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已发表于 Physical Review Fluids · 2024

火焰中的瑞利–泰勒不稳定性与逆级联

为什么有些火焰前沿最终形成稳定传播的行波,而另一些却出现不断长大的气泡,进入混沌状态?

火焰演化形态的相图,两个坐标分别为次模态的波数和两个初始波数的最大公约数。
火焰演化形态的相图。最终出现五种形态中的哪一种,取决于两个初始波数的最大公约数 GCD(k1, k2),仅凭次模态波数 k2 无法判断。

较轻的流体位于较重的流体下方时,两者的界面会出现瑞利–泰勒不稳定性。轻流体形成上升的气泡,重流体形成下沉的尖钉,小尺度的褶皱逐渐并合成大尺度结构。在波数空间,这种从高波数向低波数的演化称为逆级联。它使经典瑞利–泰勒混合层逐渐摆脱初始条件的影响,进入自相似增长阶段。我们想知道,正在燃烧的界面是否也会如此。

火焰前沿本身具有稳定作用。若只用一个模态扰动模型火焰,扰动幅度增长到一定程度便会停止,火焰随即形成可长久维持的稳定行波。为了了解打破这一状态需要什么条件,我们给火焰施加了两个初始扰动:一个振幅较大的主模态,波数为 k1,以及一个振幅较小的次模态,波数为 k2。

起初,两个模态各自演化,火焰以亚稳态行波的形式传播。等次模态的振幅足够大,两个模态开始耦合,行波失稳,气泡迅速长大。耦合产生了一个长波模态,其波数恰好是两个初始波数的最大公约数。

我们找到了五种不同的火焰演化形态。决定形态的是初始波数的最大公约数 GCD(k1, k2)。这个数取值不同时,火焰前沿的起伏可能停止增长,出现相干脉动,重新形成亚稳态行波,或持续失稳并进入混沌燃烧状态。烧蚀型与经典瑞利–泰勒不稳定性中也能看到相同的双模态演化过程,提示三者可能具有共同的模态耦合机制。

我们使用 Nek5000 谱元流体力学程序,对布辛涅斯克近似下的二维预混火焰模型进行直接数值模拟。网格包含 512 × 2304 个谱元,多项式阶数为 N = 9。

模拟中的火焰前沿出现瑞利–泰勒不稳定性。已燃流体(红)形成大块蘑菇状气泡,向上进入未燃流体(蓝)。
火焰已进入混沌燃烧阶段。已燃流体(红色)以气泡的形式上升,进入未燃流体(蓝色)。气泡不断并合,持续长大。
从上到下三个模拟时刻显示,火焰前沿的小幅正弦扰动先发展成气泡和尖钉,随后趋于稳定。
在演化初期,小扰动先按指数增长,形成气泡和尖钉,火焰随后进入亚稳态行波阶段。此后,两个模态的耦合会使行波失稳。