《Combustion and Flame》：Oscillation and instability features of hydrogen-blended natural gas mixtures deflagration in a semi-open vertical pipeline
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本文通过实验系统研究了预混氢掺天然气（HBNG）在半开式垂直管道内的爆燃动力学。揭示了氢掺混比（r）和当量比（φ）对火焰形态（从平滑、胞状到郁金香/指状结构）及压力振荡模式（从单峰到多峰，从初级到次级不稳定）的协同调控规律。研究发现，在r≥60%时，系统呈现主导高频振荡（120-130 Hz），最大压力（Pmax）及其上升率（(dP/dt)max）对r更为敏感。研究在Darrieus-Landau（DL）和Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性理论框架下，结合有效路易斯数（Leeff）分析，阐明了火焰传播与压力波动（通常火焰速度滞后于压力）的复杂异步耦合机制，为HBNG燃烧过程的优化与稳定性控制提供了理论依据。
亮点
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（1）氢掺混比（r）和当量比（φ）共同影响火焰结构的演变路径和不稳定类型。增加r显著改变了火焰的稳定性，促进了其从前沿平滑形态向蜂窝状和郁金香结构的转变，并最终演变为不规则的指状火焰。同时，压力特征也相应地从简单的单峰结构转变为复杂的多峰结构，这标志着系统从初级不稳定性向次级不稳定性的过渡。
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（2）在频谱上，氢掺混（r）引发了从低频到高频的级联振荡。在高氢掺混比（r≥60%）条件下，振荡最终稳定在一个主导的高频模式（120-130 Hz）。时频分析表明，主振荡和次级振荡具有不同的主导模式。其中，随着r的增加，次级振荡呈现出更宽的频带和更强的振幅。
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（3）最大压力（Pmax）和最大压力上升率（(dP/dt)max）对氢掺混比（r）的敏感度远高于对当量比（φ）的敏感度。在r≥60%时，Pmax和(dP/dt)max随φ单调增加，表明了氢的加速效应和链式支链反应占据了主导地位。
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（4）除了在r=40%的条件下，在初级振荡阶段火焰速度领先于压力上升率之外，火焰速度的振荡通常滞后于压力的波动。随着振荡的持续，压力信号出现倍频现象，这是系统向更复杂的非线性状态转变的标志。
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（5）本研究结果在Darrieus-Landau（DL）和Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性的理论框架下进行了解释，其增长率被量化并显示随r增加而增加。有效路易斯数（Leeff）分析证实，在φ≥0.9且r≤20%的条件下，质量扩散占主导地位，从而导致火焰褶皱和不稳定传播。
结论
本研究系统性地探讨了氢掺混比（r）和当量比（φ）对预混火焰在半开式垂直管道内火焰行为和压力特性的综合影响。分析涵盖了火焰形态、压力振荡频谱以及火焰-压力耦合机制。主要结论如下：
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r和φ共同影响火焰结构的演变路径和不稳定类型。氢掺混比（r）的增加显著改变了火焰的稳定性，促进了火焰从前沿平滑形态向蜂窝状和郁金香结构的转变，并最终形成不规则的指状火焰。
