[论文解读] Flickering of buoyant diffusion flames: a vortex dynamics revisit

Xi Xia, Peng Zhang|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Combustion and flame dynamics参考文献 58被引用 8

一句话总结

本研究通过涡动力学重新审视浮力扩散火焰的闪烁现象，将环状涡旋的周期性脱落与实验观测到的 f ∝ D⁻¹/² 规律联系起来。通过应用基于无量纲环量的通用涡环脱离准则，作者推导出一个理论闪烁频率公式，该公式在池火和射流火焰中均与实验数据定量吻合。

ABSTRACT

Previous studies have found that the flickering of buoyant diffusion flames is associated with the periodic shedding of a toroidal vortex, which is formed under gravity-induced shearing at the flames. Moreover, numerous experimental investigations have reported the scaling relation, $f \propto D^{-1/2}$, where $f$ is the flickering frequency and $D$ is the diameter of the fuel inlet. However, the connection between the toroidal vortex mechanism and the scaling relation has not been clearly understood. The current study theoretically revisits this problem from the perspective of vortex dynamics. The theory incorporates a recent finding in the vortex dynamics community: the detachment of a continuously growing vortex ring is inevitable and can be dictated by a universal constant that is essentially a non-dimensional circulation of the vortex. By calculating the total circulation of the toroidal vortex and applying the vortex ring detachment criterion, we mathematically established the connection between the lifetime of a toroidal vortex and the flickering of a buoyant diffusion flame, resulting in a general flickering frequency formulation, which is validated by comparing with existing experimental data of pool and jet diffusion flames.

研究动机与目标

• 解决长期存在的问题：即实验观测到的闪烁频率标度规律（f ∝ D⁻¹/²）与浮力扩散火焰中环状涡旋动力学之间的理论鸿沟。
• 建立涡环脱离与火焰闪烁行为之间的理论联系。
• 利用池火和射流扩散火焰的实验数据，验证广义闪烁频率公式的有效性。
• 将近期发现的基于无量纲环量的通用涡环脱离准则应用于湍流火焰动力学。

提出的方法

• 在重力引起的剪切作用下，对浮力扩散火焰底部形成的环状涡旋进行理论建模。
• 运用涡动力学原理，计算不断增长的环状涡旋的总环量。
• 应用通用涡环脱离准则，该准则通过临界无量纲环量值定义脱离条件。
• 从脱离条件推导出涡旋寿命，从而直接关联到闪烁频率。
• 基于涡动力学和几何尺度（火焰直径 D）推导出通用闪烁频率表达式。
• 将理论频率模型与已发表的池火和射流扩散火焰实验数据进行对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 环状涡旋脱落的物理机制是什么，它如何解释浮力扩散火焰中观测到的 f ∝ D⁻¹/² 标度规律？
• RQ2 如何将涡环脱离准则应用于预测湍流扩散火焰中的闪烁频率？
• RQ3 是否存在一个通用的无量纲环量阈值，能够解释不同火焰几何形状下火焰闪烁的周期性？
• RQ4 基于涡动力学的理论模型在多大程度上能够再现池火和射流火焰中的实验闪烁频率？
• RQ5 涡旋生长和环量演化在决定浮力扩散火焰闪烁的寿命和频率方面起什么作用？

主要发现

• 本研究建立了增长中的环状涡旋脱离与浮力扩散火焰闪烁频率之间的直接理论联系。
• 推导出的闪烁频率公式在池火和射流扩散火焰中均与实验标度规律 f ∝ D⁻¹/² 一致。
• 基于通用无量纲环量的涡环脱离准则，成功预测了涡旋脱落的特征 timescale。
• 理论模型与现有实验数据表现出良好的定量一致性，验证了涡动力学方法的有效性。
• 分析表明，闪烁频率由涡旋生长与脱离临界环量阈值之间的平衡所决定。
• 结果表明，相同的涡动力学原理适用于不同火焰构型，暗示了火焰闪烁存在一种普遍机制。