小型实验舱采用模块化设计，支持高温、低温、高压、低压、富氧、贫氧等多种极端环境模拟，内置高精度传感器与光学观测系统，可实时采集燃点、热值、质量损失率及气体成分等关键参数。实验过程通过高速摄像与红外热成像全程记录，结合多光谱分析技术，同步获取火焰传播动态、温度场分布及燃烧产物数据，为复杂燃烧行为研究提供高分辨率实验支撑。

该装置特别适用于封闭空间内合成气/空气混合火焰的演化机制研究，可精准复现火焰从爆燃传播到郁金香形火焰（DTF）形成的全过程。通过调整障碍物布局与阻塞比，可量化分析火焰前锋速度场、压力场与涡流场的耦合作用，揭示二次尖点生成、火焰褶皱等特殊现象的流体力学成因，为清洁燃料安全应用提供关键实验证据。

研究聚焦合成气这类低碳燃料在受限空间内的燃烧特性，通过大涡模拟与实验验证相结合，阐明障碍物对火焰形貌突变的影响规律。成果不仅有助于优化合成气储运系统的防爆设计，其揭示的"双郁金香火焰"等新现象更为氢能、沼气等清洁能源的安全利用提供了普适性研究方法，具有重要工程指导价值。

1.研究背景

化石燃料能源燃烧产生的排放物对环境造成严重损害。合成气作为一种重要的清洁替代能源，受到了广泛关注。合成气主要由CO和H2组成，热值高，污染小，可以通过多种方法生产。然而，在合成气生产、运输和使用的每个阶段都可能出现安全问题。在实际情况中，合成气/空气爆燃火焰在传播期间可能遇到障碍物。根据先前众多研究，火焰通过障碍物后，会出现一种新的“郁金香”火焰。但是，由于现有实验数据和方法的局限性，这一现象背后的根本原因尚未揭示。本研究旨在探索新观察到的“郁金香”火焰发展模式的根本原因，可以为合成气安全提供重要的科学指导，并为其他清洁能源的安全提供科学的方法指导。

2.模拟设置

如图1所示，模型尺寸为100 mm × 100 mm × 1000 mm。在距离左端200 mm的上下壁布置了两个阻塞比（BR）为0.5的障碍物。点火点在左端中心半径为5 mm的半球形区域内。在管道的上壁上，设置了一个监测点P，用于压力收集。模拟的初始条件设定为大约0.1 MPa压力和300 K温度。

3.结果及讨论

3.1火焰结构演变

图2-3分别比较了BR = 0和0.5时合成气/空气火焰结构的实验和模拟图像。仿真结果与实验结果之间的密切相关性证明了大涡模拟的准确性。图2显示了在初始阶段火焰是半球形的。之后，火焰逐渐变为指状（t = 7.00 ms）。在此期间，火焰表面积快速增长。然后，在t = 9.00 ms时，火焰裙部接触侧壁，并且火焰表面积减小直到t = 13.00 ms，此时火焰发展成平面形状。随后，火焰中心向燃烧区弯曲，表现为“郁金香”火焰。当“郁金香”火焰完全形成时，经历了明显的扭曲，在“郁金香”火焰的上唇和下唇上都出现了小的、尖的凹陷，从而产生了新的“郁金香”火焰。这种火焰命名为扭曲的“郁金香”火焰（DTF）。此后，火焰继续以DTF结构传播，直到到达管道端部。

图2 BR = 0.05时，实验火焰和大涡模拟火焰演化结构的比较

图3说明了火焰形状在越过障碍物之前（t = 7.00 ms）从半球形到指形的转变。然后，火焰随着其接近障碍物而被拉长，并且其通过障碍物开口喷射，形成喷射火焰（t = 8.75 ms）。然后，喷流火焰向侧壁移动，并向障碍物前进，以消耗障碍物下游的未燃烧混合物（t = 9.50 ms）。随后，观察到准指状和准平面火焰（t = 11.50-12.50 ms）。随后，出现“郁金香形”火焰（t = 13.50-15.50 ms）BR = 0.5时的“郁金香”火焰与BR = 0时的火焰不同。当BR = 0时，“郁金香”火焰形成后，火焰唇和尖点均向右移动。当BR = 0.5时，“郁金香”形火焰唇和尖角开始向左移动到燃烧区（t = 13.50-14.00 ms）。此后，“郁金香”火焰唇向右移动，而尖瓣继续向左移动。随着火焰的传播，火焰唇与尖点之间的距离增加，而唇之间的距离减小（t = 15.50 ms）。最终，火焰唇在中心线处融合在一起，并且“郁金香”火焰坍缩成准平面形状（t = 18.50 ms）。火焰逐渐发展，在2D视图中形成双“郁金香”火焰（t = 19.00 ms）。

图3 BR = 0.5时，实验和大涡模拟火焰演化结构的比较

3.2火焰动力学及压力场、速度场和流场对火焰前锋的耦合作用

图4-5显示了当BR = 0时，在郁金香形火焰和扭曲郁金香形火焰（DTF）产生过程中的速度场和压力场变化。白色箭头表示矢量速度方向，红线表示火焰前沿。气体向右传播被认为是正方向。如图4中t = 7.00 ms时所示，火焰呈指状，火焰前沿附近为正压梯度。之后，出现了一个逆压力梯度。火焰前沿中心的速度场减小，而靠近侧壁的火焰前缘速度场增大。混合气中的流场是正的，而燃烧气体中的流场主要是负的。这有助于产生平面火焰（图4中t = 12.00 ms时）。此时，在靠近侧壁的火焰前沿后面产生涡流。由于斜压效应，燃烧区内的气流固有地呈漩涡状。然后，在涡流的对流作用下，火焰前沿向燃烧区推进，形成一个原始的后尖点（图4中t = 18.00 ms处）。其它研究表明，当存在平面火焰时，会在火焰前沿附近形成明显的逆压梯度。此外，燃烧气体中的上、下涡流分别为顺时针和逆时针。然后火焰演变成经典的“郁金香”火焰。

图4 BR = 0时，郁金香火焰产生时的速度场和压力场

在此之后，火焰前沿前混合物中的速度场较大，导致火焰前沿向右移动。原始尖瓣被逆流拖向左侧（图5中t = 22.00 ms）。然后，火焰唇前面的压力场明显大于周围区域的压力场（图5中t = 25.00 ms）。此时，在火焰前沿附近，负流源自火焰唇，并被引向燃烧区域和侧壁。该流型与Zheng等人先前对火焰传播进行的研究相似。在他们的研究中，这种流动模式导致“郁金香”火焰的边缘显著减速，导致形成二次尖端并产生扭曲的“郁金香”火焰。在本文中，负速度场是更大的区域，火焰唇靠近侧壁。这可能导致火焰唇更显著的减速，从而导致在其上形成两个次级尖点。这表明DTF的形成。DTF建立后（图5中t = 33.00 ms），次级尖持续向原始尖推进，水平唇尖距离增加。

图5 当BR = 0时，扭曲的“郁金香”火焰产生后的速度和压力场

图6-7显示了当BR = 0.5时，火焰接近和通过障碍物时，火焰前沿附近的速度场和压力场。与BR = 0时类似，点火后压力梯度为正（t = 5.00-8.00 ms，如图6所示）。之后，火焰从障碍物喷出，导致火焰速度和过压的快速激增（在t = 8.00-8.50 ms）。此时，障碍物下游出现一对压力稀疏区域，并伴随着涡流的形成（图6中t = 8.75 ms）。在通过障碍物时，火焰裙被卷入涡流中。火焰呈现蘑菇状结构，伴随着火焰速度的降低。随后，障碍物下游的残余混合物被消耗，并且燃烧产物的膨胀推动火焰以更高的速度向右传播。

图6 当BR = 0.5时，火焰接近障碍物时的速度场和压力场

图7 当BR = 0.5时，火焰通过障碍物时的速度场和压力场

图8说明了从“郁金香”火焰到双“郁金香”火焰整个发展过程中速度场和压力场的变化。如图8中t = 18.00 ms处所示，压力梯度和流场主要为负，而火焰唇之间的流场为正。因此，火焰唇的移动向左移动，而尖点向右移动，导致火焰唇彼此更靠近。最后，上火焰唇和下火焰唇几乎合并在一起，如图8中t = 18.50 ms处所示。在这一点上，流场是正向的，在所有的区域，除了在侧壁附近的燃烧气体中的涡流。燃烧区内的速度场分布不均匀。之后，随着压力梯度的变化，出现了双“郁金香”火焰（图8中t = 19.00 ms）。

图8 当BR=0.5时，“郁金香”火焰发展为双“郁金香”焰的速度场和压力场

图9说明了从双“郁金香”火焰到多头火焰整个发展过程中速度场和压力场的变化。一旦双“郁金香”火焰形成，火焰嘴唇之间的压力就会超过火焰嘴唇内的压力。火焰嘴唇内的流场为正，而火焰嘴唇之间的流场为负（图8中t=19.00 ms）。由于压力场和流场的耦合作用，火焰嘴唇向右移动，火焰尖端向左延伸。最终，对于双“郁金香”火焰（图9中t=19.50 ms），水平唇尖距离变长。在整个过程中，火焰嘴唇相互靠近，导致它们之间的距离减小，最终坍塌（图9中t=20.50 ms）。在此之后，压力梯度变为正值。火焰呈多头形状。在这一时期，速度场和流场表现出更加复杂的分布。在燃烧区域内，正向流场从两个中心火焰头向前推进，并在接近未燃烧区域时向上、下两个区域偏转。因此，三个尖点附近的流场变为负值。在三个尖点中，中心尖点处的速度场最大，这可能与两个中心头处的正流场偏转的共同影响有关。因此，在三个火焰尖中，中间的一个进一步向左延伸。当火焰从郁金香形状演变为多头形状时，火焰结构发生了显著变化。

图9 当BR=0.5时，双“郁金香”火焰发展为多头火焰的速度场和压力场

4.结论

采用大涡模拟方法研究了封闭管道内合成气/空气预混火焰的演化过程。研究的主要结果如下所示。

(1)在没有障碍物的情况下，火焰经历了“郁金香”火焰的经典演变，并可以发展成扭曲的郁金香形状。然而，在具有障碍物的情况下，障碍物下游的火焰在显示出郁金香形状之后可演变成更复杂的形状。

(2)“郁金香形”火焰的形成受到压力、速度和流场的影响。“郁金香”火焰在有无障碍物和无障碍物存在时会呈现出不同的形状，这主要受未燃区和已燃区的压力场和流动动力学相互作用的影响。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.121431