5時，實驗和大渦模擬火焰演化結構的比較

3.2火焰動力學及壓力場、速度場和流場對火焰前鋒的耦合作用

圖4-5顯示了當BR = 0時，在郁金香形火焰和扭曲郁金香形火焰（DTF）產生過程中的速度場和壓力場變化。白色箭頭表示矢量速度方向，紅線表示火焰前沿。氣體向右傳播被認為是正方向。如圖4中t = 7.00 ms時所示，火焰呈指狀，火焰前沿附近為正壓梯度。之后，出現了一個逆壓力梯度。火焰前沿中心的速度場減小，而靠近側壁的火焰前緣速度場增大。混合氣中的流場是正的，而燃燒氣體中的流場主要是負的。這有助于產生平面火焰（圖4中t = 12.00 ms時）。此時，在靠近側壁的火焰前沿后面產生渦流。由于斜壓效應，燃燒區內的氣流固有地呈漩渦狀。然后，在渦流的對流作用下，火焰前沿向燃燒區推進，形成一個原始的后尖點（圖4中t = 18.00 ms處）。其它研究表明，當存在平面火焰時，會在火焰前沿附近形成明顯的逆壓梯度。此外，燃燒氣體中的上、下渦流分別為順時針和逆時針。然后火焰演變成經典的“郁金香”火焰。

圖4 BR = 0時，郁金香火焰產生時的速度場和壓力場

在此之后，火焰前沿前混合物中的速度場較大，導致火焰前沿向右移動。原始尖瓣被逆流拖向左側（圖5中t = 22.00 ms）。然后，火焰唇前面的壓力場明顯大于周圍區域的壓力場（圖5中t = 25.00 ms）。此時，在火焰前沿附近，負流源自火焰唇，并被引向燃燒區域和側壁。該流型與Zheng等人先前對火焰傳播進行的研究相似。在他們的研究中，這種流動模式導致“郁金香”火焰的邊緣顯著減速，導致形成二次尖端并產生扭曲的“郁金香”火焰。在本文中，負速度場是更大的區域，火焰唇靠近側壁。這可能導致火焰唇更顯著的減速，從而導致在其上形成兩個次級尖點。這表明DTF的形成。DTF建立后（圖5中t = 33.00 ms），次級尖持續向原始尖推進，水平唇尖距離增加。

圖5 當BR = 0時，扭曲的“郁金香”火焰產生后的速度和壓力場

圖6-7顯示了當BR = 0.5時，火焰接近和通過障礙物時，火焰前沿附近的速度場和壓力場。與BR = 0時類似，點火后壓力梯度為正（t = 5.00-8.00 ms，如圖6所示）。之后，火焰從障礙物噴出，導致火焰速度和過壓的快速激增（在t = 8.00-8.50 ms）。此時，障礙物下游出現一對壓力稀疏區域，并伴隨著渦流的形成（圖6中t = 8.75 ms）。在通過障礙物時，火焰裙被卷入渦流中。火焰呈現蘑菇狀結構，伴隨著火焰速度的降低。隨后，障礙物下游的殘余混合物被消耗，并且燃燒產物的膨脹推動火焰以更高的速度向右傳播。

圖6 當BR = 0.5時，火焰接近障礙物時的速度場和壓力場

圖7 當BR = 0.5時，火焰通過障礙物時的速度場和壓力場

圖8說明了從“郁金香”火焰到雙“郁金香”火焰整個發展過程中速度場和壓力場的變化。如圖8中t = 18.00 ms處所示，壓力梯度和流場主要為負，而火焰唇之間的流場為正。因此，火焰唇的移動向左移動，而尖點向右移動，導致火焰唇彼此更靠近。最后，上火焰唇和下火焰唇幾乎合并在一起，如圖8中t = 18.50 ms處所示。在這一點上，流場是正向的，在所有的區域，除了在側壁附近的燃燒氣體中的渦流。燃燒區內的速度場分布不均勻。之后，隨著壓力梯度的變化，出現了雙“郁金香”火焰（圖8中t = 19.00 ms）。

圖8 當BR=0.5時，“郁金香”火焰發展為雙“郁金香”焰的速度場和壓力場

圖9說明了從雙“郁金香”火焰到多頭火焰整個發展過程中速度場和壓力場的變化。一旦雙“郁金香”火焰形成，火焰嘴唇之間的壓力就會超過火焰嘴唇內的壓力。火焰嘴唇內的流場為正，而火焰嘴唇之間的流場為負（圖8中t=19.00 ms）。由于壓力場和流場的耦合作用，火焰嘴唇向右移動，火焰尖端向左延伸。最終，對于雙“郁金香”火焰（圖9中t=19.50 ms），水平唇尖距離變長。在整個過程中，火焰嘴唇相互靠近，導致它們之間的距離減小，最終坍塌（圖9中t=20.50 ms）。在此之后，壓力梯度變為正值。火焰呈多頭形狀。在這一時期，速度場和流場表現出更加復雜的分布。在燃燒區域內，正向流場從兩個中心火焰頭向前推進，并在接近未燃燒區域時向上、下兩個區域偏轉。因此，三個尖點附近的流場變為負值。在三個尖點中，中心尖點處的速度場最大，這可能與兩個中心頭處的正流場偏轉的共同影響有關。因此，在三個火焰尖中，中間的一個進一步向左延伸。當火焰從郁金香形狀演變為多頭形狀時，火焰結構發生了顯著變化。

圖9 當BR=0.5時，雙“郁金香”火焰發展為多頭火焰的速度場和壓力場

4.結論

采用大渦模擬方法研究了封閉管道內合成氣/空氣預混火焰的演化過程。研究的主要結果如下所示。

(1)在沒有障礙物的情況下，火焰經歷了“郁金香”火焰的經典演變，并可以發展成扭曲的郁金香形狀。然而，在具有障礙物的情況下，障礙物下游的火焰在顯示出郁金香形狀之后可演變成更復雜的形狀。

(2)“郁金香形”火焰的形成受到壓力、速度和流場的影響。“郁金香”火焰在有無障礙物和無障礙物存在時會呈現出不同的形狀，這主要受未燃區和已燃區的壓力場和流動動力學相互作用的影響。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.121431