Sensitive flame 敏感的火焰

• 学生： 刘松波 刘琛 郭智逸
• 指导教师： 乐永康

A combustible gas (e.g. propane) streams vertically out of a fine nozzle and then through a fine metallic mesh at a distance of about 5 cm. The gas is lit and produces a flame above the mesh. Under some circumstances, this flame reacts very sensitively to sound. Investigate the phenomenon and the relevant parameters.

一种可燃性气体（如丙烷）从一个气嘴里垂直的流出然后穿过一个很好的金属网格（二者距离约为5cm左右）。可燃气体被点燃并在金属网格上方形成一个火焰。在某些情况下，这火焰会对声音极其灵敏。 研究这个现象和相关参量的影响

• J. Tyndall. On Sounding and Sensitive Flames. Phil. Mag. 33-34, 92-99 (1867), http://zs.thulb.unijena.de/servlets/MCRFileNodeServlet/jportal_derivate_00119247/PMS_1867_Bd33.pdf
• F. W. Barrett. Note on “Sensitive Flames”. Phil. Mag. 33-34, 216-222 (1867), http://zs.thulb.unijena.de/servlets/MCRFileNodeServlet/jportal_derivate_00119247/PMS_1867_Bd33.pdf
• Wikipedia, Sensitive Flame,https://en.wikipedia.org/wiki/Sensitive_flame
• W. Bragg. The world of sound (Bell, London, 1920)
• Phonetics laboratory 1920s (youtube.com, from Michael Ashby, Apr 26, 2010), https://youtu.be/cXp7jfgRNVA
• W. F. Barrett. The Effect of Inaudible Vibrations upon Sensitive Flames. Nature 16, 12-12 (1877), http://www.nature.com/nature/journal/v16/n392/abs/016012a0.html
• W. W. Haldare Gee. The Bunsen Flame a Sensitive Flame. Nature 19, 122-122 (1878), http://www.nature.com/nature/journal/v19/n476/abs/019122e0.html
• Sensitive Flames, 1874 (JF Ptak Science Books, 2008), http://longstreet.typepad.com/thesciencebookstore/2008/05/jf-ptak-science.html
• E. N. da C Andrade. The sensitive flame. Proc. Phys. Soc. 53, 4, 329 (1941)
• X. Wu, M. Wang, and P. Moin. Combustion instability due to the nonlinear interaction between sound and flame. J. Fluid Mech. 497, 23-53 (2003),https://web.stanford.edu/group/ctr/ResBriefs01/wu3.pdf
• F. Duchaine and T. Poinsot. Sensitivity of flame transfer functions of laminar flames (Center for Turbulence Research, Proc. Summer Program, 2010), https://web.stanford.edu/group/ctr/Summer/SP10/5_02_duchaine.pdf
• W. N. Zartman and S. W. Churchill. Heat transfer from acoustically resonating gas flames in a cylindrical burner. AIChE J. 7, 4, 588–592 (1961)
• Wikipedia: Rubens' tube, https://en.wikipedia.org/wiki/Rubens'_tube
• 声场频率与振幅对火焰no_x生成特性的影响_9_.pdf

课题指导表一课题指导表一.docx

2016年3月10号 今天在11号楼活动室进行了必要的讨论。确定部分实验的具体做法。开阔了思路，找到了几个不错的猜想。希望能够在接下来的实验中，继续脑洞大开，享受思考与交流的快乐！——刘松波

2016年3月18号

今天进行了第一次实验，值得反思的是问题很多进展很慢。实验材料没有准备好，临时四处借用到蜡烛、打火机、铝箔、电钻钻机、缺少音箱或是发声器，(下周一定闪亮登场！）发现实验条件以及实验现象与想象中有很大区别，于是作出以下调整：

1. 将登山可燃气灶改装，将网状圆形燃烧口拆下，气体从细管中喷出，通过控制气体流量的阀门来改变气体喷出口压强。（在无具体压强计的情况下我们打算仅进行定性实验）
2. 利用电钻钻机在铝箔表面打孔，改变空隙的间距以及空隙大小，以此作为金属网格。
3. 借用音箱充作发声器，播放不同频率的重复有规律性的声音，改变声音响度（振幅）。
4. 在无法确定合适安全的实验条件时我们借用蜡烛来模拟可燃气体燃烧火焰。
5. 无法量化火焰敏感度时我们将以数字1—10来描述火焰敏感度.

• 我们在金属网格的制作上遇到很大困难：
• 点焊温度（约两百摄氏度）达不到气体燃烧温度。液压金属丝时尽管两根压制可以成功，但因为工作面受力不均匀，多根金属丝压制无法实现。铝箔上用笔或者螺丝一类工具打孔得到的网格十分不精确，不便用于研究。
• 在郑助教的帮助下我们转而使用电钻钻机在铝箔钻孔，终于第一次制得金属网格！

• 但悲伤的是，如上图所示：过密过小的金属网格将火焰阻断，完全无法在网格之上燃烧。
• 故而此网格暂时被认为不适合该实验，但我们认为这和蜡烛火焰与可燃气体燃烧火焰的区别有着很大联系。可燃气体从气灶充喷出保持一定流速，其内压强也得到保证，网格给予气体冲量后仍有一定动量。蜡烛燃烧的是升华后的蒸汽，受网格阻拦后压强会否过小？
• 因此我们希望乐老师能够允许我们在下周器材齐全的情况下以气体进行实验。——郭智逸

2016年3月25号

• 我们首先对登山气灶进行改装，仅保留通气口以及支座（如图一），用较重钳子固定，通气口直径（待测)高度3.4cm。
• 为了保障正式实验的安全，我们首先测试改装后气体可否稳定燃烧。打开阀门，点燃的木扦靠近通气口后发出清晰噼啪声，木扦燃烧更剧烈。很快气体被点燃，焰色为亮蓝色，在通气口内稳定燃烧。考虑到装置无垫板，且气体在内部燃烧使通气口温度升高，有可能毁坏桌面。我们停止尝试。
• 我们采用上次实验所用金属网格，用木扦卷住铝箔两端用于固定。装置最终如下图：
• 发声器采用SineGen软件，可调响度0-100%，可调频率20-20kHz，用一对音响外放。

• 在黑暗环境下载金属网格上方点燃气体，撤走木扦，气体安静燃烧，亮蓝色。值得注意的是金属网格下方无火焰。
• 多次点燃，定性地观察到气体流速较小时易得到稳定火焰，流速越大噼啪声响更多，燃烧越不稳定。最终决定以极低流速进行实验，观察到被网格明显分开、跳动的火焰。
• 打开音响，保持一定频率500Hz，改变响度，火焰有随着响度增大而燃烧更剧烈的趋势，具体表现为火焰高度宽度增大。保持100%响度，改变频率，观察到从500Hz到1KHz火焰形状突然由宽窄变为细高。但我们不确定的是，我们考虑有火焰下方相邻网格口径大小不一所造成的影响，而且影响很大。

• 相邻网格口径大小不同对火焰形状有很大影响，或者空气中气流、外界噪声带来的误差过大，很难通过定性改变频率响度得出确定结果。
• 我们下一步考虑对声音的要求，比如声源位置、合适响度等等因素，先查找资料，下周一将进一步探究。 — 郭智逸 2016/03/27 16:34

2016年4月8日

实验装置设计如图1：声场位于出气口正下方，连接可产生正弦波的信号发生器。0.5mm厚铝制金属网格上空隙为3*3排列，直径2mm，中心间距4mm。外包橡胶皮的铁架台用来夹持（实验后稍许熔化）。

• 预实验：无声音时可燃气体在金属网格上方稳定、安静地燃烧，火焰被金属网格明显地分开，兼以快速抖动。（说明火焰抖动不由声音导致，而是空气扰动）有声音影响时，火焰对声音作出反应，发出不间断噼啪声。（不充分燃烧所致？）使频率增大，可观察到焰状由矮胖变为细长。匹配的原因使功率减小，故为保证功率一定将频率调节在50或75hz（注意到实验后期铝片被夹持部分因高温硬度减小，可燃气体从较小网格旁边泄露出）。
• 使功率增大，可观察到火焰燃烧受到明显扰动，电压读数由0-3v，频率由105-72.48hz。
• 开始时音箱50欧姆阻抗，频率90.9hz，随着功率增大火焰变长，图2、3、4依次表示2.5v、3.75v、5v。关掉音箱后火焰如图5，稳定燃烧。增加频率至200.83hz过程中，火焰变矮变胖。改变阻抗为75欧姆，匹配功率不够。增大频率至405.9hz，0.5欧姆，7v状况下如图6。调频率至201.6hz，阻抗0.5欧姆，电压约1v，如图7。调频率至151.32hz，电压约2v，如图8.。

图2图3图4 图5图6图7 图8

• 在无功率下稳定燃烧，无噼啪声无抖动，有功率时与无功率时相比焰长度变长，如图9.10。由151.34hz降至122hz如图11。零输出下功率逐渐增加，火焰变长，电压3.75v，如图12、13。

图9图10图11图12图13

• 调整频率至90hz，由无功率加压至3.75v，火焰变长变宽，如图14、15。调整频率至75hz，由无功率加压，如图16、17。调整频率至81hz，由稳定状态加压至3.75v，如图18、19。调整频率至90.91hz，由稳定状态加压至5v，火焰形状变长变粗,如图20、21。实验中观察到外焰（明黄色）区域集合尺寸增大，考虑因为声的作用强化了火焰与周围气体的掺杂，空气供给更加充分，使可燃气体充分燃烧区域扩大。

图14图15

• 在90.87hz下，由0振幅加压至2.5v-4v-5V,如图22、23、24、

1. – 郭智逸 2016/04/15 00:02

视频

啊啊啊啊怎么回事，根本不知道上传图片之后怎么缩小它？！！！ — 郭智逸 2016/03/21 17:31

wiki的语法还是很好学的，只要照着你看到的格式模仿即可。 — 乐永康 2016/03/21 19:54

好的，我去研究研究，也谢谢乐老师帮我们修改页面格式！ — 郭智逸 2016/03/27 16:31

第一次看到实验思考到的问题：1.对可燃性气体的要求 2.金属网格的作用，是否会有干涉或反射？还是有其他的作用 3.喷出气体的流量要求 4.气嘴与金属网格距离的含义，是否会存在类似于加强区的位置 5.是否只对声音敏感，其他物质可不可能，比如：烟雾或水蒸气 6.声音是否会干扰对流，或是造成一些别的影响
第一次想到的可能与实验现象有关的参量：环境参量（实验时的温度压强，是否存在噪音等），气体的种类，气体的流速，气嘴的大小，气嘴与网格的距离，网格的大小，火焰的温度，声音的频率，以及是否只有声音能造成这种现象
接下来会去看各种资料进行自我解答，也希望学长学姐和老师进行指点。以上。 ——刘琛 2016.03.07 21:59

思路不错，但看上去，待研究的内容似乎有些宽，是否可以先选一两个主题/问题探究起来？如要做实验，你们准备怎么解决设备问题？ — 乐永康 2016/03/08 22:57

首先，在一些论文里面，并没有提到金属网格的存在的具体意义，只是说明了在有 tiny holes 存在的情况下，火焰的敏感程度随别的参量的变化。有迹象（别人的实验）表明，气体的敏感程度和气体本身的压强有关系（表观在喷出后火焰的高度上）。越是‘低压’的火焰，越是敏感。这方便与我们观察。首先，应当对单变量进行实验，我觉得应当先检验压强的影响。
考虑到实验的具体情况，需要的实验器材有：喷嘴（圆柱和漏斗形？），可燃性气罐，压力计，金属滤网，点火枪，摄像机（手机），毫米刻度尺，声音产生装置：1.音叉（持续性观测）、2.口哨（瞬时响度）、3.秒表（极敏感观测）；另外需要必要的固定装置。——刘松波

我认为这个实验（对压强的检验）的难点，在于如何使得可燃性气罐内的压强具体化，当然，用火焰高度来替代是一种方法，但是我们并不知道火焰高度H和燃气罐内压强P之间，是否成线性关系 。——刘松波
在明确了气罐内部压强对于火焰敏感度的影响后，可以在此基础上，实施不同变量的实验。——刘松波
实验现象的记录主要在于，不同压强下的火焰高度、宽度、敏感度；以及在不同的声音影响下（上述1、2、3状况），火焰的形状的改变、改变的持续性等。——刘松波
在实验中，一定会出现没有预料的情况，因此，出现上述没有提到的情形也再所难免。我认为，the unexpected正是我们的实验目的所在。——刘松波 2016/3/9 20:56
为什么，预览和保持是两个样子。。。。——刘松波

除了因为两者的显示区域有大小会带来一些细小的差别之外，我看不出预览和保存的结果有什么明显变化。 — 乐永康 2016/03/09 22:01

实验室是否有可燃性气体……如果有，一共有几种？——刘琛

实验室现在没有可燃气体，但可以去购买。 — 乐永康 2016/03/09 22:01

参与讨论的除了刘松波外，还有其他同学吗？请组员积极参与讨论。写完自己的回复后，可以按签名按钮（编辑框上方工具栏的倒数第二个按钮）来签名。 — 乐永康 2016/03/09 22:01

实验的自变量存在多种，基本原则还是简单的控制变量法，通过比较得出结论，现在主要就是气体和器材可能还不足，可燃性气体该如何购买……因为没有气体做不了实验啊，——刘琛

你们先设计实验方案，周五我和你们一起讨论怎么去优化方案，怎么去落实。 — 乐永康 2016/03/09 23:35