关于非预混氨-甲烷燃烧系统中热声振荡迟滞与振幅抑制的学术研究报告
一、 研究团队与发表信息
本研究由印度理工学院达尔瓦德分校（Indian Institute of Technology Dharwad）机械、材料与航空航天工程系的 Manjunath Mailarappa Meti、Arvind Raj Sakthivel、Meenatchidevi Murugesan 与阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）物理科学与工程部的 Abhijit Kumar Kushwaha 共同完成。通讯作者为 Meenatchidevi Murugesan。该研究成果以题为《Hysteresis and amplitude suppression of thermoacoustic oscillations in a non-premixed ammonia–methane combustion system》的论文形式，发表于能源领域期刊《Energy》的第338卷（2025年），文章编号为138776。
二、 学术背景与研究目标
在全球应对气候变化、致力于减少碳排放的背景下，氨（NH₃）作为一种无碳燃料，因其可利用可再生能源合成、便于储存和运输等优势，被视为未来能源系统中具有潜力的替代燃料。然而，纯氨燃烧存在反应活性低、火焰传播速度慢、可燃范围窄等问题。将其与甲烷（CH₄）等更具反应性的燃料混合燃烧，是提升其燃烧性能的有效策略。同时，富氧燃烧也是提高燃烧效率和控制排放的技术之一。尽管氨-甲烷混合燃料的燃烧特性（如火焰速度、排放物）已有较多研究，但其对燃烧系统稳定性，特别是热声不稳定性（Thermoacoustic Instabilities）的影响，尚未得到充分探索。
热声不稳定性是燃烧系统（如燃气轮机、工业燃烧器）中一种有害现象，源于非稳态热释放率波动与燃烧室内压力波动之间的正反馈耦合，可导致剧烈的周期性压力振荡（极限环振荡，Limit Cycle Oscillations），引发结构振动、降低燃烧效率，甚至导致设备损坏。因此，理解氨掺混和富氧条件如何影响热声动力学，对于设计安全、稳定、高效的低碳燃料燃烧系统至关重要。
本研究旨在填补非预混扩散火焰在氨-甲烷混合燃料及富氧条件下热声特性研究的空白。具体研究目标包括： 1. 探究氨添加对非预混氨-甲烷火焰中导致热声不稳定的亚临界霍普夫分岔（Subcritical Hopf Bifurcations）及迟滞区（Hysteresis Zone）的影响。 2. 评估氨百分比和氧气富集对自持极限环振荡振幅的影响，寻找能够有效抑制振荡的最佳燃料/氧化剂组合。 3. 分析不同氨和氧气水平下火焰形态的变化，以阐明稳定与不稳定燃烧状态之间的转变机制。
三、 详细研究流程与方法
本研究采用全面的实验方法，对一个受限的层流非预混扩散火焰系统的热声响应和火焰结构进行了系统性的研究。
1. 实验系统搭建与操作条件： 实验装置核心为一个同轴组装的燃烧器与石英管。燃料（NH₃-CH₄混合气）通过燃料集气室供给至内径25毫米的黄铜管燃烧器。氧化剂（O₂-N₂混合气）通过空气集气室供给至外径45毫米的石英管燃烧室。通过一个精密位移平台（最小分辨率1毫米）可轴向调节火焰在石英管内的位置（X_f）。所有气体流量均使用高精度质量流量控制器（精度±0.1%满量程）进行精确控制。当量比（φ）在0.3（极贫燃）至1.2（富燃）之间变化。热功率（K）在50至700瓦之间调节。氨在燃料中的热功率占比（P_NH₃）从0%（纯甲烷）到100%（纯氨）以5%的步长变化。
2. 数据采集与测量技术： * 压力测量： 在石英管侧壁（距底部250毫米处）安装压电式压力传感器，以20 kHz的采样频率采集声压振荡信号，用于分析热声振荡的振幅、频率和动力学状态（如分岔图、相空间重构）。 * 火焰可视化： 使用高速相机（4 kHz帧率）进行时间分辨的火焰成像。为了分析热释放率分布和火焰动力学，采用了三种化学发光成像技术： * 宽带化学发光成像： 捕捉整体火焰发光形态。 * CH*自由基化学发光成像： 使用中心波长430±10 nm的窄带滤光片，作为纯甲烷火焰中热释放率的指示剂。 * NH₂*自由基化学发光成像： 使用中心波长632±10 nm的窄带滤光片。由于氨的加入会削弱CH*信号，研究表明NH₂*是氨掺混燃料燃烧中更合适的热释放率代理指标。 * 数据分析方法： 除了常规的时域、频域（功率谱密度PSD）和相空间分析外，研究还采用了本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition， POD） 这一先进的数据处理方法。POD用于从时间序列的火焰图像中提取能量排序的相干结构（主导模态），从而定量分析不同条件下主导火焰动力学和热释放率波动的空间模式，为理解火焰-声学耦合的物理机制提供深入见解。
3. 实验流程设计： 研究首先建立了纯甲烷燃烧的基线工况，确定了系统产生自持热声振荡的条件（特定的火焰位置X_f和热功率K）。然后，系统性地开展了以下实验序列： * 迟滞效应研究： 在固定当量比（φ=0.45）和火焰位置（X_f=43.5 cm）下，对纯甲烷和70%CH₄-30%NH₃混合燃料，分别从低到高（正向路径）和从高到低（反向路径）缓慢改变热功率（K），记录声压振幅变化，绘制分岔图，从而确定霍普夫点（Hopf Point， 稳定到不稳定的临界点）、鞍点（Saddle Node， 不稳定到稳定的临界点）以及两者之间的迟滞区宽度。 * 氨掺混影响研究： 在固定热功率（K=500 W）、火焰位置（X_f=43.5 cm）和当量比（φ=0.8）下，逐步增加燃料中的氨比例（P_NH₃从0%到100%），测量热声振荡的振幅、频率变化，并同步进行高速火焰成像，观察火焰形态（长度、抬升、尖端开口等）随氨掺混量的演变。 * 富氧影响研究： 在固定热功率（K=500 W）和火焰位置（X_f=43.5 cm）下，研究不同当量比（φ=0.45， 0.6， 0.7， 0.8， 对应不同的氧浓度）下，氨掺混比例（P_NH₃）对热声振荡振幅的影响。特别对比了富氧（φ=0.45）与相对贫氧（φ=0.8）条件下，氨的抑制效果差异。 * 火焰结构机理分析： 结合时间分辨的化学发光图像和POD分析，对不同氨掺混和富氧条件下的火焰结构、热释放率波动区域（特别是剪切层周期性膨胀行为）进行深入分析，将观测到的宏观热声响应（振幅增减）与微观的火焰动力学变化联系起来。
四、 主要研究结果
1. 基线纯甲烷燃烧与亚临界分岔特性： 实验确认，在研究的非预混系统中，纯甲烷火焰在特定条件下（如X_f < 44.2 cm， K > 临界值）会经历亚临界霍普夫分岔，从稳定状态突然跳跃到大幅值的极限环振荡状态。降低当量比（更贫燃，即相对氧含量更高）会导致振荡振幅显著增加。分岔分析显示存在明显的迟滞区，即系统从振荡状态返回稳定状态所需的热功率低于其从稳定状态进入振荡状态的热功率。
2. 氨掺混对迟滞区的影响： 氨的加入显著改变了系统的分岔行为。当燃料中掺混30%的氨（按热功率计）时，迟滞区的宽度从纯甲烷时的65.4 W扩大到了130.8 W。这主要是由于氨的加入延迟了不稳定性的发生，即霍普夫点向更高热功率方向移动，而鞍点位置变化不大。迟滞区的扩大意味着系统在更宽的热功率范围内存在双稳态，虽然允许在更高功率下稳定运行（有利），但也增加了被外部扰动“触发”进入剧烈振荡状态的风险（不利）。这与某些预混旋流火焰中氨掺混缩小迟滞区的报道相反，突出了燃烧模式（预混 vs. 非预混）对分岔特性的关键影响。
3. 氨掺混对热声振荡振幅的非单调影响（核心发现）： 在固定工况下（φ=0.8， K=500 W），随着氨比例（P_NH₃）从0%增加，热声压力振荡振幅呈现先急剧下降、后逐渐回升的非单调变化趋势。 * 显著抑制阶段（P_NH₃ = 20%-35%）： 振荡振幅被大幅抑制，最低可降至纯甲烷基准水平的2%。此时，火焰图像和POD分析表明，火焰根部（热释放率最高区域）的剪切层没有明显的周期性膨胀或调制，热释放率波动减弱，从而削弱了火焰-声学耦合。 * 振幅恢复阶段（P_NH₃ > 40%）： 当氨比例继续增加（40%-85%），极限环振荡重新出现，振幅逐渐回升。此时，火焰长度显著增加，促进了反应物的部分预混，形成了更分散的、对声学扰动更敏感的热释放区，从而恢复了热声耦合。
4. 氧气富集对热声振荡的影响： 与氨的复杂影响不同，氧气富集（降低当量比φ）对热声振荡具有一致的放大作用。在研究的整个氨掺混比例范围内（0%-100%），更高的氧浓度（如φ=0.45）总是产生比更低氧浓度（如φ=0.8）更大的振荡振幅。特别是在φ=0.45条件下，氨的振幅抑制效果被削弱，振幅最低仅能降至纯甲烷水平的约50%，无法达到φ=0.8条件下2%的极端抑制效果。火焰图像显示，在富氧条件下，即使在高氨比例时，火焰尖端也保持闭合，火焰更短、更紧凑，且火焰根部剪切层存在明显的周期性轴对称膨胀，这增强了热释放率波动与压力波动的耦合。
5. 火焰形态的演变： * 氨的影响： 随着氨比例增加，火焰长度增加，纯甲烷火焰的抬升（Lift-off）现象消失，火焰锚定在燃烧器出口。高氨比例（>40%）且在较低氧浓度（φ=0.8）下，会出现火焰尖端开口（Flame Tip Opening），这是由NH₃相对于CH₄的优先扩散混合特性导致的局部贫燃（Under-ventilated）条件引起的。 * 氧的影响： 氧气富集（如φ=0.45）使火焰更短、更呈锥形，并防止了高氨比例下的火焰尖端开口，缓解了欠通风条件。
6. POD机理分析： POD分析从能量和空间结构上揭示了不同条件下的主导不稳定模式。 * 在氨抑制效果最佳的工况（P_NH₃=20%， φ=0.8），主导POD模态的能量占比较低（~12%），且热释放率波动沿整个火焰长度分布。 * 在富氧且振荡较强的工况（P_NH₃=20%， φ=0.45），主导模态的能量占比很高（>40%），且热释放率波动强烈集中在火焰根部。 * 在高氨比例工况（P_NH₃=60%），无论φ值如何，主导模态显示强烈的热释放率波动区域显著向上游（火焰根部）移动，且在下游区域波动可忽略。这种波动区域的集中与振荡振幅的恢复相吻合，表明火焰根部的横向振荡是驱动氨掺混条件下热声不稳定性的关键。
五、 研究结论与价值
本研究通过系统的实验，揭示了非预混氨-甲烷-氧-氮层流扩散火焰中热声振荡的复杂非线性动力学行为，得出了以下核心结论： 1. 氨掺混会显著扩大热声不稳定性发生的迟滞区宽度，延迟不稳定性的发生，但同时也增加了系统被触发进入大幅振荡的风险。 2. 氨对热声振荡振幅的影响是非单调的，存在一个最优抑制区间（20%-35% NH₃），在此区间内振幅可被极度抑制（低至基准的2%），但超出此范围后振幅会回升。这为工业燃烧器在特定工况下利用氨掺混抑制振荡提供了明确的优化窗口。 3. 氧气富集会普遍放大热声振荡，并削弱氨的抑制效果。这表明氧化剂组成是决定热声稳定性的关键因素之一。 4. 其物理机制在于：氨通过其低反应性和低火焰速度改变了热释放率波动与声压波动之间的相位关系，并在中等掺混比时削弱了耦合；而高掺混比时，火焰伸长和部分预混效应恢复了耦合。氧气则通过增强化学反应和改变火焰结构（更紧凑、根部波动更强）来增强耦合。
科学价值： 该研究首次在非预混扩散火焰构型中系统揭示了氨-甲烷混合燃料热声行为的非单调特性和迟滞效应，深化了对替代燃料燃烧不稳定性的理解，特别是明确了燃烧模式（预混/非预混）对系统非线性动力学响应的决定性影响。
应用价值： 研究结果为设计以氨等低碳替代燃料运行的燃料灵活型工业燃烧器提供了重要指导。它指出，通过精细调控氨的掺混比例（20%-35%）和当量比（避免过度富氧），可以在一定程度上抑制热声振荡。然而，设计者必须权衡振幅抑制的好处与迟滞区扩大带来的触发风险，并根据具体的热功率运行范围来优化燃料配比和操作条件。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究还指出，虽然氨掺混可以抑制热声不稳定性，但在实际应用中必须同时考虑其氮氧化物（NOx）排放和燃烧效率等问题。此外，研究观察到的火焰尖端开口等现象，也关联到氨燃烧中的局部熄火和混合特性，为后续研究氨燃烧的稳定性和排放控制提供了线索。论文声明在撰写过程中使用了AI工具（Claude.ai）进行语言润色，但作者对内容全权负责，这反映了当前学术写作中的一种新实践。研究得到了印度科学与工程研究委员会（SERB）的资助。