中文摘要：

声与火焰的耦合具有重要的工程价值和学术意义，是燃烧学科具有挑战性的方向之一。在工程中，声与火焰耦合，可作为高效环保燃烧方式被利用。研究表明，声与火焰耦合可起到大幅度降低NOx生成的作用，而当前所开展的研究工作远远不能对其作用下NOx降低的机理和规律赋予完备的解释。涡是声与火焰耦合的重要结构形式，对燃烧过程起到了有效的强化，涡的卷吸、旋转和运动对NOx生成有重要影响。本项目以涡结构为桥梁，通过三偶探针、PIV测速装置、纹影技术及红外摄像等实验技术，系统研究在不同声场参数和流动参数下火焰温度分布、速度分布、密度场和热量输运规律等特性变化规律，进一步构建声场参数与涡结构的关系模型；通过大涡模拟和火焰面模型的数值方法，获得火焰锋面的褶皱应变对NOx生成的影响规律，揭示涡对声与火焰耦合作用的规律和机制；通过火焰分区建模，构建火焰结构参数与NOx生成的唯象关联式，建立声作用下NOx生成动力学模型。

结论摘要：

涡是声与火焰耦合的重要结构形式，对燃烧过程起到了有效的强化，涡的卷吸、旋转和运动对NOx生成有重要影响。基于涡运动的理论，可以对声与火焰耦合下NOx降低的机理和规律赋予完备的解释。本项目主要从以下几个方面展开（1）声作用下预混火焰NOx生成总规律基于所搭建的Rijke型和扬声器型两种热声强迫脉动燃烧实验台，系统而全面的获得了在不同的声场参数下（驻波/行波、频率、振幅）和不同燃烧参数下（当量比、流速、燃烧器管径）NOx的排放规律，进一步结合火焰内局部化学反应探针，比较分析了声场作用下和稳态燃烧下中间产物的分布，探讨了声作用下NOx降低的规律。（2）声场作用下涡结构的典型特征及其对火焰温度场、密度场和热量输运的影响规律基于PIV测速系统，观察了声场作用下的涡结构的典型特征；进而发展了基于三偶探针的动态温度补偿技术，在空间上构建了多点热电偶平面阵列，获得火焰的等温线图谱；通过纹影和阴影技术获得火焰流场的密度分布，获得火焰区域温度梯度和热边界层；基于红外纹影一体化技术研究声作用下涡向火焰表面的热量反馈机制与行为，以及火焰体向外辐射与对流的热量迁移和转化规律。（3）声场作用下描述涡与火焰耦合的几何模型的构建发展图像处理技术提取火焰锋面的轮廓线，以火焰刷形式对火焰轮廓线进行统计，确定火焰锋面及其长度、宽度、厚度等几何尺度，获得火焰锋面空间的统计特性及其总体的动力学规律，并基于锥形火焰的线性化G方程，构建了描述声作用下预混锋面运动的火焰动力学模型。（4）声场形成的涡结构对NOx生成的化学反应动力学影响机制将涡与火焰耦合的几何模型引入大涡模拟中，考虑火焰几何形面的褶皱、拉伸和应变等参量对燃烧的影响，通过混合分数、应变率、化学反应速率等参数研究涡与火焰耦合对气体卷吸、混合、燃烧过程作用的物理机制；进而引入NOx生成的详细化学反应机理，获得涡结构下不同类型NOx的生成、排放和迁移规律，分析声与火焰耦合作用下NOx化学反应动力学的物理机制。