氢作为一种零碳多功能能源载体，有助于在全球脱碳进程中深度整合多种可再生能源技术（RET），从而构建未来的低碳能源系统[1]。具体而言，氢在燃气轮机中的应用提供了可调度的零碳电力，以平衡太阳能和风能的间歇性供应，从而保证电力系统的灵活性和能源安全[2]。然而，氢和甲烷的独特燃料特性给传统旋流稳定燃烧器的直接氢燃烧带来了相当大的挑战。氢燃烧的高火焰速度和化学反应性要求必须首先考虑回火预防[3]。如今，基于微混合燃烧设计的多喷嘴阵列燃烧器已被采用作为传统大规模旋流稳定燃烧器的替代方案[[4], [5], [6], [7], [8]]。尽管这些由多个小喷嘴排列产生的微型和离散火焰可以有效消除回火风险并减少NOx排放，但它们仍然容易受到自激不稳定性的影响[[9], [10], [11], [12], [13]]。显然，多喷嘴阵列燃烧器中的高频、高幅度振荡有可能破坏燃气轮机的稳定性，可能导致燃烧器损坏[14]。然而，由于氢火焰长度较短以及从旋流火焰到多个小火焰的结构转变，引入了未知的复杂热释放波动和燃烧动态，这将进一步影响热释放率（HRR）与燃烧室声学之间的热声耦合[15]。因此，全面理解多喷嘴阵列燃烧器中氢火焰的自激不稳定性对于确保氢燃气轮机的安全稳定运行至关重要。
在探索多元素火焰中的自激不稳定性方面已经取得了显著进展，研究表明燃料组成和喷嘴布置在确定不稳定性特征（如频率和动态模式）方面起着关键作用。例如，Kim等人比较了贫氢-空气完全预混火焰与甲烷火焰在中尺度多喷嘴阵列燃烧器中的自激不稳定性。他们的发现表明，氢火焰表现出高频振荡和弱火焰相互作用，而甲烷火焰则受火焰元素集体动态的主导[11]。氢-甲烷燃料混合进一步复杂化了多元素火焰中的自激不稳定性，随着氢混合比例的变化，系统的响应也呈现出多个不同阶段[5]。另一方面，通过对多元素甲烷旋流预混火焰和传统大规模旋流稳定火焰的比较分析，发现由于局部流动/火焰结构的变化，多喷嘴燃烧器中出现了更高频率的自激不稳定性[15]。此外，更密集的喷嘴布置可以在氢火焰中引发热声不稳定性，导致频率变化范围广泛和多样的火焰动态模式[4]。基于喷射器阵列分布和径向燃料分层的战略整合，Kang和Jin等人强调，由不均匀热释放驱动的时空非相干性是控制多元素火焰中自激不稳定性的关键[6,10]。所有上述研究都展示了预混燃烧技术在多喷嘴阵列燃烧器中氢燃烧中的应用，并对自激预混多元素火焰的不稳定性和火焰动态进行了详细研究。部分预混燃烧技术在防止回火方面表现出优越性，已成为实际燃烧器设计中的普遍做法。尽管部分预混燃烧技术已应用于多喷嘴阵列燃烧器，但大多数相关研究主要集中在NOx排放和静态稳定性上[7,8,16,17]。在最近的报告中，已经初步研究了包括合成气和氢燃料在内的多元素部分预混火焰的火焰结构和热声不稳定性特征[[18], [19], [20]]。据作者所知，关于多喷嘴阵列燃烧器中部分预混氢火焰的自激不稳定性的研究仍然相对有限，需要进一步全面的研究来增强对此现象的理解。
在实际采用部分预混燃烧技术的燃气轮机燃烧室中，燃料-空气混合通常发生在燃烧室入口上游的指定距离处。通过调整这一混合长度可以控制混合程度，这进一步影响火焰结构、稳定性和排放特性[[21], [22], [23]]。然而，不同的混合长度也可能由于等效比扰动被平均流带入燃烧室而引起自激不稳定性的变化，从而影响火焰前沿并驱动燃烧室压力振荡[24]。显然，这一过程所需的对流时间受到混合长度和火焰高度的限制[25]。当前的研究通常采用改变喷嘴几何形状、喷射位置和喷射策略等方法来控制混合程度和对流时间，表明入口速度和等效比振荡的时空分布对不稳定性的影响至关重要[[26], [27], [28], [29]]。此外，还可以通过这些方法研究部分预混火焰对声学振荡的响应以及火焰动态的变化。Ahmed等人通过改变混合管长度研究了混合长度对部分预混甲烷火焰的振幅和稳定性的影响，发现增强的混合程度可以抑制相干结构的振幅[30]。然而，其他研究得出了相反的观察结果。Howie等人发现，由于涡流卷起导致的混合程度增加可能会增强单喷嘴旋流燃烧器中自激不稳定性的振幅[31]。Wang等人建立了自激部分预混旋流甲烷火焰的频率和振幅与混合程度之间的正相关关系。他们还提出，完全预混火焰与部分预混火焰之间的自激不稳定性差异可能归因于等效比振荡的较长延迟时间和后者的延长对流路径[32]。未能建立自激不稳定性与混合长度之间的一致关系可能是因为还需要考虑燃烧室的其他差异。可以推测，在由多个喷嘴组成的燃烧器中，氢燃料可能在不同的混合长度下表现出独特的自激不稳定性，但关于这种先进燃烧技术的关键知识仍存在空白。此外，Noiray等人描述了通过调节单个火焰元素的相位来抑制多元素火焰的热声不稳定性，从而产生相反的热释放波动[33]。这种方法表明，类似的调制可以通过战略性地改变混合长度来实现。因此，有必要系统地研究多元素喷嘴阵列燃烧器中混合长度与自激不稳定性之间的耦合，作为制定有效不稳定性缓解策略的前提。
本研究的目的是澄清不同混合长度下多喷嘴燃烧器中自激部分预混氢火焰的燃烧不稳定性。通过改变燃料喷射位置，对火焰热释放率（HRR）和压力振荡的波动进行了一系列测量。确定了在广泛操作条件下的自激不稳定性的特征，包括频率、振幅和相位差的分布。使用高速化学发光OH?诊断技术可以直接观察高频自激振荡引发的火焰结构和动态行为。数据驱动的模态分解方法用于揭示主导频率和谐波下自激氢火焰的主要结构和振荡模式。基于相空间HRR分布，验证了主要结构和振荡模式，并观察到了火焰元素之间的反相波动。二维瑞利指数分布用于识别部分预混氢火焰的热声耦合区域和阻尼区域，进一步强调了主导频率模式在全局自激不稳定性中的主导地位。最后，进行了时间滞后分析，以评估混合长度对短火焰长度下部分预混氢火焰自激不稳定性的贡献。这项综合研究为部分预混氢火焰中的自激不稳定性和燃烧动态知识做出了重要补充。
