火焰脉动在火灾领域相关研究进展*

刘长春，刘新磊，周莎莎，杨元博

(西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710046)

0　引言

火灾是一种时空上失去控制的燃烧现象，是最常见的严重灾害之一，火灾发生的频度居于各种灾害之首[1]。为预防火灾的发生和减少火灾造成的损伤，对火灾发生发展展开深入研究是经济和社会发展的必然需求。

火焰脉动是一种常见的燃烧现象，是指燃烧过程火焰参数，如压力、速度、温度、火焰高度、火焰投影面积等，表现出来的周期性变化，常用脉动频率来表征，通常也被称为火焰闪烁或震荡。在火焰燃烧过程中，火焰脉动现象影响因素众多，包括燃料种类、热功率、喷口结构、氧浓度等。火焰的脉动是化学反应动力学、传热学、热声学等相互耦合作用的结果，是一个复杂的物理化学过程。火焰脉动是火灾发生发展过程中的常见现象，火焰脉动研究一直以来是火灾领域的研究热点，对揭示火灾传播发展机理，提高火灾探测精准度有重要的研究价值。

火焰的闪动表面上看是杂乱无章的，其实存在独特的频谱特征，应用合适的算法对这些信息进行提取和分析，可以作为有无火灾发生的判据[2]。在火灾中，火焰在短时间内的蔓延决定着火灾的发展方向、发展速度及火灾扑救的最佳时机和灭火效果等，而火灾脉动是火灾蔓延过程中最重要的特征之一。

虽然火焰脉动现象在火灾蔓延规律、监测预警方面获得广泛研究[3-6]，但目前缺少针对火焰脉动研究的总结和归纳，针对现阶段火灾领域火焰脉动研究的总结归纳有助于其深入研究和推广应用。因此本文从火焰脉动机理、测量方法、研究内容、计算模型等方面对火焰脉动研究进行总结归纳，并对未来火焰脉动研究方向进行展望。

1　火焰脉动形成机理研究

微重力火焰脉动研究[7]结果表明，在微重力和反向重力环境下没有观察到火焰的脉动现象，但在超重力的环境下火焰脉动现象依然存在。这说明火焰脉动本质是由于重力引起自然对流而形成的一种浮力诱导的不稳定性。浮力诱导产生火焰振荡现象本质来源于2种机制：一是瑞利-泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor instability)机制，这种机制指的是2种不同密度流体在交界面上低密度流体向高密度流体推进时出现的不稳定现象；二是开尔文-亥姆霍兹不稳定性(Kelvin-Helmholtz instability)机制，这种机制指的是由1种连续流体中出现速度剪切，或2种流体交界面上存在速度差而引起的不稳定现象[8-9]。Longhua等[10]将油池火的不稳定性分为瑞利-泰勒不稳定、扩展的瑞利-泰勒不稳定和膨胀不稳定，扩展的瑞利-泰勒不稳定脉动频率大于膨胀不稳定频率。

图1　火焰燃烧不稳定性形成示意Fig.1　Flame combustion instability formation diagram

火焰燃烧不稳定性形成如图1所示，由于燃烧会产生高温气体，从而产生低密度流体向高密度流体推进的现象。此外，未燃烧气体和正在燃烧的气体加速上升过程中，已燃尽气体边界与周围的大气会形成的一个混合层，在这个混合层中，已燃尽气体与周围大气的速度差会造成一个剪切层，形成不稳定的旋涡，而漩涡会在浮力作用下穿过该层时挤压火焰锋面，漩涡周期性的产生与脱落，使火焰在竖直方向有规律地脉动。如果诱导形成的漩涡在火焰两侧对称分布，则形成如图2(a)所示对称曲张型脉动火焰；如果诱导形成的漩涡在火焰两侧倾斜分布，则形成如图2(b)所示非对称蜿蜒型脉动火焰。

图2　火焰脉动形态示意Fig.2　Flame pulse morphology diagram

在液体火焰脉动形成过程中的部分的机理与气体类似，但是液体燃料燃烧时存在加热和蒸发的过程。当液体燃料到达闪点被点燃后，其可燃物开始燃烧，并且对于未开始燃烧的下层液体进行预热，油料在表面流的加热上升和逆向吸热浮力流的共同作用下，会在油面上方形成气相涡旋。气相涡旋随着浮力逐渐上升并受热膨胀，并消耗可燃气体，气相涡旋被破坏，火焰则跳跃上升，形成1次火焰的脉动[11]。可见对于液体池火研究涉及航空煤油、醇类的火焰脉动、火蔓延传播以及燃烧机理探索等领域取得很大的进展，但是在池火脉动研究领域中，对在液态燃烧上方的油气混合物浓度对于火焰的影响还需要深入研究。

2　火焰脉动频率的测量方法

2.1　基于火焰形态特征的脉动频率测量方法

在火焰脉动频率测量中，应用最广泛的是基于视频成像技术的火焰形态法，即利用火焰形态特征变化来研究火焰脉动频率，这些特征包括火焰高度、火焰直径、投影面积等[12-14]。通过高速成像系统获得火焰图像后，对图像进行处理，最常见的是二值化处理，即获得火焰的灰度图像，中间也会采用一些滤波方法，以获得更好的火焰边界，如图3所示。对于所得到的图像，按照时序分析火焰的形态特征的变化规律，通过傅立叶变化，提取火焰脉动频率信息。

图3　火焰图像的二值化处理Fig.3　Flame image binarization process

傅立叶变化将火焰特征变量由时域空间转换至频域空间，傅立叶变化过程如式(1)所示。式(1)是离散傅里叶变换(DFT，Discrete Fourier Transform)的表示形式，但在程序计算中多采用快速傅立叶变换(FFT，Fast Fourier Transformation)，FFT是DFT的快速算法。

(1)

为了更直观的描述火焰脉动频率，绘制火焰特征幅值-频率曲线，利用傅里叶变化后，由所得到的数据具有对称性，可以取其一半的数据计算火焰特征幅值和频率，火焰特征复制最高点就是所对应的频率值，即火焰脉动频率。通过图像处理，获得火焰高度在时域上的变化曲线，如图4所示[15]，经过傅立叶变化，可以获得火焰高度幅值在频域上的变化曲线，如图5所示[15]。

图4　火焰高度在时域空间上的变化曲线Fig.4　Flame height curve in the time domain space

图5　火焰高度幅值在频域空间上的变化曲线Fig.5　Flame height amplitude curve in the frequency domain space

基于火焰形态特征的脉动频率测量方法在不断改进和发展。例如，Behcet等[17]将红外热成像技术引入火焰频率测量中，通过小波法获得火焰边界，以亮度值为特征参数，获得火焰闪烁频率；陈志斌等[18]将图像相关性技术引入火焰脉动频率测量中，定义了2幅图像相关性度量值，并以该值为特征参数，测量火焰的脉动频率；Lu等[19]以像素点灰度等级和为特征值，测量了炉内煤粉燃烧的脉动特征；Wu等[20]提出一种基于火焰图像切片的全三维火焰脉动频率测量方法，可以获得图像中任意点的脉动频谱。

2.2　火焰脉动频率测量的其他方法

在火焰脉动过程中，温度、压力、辐射强度等均会发生周期性变化，因此这些参数均可以用来测量火焰脉动。张永明等[21]人开发了微热电偶火焰脉动温度测量系统，但采用热电偶测量火焰脉动频率，一方面热电偶探头会扰动火焰燃烧过程，另一方面存在温度数据响应速度慢和噪声大的问题；Cetegen等[10，22]采用压力传感器，测量了氦气/空气浮力羽流的压力波动，通过压力波动表征气流脉动频率，但压力传感器的探头也会影响上游气体运动。激光多普勒测速系统(LDV)可以测量火焰的速度场，但仅适合个别点的脉动频率测量，且仪器昂贵复杂[20,23]。火焰的光谱辐射特性也可以用来测量火焰脉动频率[24-27]，可以采用单波段，也可以采用多波段进行测量。可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为近年来发展起来的一种气体检和温度测技术,具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点，也开始应用火焰频率测量领域[28-29]。前人通对于火焰周围温度分布和压力波动可以测量得到火焰的脉动频率，但是在这一过程中对于火焰正常燃烧的影响也是较为明显的。利用可调谐二极管激光吸收技术来测量火焰周围气体温度分布的方式来测量火焰脉动频率的这种方法虽然灵敏度较高分辨路较高等优点，但是在对于设置测试点和测试点温度、压力与其他实验条件要求较高。

最近也有学者对非定常火焰自由基团OH、CH等进行高频采集，并通过本征正交分解(POM)、动态模态分解(DMD)等统计学方法分析火焰的脉动特性[30-32]。非定常火焰自由基团测量的优点在于能够在非接触性条件下获取火焰脉动特性，可以作为燃烧诊断分析。在较为复杂的燃烧工况中，对局部火焰脉动情况的分析会被其周围较为强烈的火焰自由基团化学发光信号所掩盖。对于分析火焰整体燃烧或火焰具有明显的化学基团燃烧差异的研究是一种十分有效的方法。

3　火焰脉动研究进展

以燃料类型对火焰脉动研究内容进行分类，可以分为液体池火、气体射流/羽流燃烧脉动研究，本小结将自激式脉动燃烧装置、炉内脉动燃烧等归为其他类型。

3.1　液体类火焰脉动研究

池火是常见的液体火灾类型，是一种热浮力作用下的扩散火焰，燃料一边蒸发气化，一边与空气掺混而燃烧，易呈现脉动特征。

张佳庆等[33]针对100号航空汽油池火研究发现，火焰部分可以划分为连续区和间歇区，火焰脉动频率随油池等效直径的增大而减小；蒋新生等[34]对航空煤油小尺度池火燃烧火焰结构进行了研究，计算出涡流结构产生频率为4～5 Hz，其产生的原因是油品蒸发、燃烧流动与火焰浮力耦合作用的影响；江平[15]使用直径0.1，0.15，0.2，0.3，0.4和0.5 m的6种圆形油盘，对航空煤油池火的脉动规律进行了实验研究，得到了油池火脉动频率与油盘直径的经验关系式；Weckman等[35]对直径300 mm的丙酮池火结构进行详细研究，发现底部空气流量是影响火焰脉动频率的重要参数；Cetegen和Ahmed[36]提出油池火的脉动频率是和油池直径的1/2次方成正比；Malalasekera等[37]在1996年对池火的脉动现象进行了总结，通过对大量实验数据的调研，认为对固定直径池火，脉动频率几乎与燃料流量无关。油池直径与火焰脉动关系的研究为建立简单的火焰脉动模型提供了有效的实验依据。

孙志友等[38]对无风条件下正方形煤油池火的燃烧特性进行了研究，研究表明油池壁面的存在使油池火脉动频率低于理论值，随特征尺度(d/L)的增加，火焰的脉动频率范围加大，脉动不稳定加剧；Henriksen等[39]采用减光系数法对JP-8(喷气推进燃料)和庚烷油池火进行了研究，测得的火焰脉动频率与高度有关，JP-8脉动的振幅比庚烷高；黎昌海等[40]在封闭空间进行了油池火火焰振荡特性研究，实验发现，火焰根部面积的变化频率与火焰高度的振荡频率相等；刘洪涛等[41]基于光谱分析，研究了油池火内部传热特性，发现火焰间歇区脉动频率低于烟气区；徐伯乐等[42-44]研究了高原油池火燃烧特性参数与平原的不同以及具体的影响机制，发现高原地区火焰脉动频率大于平原地区，并拟合出高原低氧低压环境下的火焰振荡频率公式；Tang等[45]对高原地区不同长宽比的乙醇油池火脉动规律进行了研究。

Hamins等[46]对大量实验数据进行分析，涉及到的Froude数最小值与最大值差14个量级，提出基于Froude的火焰频率计算公式；H Sato等[47]使用离心机研究了重力条件下的丙酮和煤油池火；Hiroki Abe等[48]通过微重力落塔对3种燃料，11种尺寸的小型油池火进行了研究，他们均发现振荡频率随着重力的增加而增加，采用Strouhal数和Froude数拟合出火焰震荡频率计算公式。

在单室火灾的燃烧中，存在低频震荡现象[49-50]，如Hugues Pretrel等[51]对机械通风房间油池火的燃烧特性进行了研究，发现其低频振荡频率是0.005～0.007 Hz；吴迎春等[52]对顶棚开口受限空间油池火火焰振荡模式进行了研究，观察到顶棚开口受限空间内油池火的火焰具有2种可以相互转化的振荡模式。

Ding等[53]对装有正庚烷和乙醇混合燃料的300 mm×300 mm方形池火进行了研究，考察共沸对火焰脉动频率的影响；周魁斌等[54]基于池火火焰脉动的特征对火焰形状进行合理假设，建立了考虑火焰脉动的池火辐射热流预测模型，并与实验数据、点源辐射模型、Shokri-Beyler 模型、Mudan-Croce 模型进行了比较。

虽然在液体燃料火焰脉动研究中多以简单池火为研究对象，但研究领域不断扩展，例如燃料种类不断丰富，一些学者开展微重力、超重力研究，一些学者开展环境压力影响研究，一些学者开展有横向风影响的研究。

对于池火燃烧和火焰燃烧模型的研究较多，并且现阶段多处于简单火焰类型的研究。在液体燃料燃烧过程中对动态液体燃烧火焰的特性及其燃烧影响因素等方面进行研究，由于液体燃烧过程中组分变化较为复杂，在揭示液体燃料燃烧过程的火焰特性中，液相流场与气相流场的耦合关系，并分析气相流场的形成与火焰脉动频率之间的关系。在不同外部气压和气体浓度的条件下对于火焰特征的影响等方面还需要进行深入的研究。

火焰振荡现象本质来源于2种机制：一是瑞利-泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor instability)机制；二是开尔文-亥姆霍兹不稳定性(Kelvin-Helmholtz instability)机制[55]。Hu等[56]将油池火的不稳定性分为瑞利-泰勒不稳定、扩展的瑞利-泰勒不稳定和膨胀不稳定，扩展的瑞利-泰勒不稳定脉动频率大于膨胀不稳定频率；Hua还[57]在2017对有风条件下的池火行为进行了总结。

3.2　气体类火焰脉动研究

气体燃烧的火焰特征不仅与浮升力有关，还与初始动量有密切关系，气体燃烧脉动现象的研究是燃烧领域中的一个重要的研究方向，对认识火焰燃烧现象和解决实际工程问题均有重要意义[55]。

Zukoski等[58]对0.10，0.19 和 0.50 m直径多孔介质气体火焰特性进行了研究，研究发现火焰在多孔介质表面会形成对称火焰，并有固定频率；Fujisawa等[59]对甲烷/空气同心射流火焰脉动现象进行了研究，发现随着空气/燃料比值增加，振荡幅度减小，Strouhal数与Froude数成正比增加，而频率跳变多发生在低空气/燃料比下；Darabkhani[60-61]研究发现伴流空气的流量与火焰脉动频率成正比，而且保持火焰稳定时燃料流量越大，所需要的伴流空气流量也越大；J Li等[62]发现甲烷和丙烷按一定比例混合会产生不同的涡旋脱落行为，燃料混合比是影响火焰脉动频率的重要参数；田艳飞等[63]探究了空气伴流、O2/N2富氧气氛伴流和O2/CO2富氧气氛伴流3种情况下的火焰脉动特性，随着伴流流量的增加，一方面火焰脉动频率增加，另一方面火焰可见形状波动范围减小。

在通过对于以上学者对于伴流空气流速和组分改变来探究其对火焰脉动频率的影响中，在对于基础实验分析中，燃料只包括甲烷和丙烷等含碳量低的可燃气体，然而对于伴流空气的条件的不统一且较少，无法建立伴流空气的流速、组分、压力与燃烧时火焰脉动频率之间的定量关系。在后续的研究中可以拓展空气伴流的条件，来探讨以上因素对于火焰脉动的影响。

Abdurakipov等[64]考察了旋流强度对丙烷/空气火焰脉动规律的影响；Papadopoulos等[65]采用PIV手段测量了甲烷/空气脉动火焰的速度场，获得了清晰的浮力诱导涡旋结构图像；Gotoda等[66]通过实验研究了不同氧浓度条件下火焰尖端的振荡频率和振幅的变化规律，随着氧浓度的增加，脉动频率增加，但振幅减小，并从非线性动力学的角度研究旋转气流下的燃烧不稳定性和火焰震荡行为[67]；Wang等[68]研究了大气压对甲烷扩散火焰的影响，随着空气压力的增加，火焰在喷嘴出口表面附近逐渐收缩，导致产生的环向涡旋位置向下移动，振幅增大。

Cetegen等[69]对羽流扩散燃烧进行了研究，发现圆形喷嘴羽流扩散火焰表现出2种不同的不稳定模式，提出采用改变助燃剂介质密度，研究重力影响的新方法；Manikantachari等[70]研究了不同喷口结构对甲烷扩散火焰脉动频率的影响，发现孔型喷口的火焰振荡特性与其他2种存在明显区别；Petr Bitala等[71]对杯形燃烧装置进行了改进，测量了不同工况下乙烯扩散燃烧的脉动频率；江澄等[72]研究了横向风对丙烷脉动频率的影响，将横向风条件下火焰结构假设为倾斜的柱状，发现火焰振荡频率随外界风速增大而增加；Joan Boulanger[73]对超低Froude数条件下层流扩散火焰进行了研究，发现在超低Froude数条件下扩散火焰的浮力不稳定性几乎消失，只在小尖端存在震荡闪烁；曹海亮等[74]对平板狭缝间C1～C4烷烃/空气预混射流火焰的燃烧特性进行了研究，发现随着狭缝间距的减小，火焰经历了稳定、脉动和熄火 3 个阶段，脉动频率随着壁面温度的升高而增加。

气体类火焰脉动研究更为复杂，主要研究方向分为内容包括燃料种类、环境气氛、重力、喷嘴形状、预混比例、伴流空气速度、旋流强度等。由于气体燃烧的可变参数远多于液体池火，因此关于气体脉动的燃烧研究还将不断扩展和深入。

4　火焰脉动模型

大量的研究表明池火的脉动频率和火焰直径的平方根成反比[75-76]，如Pagni[77]提出采用经验公式(2)计算油池火的脉动频率；Emori 和Saito[37-78]提出采用无量纲数St和Fr计算火焰的脉动频率，如式(3)～(5)所示。国内外的一些学者[6,9,11，15，29-32]，针对不同类型研究对象，对式(2)～(5)所涉及的系数提出了改进。

f=kD-0.5

(2)

式中：f为火焰脉动频率，Hz；k为系数，取1.5；D为油盘直径，m。

St=aFr-b

(3)

(4)

(5)

式中：a为系数；b为系数，一般取0.5；U为燃料出口流速，m/s；Ri为里查森数，是湍能耗散与湍能产生的比值。

Cetegen等[10]提出气体燃烧脉动频率可以用式(6)～(8)来表述；江澄等[72]考虑横向风的影响，引人拖曳系数，修正后的Cetegen计算公式如式(9)～(10)所示。

(6)

(7)

(8)

式中：ρ∞/ρf为环境密度/燃料密度，kg/m3；C为系数，一般取0.3～0.5。

(9)

(10)

式中：df为火焰直径，m；Lf为火焰长度，m；uw为横向风速，m/s。

Kostiuk等[79]提出考虑重力影响的预混火焰脉动频率计算公式，如式(11)～(13)所示；Gotoda等[80]将旋流强度引入Kostiuk计算式中，如式(14)所示。

(11)

(12)

(13)

式中：Tad为绝热火焰温度，K；T0为燃料初始温度，K；μ为燃料动力粘度，Pa·s。

(14)

式中：S为旋流强度。

可以看出，火焰脉动频率的预测模型在不断发展，应用范围不断扩大，但火焰脉动频率的预测模型还多是针对池火、气体射流/羽流火等简单场景，缺少综合考虑重力、燃料类型、助燃剂氧浓度、环境温度、喷口类型等变化，复杂场景下的火焰脉动频率计算模型。

5　结论

1)火焰脉动现象、规律、形成机制的研究对火灾识别、污染物减排、燃烧系统安全具有重要的意义，未来这些方面还将是研究的热点。

2)基于视频成像技术的火焰形态特征法是研究火焰脉动最常用方法，但随着测量技术的不断发展，TDLAS、PIV、自由基高频摄影等先进测量方法将越来越多的应用于火焰脉动现象研究，揭示出更多的火焰脉动信息。

3)火焰脉动规律的研究不断向特殊领域扩展，如微重力、低气压、高氧气环境等。火焰脉动研究尺寸范围不断扩大，但微尺寸和超大尺寸的研究还相对较少。

4)火焰脉动频率计算模型虽然也在不断的发展，但多是经验拟合公式，缺少复杂场景下的火焰脉动频率计算模型，还需要从理论上进一步深化计算模型研究，扩大模型的适用范围。

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