具有腔促动的混合的氧-燃料喷燃器相关申请的交叉引用
本申请请求享有2014年6月23日提交的美国临时专利申请序列第62/015,792号的权
益，该申请通过引用如完整提出那样并入本文中。
背景技术
燃烧系统中的氧的使用作为使燃烧反应的速率相对于在空气-燃料燃烧中自然发
生的速率加速的有效技术在本领域中为人熟知。此燃烧系统和应用由对燃烧可用的时间
和/或空间的严格限制约束，使得氧单独使用(与特殊装置和/或技术的应用分开)可能不足
以克服此限制。例如，在使用氧和气态燃料的极高速度的扩散(即，非预混)火焰的应用中，
两种反应物种类的混合速率可为妨碍完全和/或稳定燃烧的"速率限制"步骤。在此情况下，
需要提高反应物混合速率来充分对氧-燃料反应进行"供给"。
另一个挑战性应用在于固体燃料的燃烧，特别是具有极低挥发性的物质如无烟煤
和大多数焦炭的那些固体燃料。固体燃料的燃烧中的又一个挑战性应用在于在固体燃料必
须在经历高速移动的同时燃烧时，且进一步，在一些燃烧必须在很短的反应距离内完成时，
如，通常在固体燃料高速喷射到原材料床中时发生的；例如，在形成铁的化铁炉或形成钢的
鼓风炉过程中。
在一些现有技术的应用中，固体燃料在超过大约100m/sec的速度的流中输送。此
高速流大体上需要过高的输送气体压力，导致很高的成本和功率需求，且此外，导致输送通
路的壁的很快侵蚀。此外，当高速固体燃料从输送通路排入燃烧空间中时，由于其高动量，
故固体燃料将不能夹带到高速氧-气体火焰中，且因此将不能按需要在可允许的时间内和
可允许的距离内充分加热、点燃和燃烧。
已经存在使用剪切层的腔促动的混合来提高高速流中的燃烧速率的尝试。在一个
此类现有技术的系统中，腔置于初始燃料和氧化剂混合(氧化剂为空气)的位置下游。在在
另一个现有技术的系统中，燃料喷射到腔上游的空气流中。尽管基于申请人对此类系统的
可能的操作温度的分析，这些系统似乎加强氧化剂与燃料的混合，但腔位于氧化剂和燃料
的初始混合处下游将在其中进行混合的导管内导致很高温度，在一些情况下，导致显著高
于大多数市售钢的最高使用温度的温度。因此，现有技术的腔促动的混合构造将在许多应
用中不可行。
因此，需要改善的燃烧系统，其在挑战性应用中提供更完整和/或稳定的燃烧，如
上文所述的那些，同时在可接受的温度极限内操作。
发明内容
提供该概述来以简化形式介绍本发明的一组方面，这将在以下详细描述中进一步
描述。
方面1. 一种喷燃器，包括：
与环形气体的供应处于流体流连通的第一环形导管，环形气体包括氧和气态燃料中的
一者，第一环形导管具有第一内壁和第一外壁；
位于第一环形导管内且与中心气体供应处于流体流连通的中心导管，中心气体包括氧
和气态燃料中的另一者，中心导管具有中心外壁和出口平面；以及
在中心外壁、第一内壁和第一外壁中的至少一者中形成的腔，腔定位在中心导管的出
口平面附近且在其上游的非零距离处，腔具有长度、深度和限定为长度除以深度的纵横比，
深度为由腔形成于其中的壁界定的导管的液压直径的至少10%，纵横比为1到10。
方面2. 根据方面1的喷燃器，其中，中心气体由氧构成，且环形气体由气态燃料构
成。
方面3. 根据方面1-2中的任一方面的喷燃器，其中，中心气体由气态燃料构成，且
环形气体由氧构成。
方面4. 根据方面1-3中的任一方面的喷燃器，其中，腔具有1到4之间的纵横比。
方面5. 根据方面1-4中的任一方面的喷燃器，其中，腔具有上游壁、底壁和下游
壁，且其中，长度为上游壁与下游壁之间的距离，且其中，深度为上游壁和下游壁中的一者
的高度。
方面6. 根据方面1-5中的任一方面的喷燃器，其中，腔形成在中心外壁中。
方面7. 根据方面1-6中的任一方面的喷燃器，其中，腔连续地延伸穿过包含腔的
壁的360度圆周。
方面8. 根据方面1-6中的任一方面的喷燃器，其中，腔包括沿包含腔的壁的360度
圆周间隔开的多个腔。
方面9. 根据方面1-8中的任一方面的喷燃器，还包括位于腔上游和附近的会聚喷
嘴。
方面10. 根据方面1-8中的任一方面的喷燃器，还包括位于腔上游和附近的会聚-
发散喷嘴。
方面11. 根据方面5-10中的任一方面的喷燃器，其中，腔上游壁垂直于中心导管
和第一环形导管中的流动方向。
方面12. 根据方面1-10中的任一方面的喷燃器，还包括第二环形导管，其构造成
排出固体燃料和输送气体的混合物，第二环形导管包绕第一环形导管。
方面13. 一种方法，包括：
(a)使氧和气态燃料中的一者流过中心导管；
(b)使氧和气态燃料中的另一者流过包绕中心导管的第一环形导管；以及
(c)使氧和气态燃料中的一者流过定位在中心导管和第一环形导管中的至少一者中的
腔，腔在中心导管的出口平面附近且在其上游的非零距离处，腔具有长度、深度和限定为长
度除以深度的纵横比，深度为腔定位在其中的导管的液压直径的至少10%，纵横比为1到10。
方面14. 根据方面13的方法，其中，腔具有长度、深度和限定为长度除以深度的纵
横比，纵横比在1到4之间。
方面15. 根据方面13-14中的任一方面的方法，其中，腔位于中心导管的外壁中。
方面16. 根据方面13-15中的任一方面的方法，其中，腔连续地延伸穿过包含腔的
壁的360度圆周。
方面17. 根据方面13-15中的任一方面的方法，其中，腔包括沿360度圆周间隔开
的多个腔。
方面18. 根据方面13-17中的任一方面的方法，还包括：
(d)使氧和气态燃料中的一者流过位于腔上游和附近的会聚喷嘴。
方面19. 根据方面13-17中的任一方面的方法，还包括：
(d)使氧和气态燃料中的一者流过位于腔上游和附近的会聚-发散喷嘴。
方面20. 根据方面13-19中的任一方面的方法，还包括：
(e)以导致氧与气态燃料的摩尔比超过完全燃烧气态燃料所需的化学计量摩尔比的方
式执行步骤(a)和(b)。
方面21. 根据方面13-20中的任一方面的方法，还包括：
(f)使固体燃料和输送气体的混合物流过包绕第一环形导管的第二环形导管。
方面22. 根据方面13-21中的任一方面的方法，其中，氧和气态燃料中的一者在至
少大约50米每秒的中心气体速度下流过中心导管，且其中，固体燃料和输送气体的混合物
在低于中心气体速度的固体燃料速度下流过第二环形导管。
方面23. 根据方面22的方法，其中，中心气体速度为至少1马赫。
方面24. 一种喷燃器，包括：
构造成排出包括氧和气态燃料中的一者的中心气体的中心导管，中心导管由中心外壁
界定；
构造成排出包括氧和气态燃料中的另一者的环形气体的环形导管，环形导管包绕中心
导管，且由环形内壁和环形外壁界定；以及
形成在选自中心外壁、环形内壁和环形外壁构成的集合的至少一个包含腔的壁中的
腔，腔定位在中心导管的外平面附近且在其上游的非零距离处，腔具有长度、深度和限定为
长度除以深度的纵横比，深度为由腔形成于其中的壁界定的导管的液压直径的至少10%，纵
横比为1到10。
附图说明
下文将连同附图描述本发明的实施例，其中相似的数字表示相似的元件。
图1为根据本发明的示例性实施例的氧-气态燃料喷燃器的示意性前视图；
图2A为图1的喷燃器的局部示意性左侧截面视图；
图2B为图1的喷燃器的局部示意性左侧截面视图，示出了中心导管的下游端延伸超过
第一阻隔的下游端；
图2C为图1的喷燃器的局部示意性左侧截面视图，示出了第一阻隔的下游端延伸超过
中心导管的下游端；
图3为氧-气态燃料喷燃器的第二示例性实施例的局部示意性左侧截面视图；
图4为氧-气态燃料喷燃器的第三示例性实施例的局部示意性左侧截面视图；
图5A至5H为可在图1至图4的喷燃器的备选实施例中提供的不同腔形状的局部左侧截
面视图；
图6A为在腔上游具有会聚喷嘴的氧-气态燃料喷燃器的第四示例性实施例的中心导管
部分的局部示意性左侧截面视图；
图6B为在腔上游具有会聚-发散喷嘴的氧-气态燃料喷燃器的第五示例性实施例的中
心导管部分的局部示意性左侧截面视图；
图7为图6A的喷燃器的腔和会聚喷嘴部分的局部示意性左侧截面视图；
图8为根据本发明的第六示例性实施例的固体燃料喷燃器的示意性前视图；
图9为图8的喷燃器的局部示意性左侧截面视图；
图10为固体燃料喷燃器的第七示例性实施例的局部示意性左侧截面视图；
图11为图10的喷燃器局部示意性左侧视图，示出了固体燃料夹带到氧-气态燃料火焰
中；
图12为示出图10中所示的固体燃料喷燃器在竖炉中的使用的截面视图；
图13为示出在一定范围的腔纵横比和三个不同的流体流速下的从入口到出口的压力
损失的测试数据图表；
图14-22为一定范围的频率和腔纵横比下的声发射的图表；以及
图23为示出一定范围的腔纵横比的在吹灭(blowoff)时的相对氧流速的图表。
具体实施方式
随后的详细描述仅提供了优选实施例，且不旨在限制本发明的范围、可应用性或
构造。相反，优选示例性实施例的以下详细描述将向本领域的技术人员提供用于实施本发
明的优选示例性实施例的实现性描述。将理解的是，可在功能和布置中制作出各种变化，而
不脱离本发明的精神和范围。
为了有助于描述本发明，方向用语可用于说明书和权利要求中，以描述本发明的
部分(例如，上、下、左、右等)。这些方向用语仅旨在协助描述和提出本发明，且不旨在以任
何方式限制本发明。此外，在说明书中与附图组合介绍的参考标号可在说明书中无附加描
述的情况下在一个或多个后续的附图中重复，以便提供其它特征的背景。
在附图中，与本发明的其它实施例的元件相似的元件由增加数值100的参考标号
表示。例如，与第一示例性实施例相关联的腔104对应于与第二示例性实施例相关联的腔
204。此元件应当认作是具有相同功能和特征，除非在本文中另外指出或绘出，且此元件的
论述因此可针对多个实施例重复。
如说明书和权利要求中使用的用语"导管"是指一个或多个结构，流体可经由其在
系统的两个或多个构件之间输送。例如，导管可包括输送液体、蒸气和/或气体的管、管道、
通路和它们的组合。
在权利要求中，字母用来识别提出的步骤(例如，(a)、(b)和(c))。这些字母用来协
助参照方法步骤，且不旨在指出执行提出的步骤的顺序，除非且仅到此顺序在权利要求中
明确叙述。
如说明书和权利要求中使用的用语"流连通"和"流体流连通"旨在为同义的，且意
指两个或多个元件以允许流体在元件之间流动的方式连接(直接地或间接地)，包括可包含
阀、闸或可有选择地限制流体流动的其它装置的连接。
如说明书和权利要求中使用的用语"氧"旨在意指含有大于或等于28mol%，优选大
于或等于60mol%，且更优选大约或等于85mol%的浓度的氧分子的气体。
如说明书和权利要求中使用的用语"固体燃料"旨在表示固体形式的烃燃料。固体
燃料的实例包括石油焦；包括无烟煤、烟煤、亚烟煤和褐煤的所有种类的煤；泥煤、木材、草
和其它所谓的生物质材料；城市固体废物；和它们的组合。
如说明书和权利要求中使用的用语"气态燃料"旨在意指含有碳、烃、它们的组合
和/或能够与氧化剂发生化学反应且释放能量的任何其它气态组分的气体。气态燃料的实
例包括天然气、丙烷、乙炔、乙烷、合成气体、煤气和焦炉煤气。
如说明书和权利要求中使用的用语"流动方向"旨在意指穿过导管的流体的自由
流或体积流的总体方向。
如本文更详细所述，申请人发现，一种反应物的流动通路的壁中的腔的策略性放
置可将反应物混合率有效地提高至反应物的燃烧可在高速流动系统中稳定且完全执行的
程度，甚至在反应物中的一者或两者的流速在高于或等于局部声速的速度下流动时。相对
于固体燃料燃烧问题，申请人开发出了一种喷燃器，其使用高速氧-气态燃料引燃火焰来在
很短时间内且在很短距离内快速夹带、点燃和完全燃烧固体燃料；例如，在符合高效化铁炉
和鼓风炉操作的要求的时间和距离内。
此外，申请人发现实现克服以上挑战的高速固体燃料燃烧的手段。具体而言，申请
人发现，经由氧-气态燃料火焰的包络外的环带在中等速度(例如，低于大约100m/sec)下引
入固体燃料允许固体燃料快速夹带到高压氧-气态燃料火焰中，在这里，其然后快速加热、
点燃和燃烧。
参看图1和2A，示出了示例性氧-气态燃料喷燃器100。喷燃器100包括中心导管(或
仓室110)，其由第一环带120包绕。尽管在所示实施例中，中心导管110标称为圆形截面，且
第一环带120标称为圆柱形截面，但将理解的是，在喷燃器100的其它实施例中，中心导管
110和第一环带120中的一者或两者都可为长方形、椭圆形、矩形、具有圆角的椭圆化矩形形
状，或其它非圆形几何形状。流过中心导管110的流体可为气态燃料或氧。流过第一环带120
的流体优选为气态燃料或氧中的另一者。换言之，如果喷燃器100构造成使氧流过中心导管
110，则其优选构造成使气态燃料流过第一环带120，且反之亦然。在喷燃器100操作时，氧和
气态燃料的流动方向101如图2A中所示。
中心阻隔113形成中心导管110的外壁112，且将中心导管110与第一环带120分开。
中心阻隔113还形成第一环带120的内壁118。第一阻隔121形成第一环带120的外壁122。中
心阻隔包括限定中心导管110的出口平面116的下游端133。出口平面166与初始混合点(或
位置/平面)重合。来自中心导管110和第一环带120的流体之间在出口平面116上游不可发
生混合。第一阻隔121包括下游端135。在图2A中，中心导管110和第一环带120两者的下游端
133,135重合(意味着两者位于出口平面116处)。图2B和2C示出了出口平面116即使在中心
导管119相对于环形导管120的下游端131凹入或延伸时如何保持固定到中心导管119上。
在图2A的实施例中，喷燃器100还包括位于包含腔的壁中的腔104，其在出口平面
116上游的非零距离处且在其附近。在操作期间，腔作用为模拟剪切层中的不稳定波动，剪
切层将自由流流体和腔中包含的流体分开，从而模拟燃料和出口平面下游的氧化剂之间的
增强混合，且即使在流体流速很高(例如，接近音速、音速或甚至超音速)时也允许稳定的火
焰附着。此类稳定火焰附着已避开了之前的音速(会聚)和超音速(会聚-发散)喷嘴喷燃器，
因为在缺少如本文公开的腔时，燃料与氧化剂的混合速率更低，且火焰会吹灭或熄灭。在该
实施例中，包含腔的壁为中心导管110的外壁112。腔104包括前或上游壁107(腔104的上游
端上的壁)、底壁106和后(或下游)壁105。在该实施例中，腔104为矩形截面，且围绕中心导
管110的外壁112的整个圆周延伸。换言之，腔104为环形且一致的截面。此外，在该实施例
中，前壁107和后壁105两者垂直于流动方向101，且底壁106平行于流动方向101。
在其它实施例中，腔104可位于不同包含腔的壁中。例如，图3示出了喷燃器300的
备选实施例，其中腔204位于第一环带220的内壁218中。图4示出了喷燃器300的另一个备选
实施例，其中腔304位于第一环带320的外壁322中。
在其它实施例中，腔104可具有不同的截面形状。备选截面形状的实例在图5A至5H
中示出。在其它实施例中，腔104可具有连续的弯曲形状，其中前壁107、底壁106和后壁105
中的一个或多个不可识别地混合在一起，例如，以形成半圆形或抛物线形腔。此外，腔104可
包括围绕包含腔的壁(在该实施例中，中心导管110的外壁112)的圆周间隔开的多个腔。
图6A中示出了喷燃器400的另一个实施例。在该实施例中，腔404位于中心导管410
中(如喷燃器100中)，且会聚喷嘴434具有位于腔404上游和附近的喉部436。本领域的技术
人员将认识到，适当会聚程度连同入口与出口压力的适当比率将在喷嘴434的喉部436处导
致1马赫的出口自由流速度，其中出口自由流速度等于自由流气态介质的局部声速。确定达
成1马赫的流速的适当面积和压力比的方法是本领域中已知的(例如，见Owczarek, J. A.
的Fundamentals of Gas Dynamics, International Textbook Company, Scranton, PA,
1964，其通过引用并入本文中)。
图6B中示出了喷燃器500的又一个实施例。在该实施例中，腔504也位于中心导管
510中，且会聚-发散喷嘴537位于腔504的上游和附近。从左向右移动，中心导管510的外壁
512过渡至会聚部分538，会聚部分538的直径逐渐减小至喉部539，在该点处，会聚-发散喷
嘴537过渡至发散部分540，发散部分540逐渐地增大直径，直到到达腔504的前壁507附近的
下游端541。本领域的技术人员将认识到，适当会聚程度之后是适当发散程度连同入口与出
口压力的适当比率将导致大于1马赫的出口自由流速度，其中局部自由流速度大于自由流
气态介质的局部声速。
腔的形状和定位对于其功能很重要。图6A的喷燃器400的放大局部图在图7中提
供。如图7中所示，腔包括深度D和长度L。腔404的深度D限定为底壁406与前壁的上转角409
的前缘417之间的径向距离。腔404的长度限定为从前壁407的上转角409到后壁405的上转
角403的线性距离和从前壁407的底部转角411到后壁405的底部转角415的线性距离的平均
值。
腔404的纵横比为长度L除以深度D的比率。作为优选，腔404的纵横比为大约1到大
约10，更优选为大约1到大约6，且最优选为大约1到大约4。上文提到的优选纵横比适用于本
文所述的喷燃器的所有实施例。作为优选，腔404的深度D与腔所处的导管(即，由其中形成
腔的壁界定的导管)的液压直径的比率为至少大约0.1。与L/D比至少为大约1的偏好组合，
这意味着腔404的长度L与腔所处的导管的液压直径的比率也至少为大约0.1。
如果提供喷嘴，则腔优选位于喷嘴的下游和附近，但在中心导管410的出口平面
416的上游。在图6A和7中的实施例中，从会聚喷嘴434到腔404的距离G1限定为从喷嘴434的
下游端436(即，在会聚喷嘴434停止会聚的位置)到前壁407的上转角409的距离。在图6B中
所示的实施例中，距离G1将为从会聚-发散喷嘴537的下游端541到腔504的前壁507的顶部
转角。尽管没有对距离G1的严格限制，但优选最小化G1来避免不需要的摩擦能量损失。
类似地，腔404位于外平面416上游的非零距离处，且优选在附近。在图6A和7中所
示的实施例中，从腔404到出口平面416的距离G2限定为从腔404的后壁405的上转角403到
出口平面416的最短线性距离。在此上下文中，"附近"意味着距离G2优选小于或等于流动通
路或包含腔的导管的内液压直径的大约10倍。本领域的技术人员将认识到的是，液压直径
计算为4倍的流动通路的截面面积除以流动通路的周长。
图8和9示出了喷燃器600的另一个示例性实施例，其包括产生三个流动通路的三
个同心导管：中心导管(喷嘴)610、包绕中心导管610的第一(或内)环带620，以及包绕第一
环带620的第二(或外)环带630。中心导管610和第一环带620是如前文所述的前述实施例的
类似结构。第二环带630由外阻隔631界定，且具有第二内壁628和第二外壁632。在可有利地
用于固体燃料的稳定燃烧的该实施例中，中心导管610排出氧和气态燃料中的一者，第一环
带620排出氧和气态燃料中的另一者，且第二环带630排出在输送气体中的固体燃料。
中心导管610优选在高速下将气体、氧或气态燃料排出穿过其出口(出口平面
616)。在此上下文中，"高速"意味着优选大于或等于至少50米每秒的速度，更优选超过100
米每秒的速度，且最优选超过1马赫的速度。作为优选，流过腔604所处的导管(该实施例中，
中心导管610)的气体具有喷燃器600的所有导管610,620,630的最高速度。
在一个实施例中，中心导管610排出氧，且第一环带620排出气态燃料。在另一个实
施例中，中心导管610排出气态燃料，且第一环带620排出氧。
第二环带630排出由在输送气体中的固体燃料构成的输送气体混合物。为了易于
参照，输送气体混合物有时简称为固体燃料，将理解的是，对于作为流体流动的固体燃料，
其必须是由输送气体携带的小颗粒。输送气体可为空气、富氧空气、氧、二氧化碳、氮或另一
气体或这些气体的混合物，且作用主要为输送粉碎或颗粒固体燃料至喷燃器630且穿过喷
燃器630。第二环带630的出口处的输送气体混合物的速度(即，固体燃料速度)优选低于从
中心导管610排出的气体的速度，且在一个实施例中，优选低于50米每秒。在所示实施例中，
输送气体混合物出口与中心导管610的外平面616重合，但在其它实施例中，输送气体出口
可在中心导管出口平面的上游或下游。
优选的是，固体燃料输送穿过并不输送氧或气态燃料的导管如第二环带630。申请
人发现，从第一环带620排出固体燃料防止了氧-气态燃料流的初始共同混合和点燃，这是
执行所需的相继步骤的本质。类似地，固体燃料从中心导管610排出不允许固体燃料夹带到
燃烧的氧气体混合物中，导致可允许的距离内的较低程度的固体燃料燃烧。此外，由于假定
固体燃料速度相对较低，故由反应物形成的射流相对较弱，且不能有效地穿透竖炉的床。
离开中心导管610、第一环带620和第二环带630的气体的相对速度改善了喷燃器
600的性能。性能的附加改善可通过包括具有类似于分别如上文参照图6A,6B和7所述的喷
燃器400,500中所示的构造的腔和会聚或会聚-发散喷嘴来实现。
图10示出了喷燃器700的示例性实施例，其具有在出口平面716上游和附近的环形
腔704，以及在腔704的上游和附近的会聚喷嘴734。
在操作期间，如结合喷燃器100规定那样，氧和气态燃料分别引入中心导管710和
第一环带720中。氧与气态燃料之比优选超过气态燃料的完全燃烧所需的(即，贫燃料，氧量
大于化学计量比)。由于周围环境的热或由于专用的点火源(如高压点火器或引燃火焰)，故
氧-气态燃料混合物快速点燃，从而与过量的氧形成短的相对高速的火焰746。如图11中所
示，从中心导管710排出的气体的高速生成出口平面716下游的低压区域(位于外平面716与
线717之间)，其中较低速度的固体燃料/输送气流742被氧-气态燃料火焰744夹带。固体燃
料因此快速点燃，且在化学活性的高温火焰中与过量氧燃烧，因此达成期望的结果。
如同其它实施例，腔704可作为备选位于第一内壁718或第一外壁722上。然而，在
实施例中，优选的是，由于固体燃料沉积在腔704或侵蚀腔704的潜在可能，故腔704未位于
第二内壁728或外壁732中。
喷燃器700可用于多种炉应用。喷燃器700特别适合的一个特定应用在图12中示
出，图12示出了喷燃器800用于改善竖炉850(本领域中也称为化铁炉)的性能。竖炉850包括
竖井852，金属经由竖井852引入炉床858中，炉床858从顶部到底部从大直径部分854到减小
直径部分856成锥形。
许多竖炉(如用于金属形成铸造厂中的那些)在其炉床中使用含碳固体燃料来用
于热值和金属的化学还原两者。这些设施中的一些还试图使用一个或多个鼓风口860将固
体燃料喷射到从空气室862进入炉中的过程空气流中。这些尝试已经达到了不同程度的成
功，大部分归因于通常为大约几毫秒的可用短空浮物停留时间期间达成空气流内的喷射燃
料的快速点燃的难度。将喷燃器800(具有与喷燃器700相同的构造)置于鼓风口860中，其中
其引导到炉床858中的火焰缓解了此限制，且提供了改善的飞行中的固体燃料的点燃和燃
烧。
喷嘴压力损失测量
压力损失测量在分别图6A和6B中所示的喷燃器400,500中在等于1.0和1.5的马赫数下
进行。腔404,504的纵横比L/D从0(没有腔)变到10。出于安全原因，压缩的空气用作中心导
管410,510和第一环带420,520两者中的流体。对于马赫数1.0的测试的示例性压力损失结
果归纳在图13中，其中流速在三个不同水平保持恒定；表示为流速1、流速2和流速3。压力损
失测量使用标准压力量规进行。
各流速达到等于1.0的马赫数，但在喷燃器400,500内具有不同程度的欠膨胀。即，
在各个情况中，喷燃器400,500的出口压力高于环境压力，但不同量，但出口平面416,516处
的速度(且因此流过腔404,504)保持在1马赫下不变。对于各流速，腔压力损失(图13中的Y
轴)通过用在具有不同长度的腔的情况下测得的喷嘴入口压力减去"无腔"状态的喷嘴入口
压力来计算。如图13中所示，对于测试的三个不同流速，特征压力损失行为是一致的。在腔
的纵横比增大时，数据遵循增大的腔压力损失之后是相对恒定的压力损失的平稳段的重复
趋势。
申请人相信，重复循环代表腔流体机制和声发射行为的模式的变化。本领域中大
体上理解的是，腔的行为使得对于低值的L/D，声音干扰主要在横穿自由流流动方向的方
向，在剪切界面与腔的底壁之间以较低能量消散速率行进。然而，在L/D增大时，声模式开始
转移到形成纵向波 (即，在腔的前壁与后壁之间的流动方向的波动)的一个模型，规则的涡
旋从腔的前缘放出，且压力波从腔后壁反射到腔前壁。该第二阶段对应于较高声发射和剪
切层中的更有力的流体动态运动。由于更有力的流体引起的波动，故将预计到较高的压力
损失。L/D进一步增大最终导致涡旋增长和足够的剪切层振荡和偏转，使得剪切层冲击在腔
的底部上。该后一模式导致在腔自身内生成较高的湍流(即，不仅在剪切层界面和自由流
处)，其中腔引起的压力损失进一步增大。由于其与陡峭本体后方的尾迹流的相似性，故该
最终模式有时称为"尾迹"或"尾迹类"模式。所以，识别到了腔行为的三个较宽模式，且貌似
可信的是，这三个将以某种方式与压力损失增大和腔纵横比增大的平稳段形成的三个重复
循环相关，这将从图13中所示的结果中清楚。
为了确认申请人对声发射行为的理解，在针对穿过腔的压缩空气的冷流(即，非反
应)的系统性测试中且在规定条件下的氧天然气燃烧测试期间收集到声发射频谱。图6A和
6B的喷燃器400,500还用于分别在冷流测试期间得到的马赫数1.0和1.5的流速下的这些测
试。在燃烧测试期间，氧用于中心导管410,510中，且天然气用于第一环带420,520中。
等于1.0的马赫数的示例性结果在图14至20中呈现，其中以分贝(dB)计的声功率
水平(SPL)在一定范围的测试的纵横比(L/D)内针对频率绘出。图14示出了等于0(无腔)的
腔纵横比L/D的SPL与频率的关系。频谱较大取决于散布有在大约17.4、32.1和34.8kHz下共
振的三个不同的窄带音的宽带发射(即，"白噪音")。在无腔时，这些不同音发射的可能的源
为这些测试期间发生的喷嘴出口压力与环境压力之间失配引起的喷嘴出口平面下游的冲
击单元的形成。
图15中呈现了L/D=0.5和1.0的SPL-频率数据。图15示出了归因于腔干扰的若干附
加低能(即，很窄)离散音的存在。相对于频谱的宽带部分，与图14的比较揭示了达到标称
35kHz的频率，其大部分相同。然而，超过该频率，将注意的是，L/D=1.0数据指出宽带噪音中
的增大，表明细级别的湍流消散的增大，这大概归因于声波生成的开始。
图16中呈现了L/D=1.5、2和2.5的SPL-频率数据。相比于图15，图16示出了下面的
宽带发射的大小的增大。除此之外，对于L/D=2，较大长度的许多附加的离散音(即，如从其
相对于图15中尖锐但大部分较窄的峰增大宽度推断出)。该后一特征表明共振谐波模式已
经针对L/D等于2的情况触发。
图17的L/D=3、3.5和4的SPL-频率数据揭示了持续较强的宽带发射，但离散音的强
度和数目减少。在覆盖L/D等于5,6和7的图18中，除12kHz处的隔离的离散音峰值外，信号基
本上仅为宽带噪音，具有低于23kHz的一些下面的低幅起伏，其可表明多个离散频率发射的
进行的发生和消散。最后，在图19中，对于L/D=8,9和10，除17kHz处的持续不同的音之外，行
为几乎完全由宽带噪音支配，表示细等级的湍流消散的优势。在此方面表示了如图20中提
供的分解视图中的L/D等于0(无腔)和L/D等于10的信号的比较。观察到的是，标称的17kHz
的音存在于两种情况中，但其峰值对于L/D=10而缓冲，大概归因于湍流消散的较高速率。此
外，宽带发射的总体大小显著高于L/D=10的情况，特别是在图的较高频率范围内，这将在与
此情况相关联的增大的消散和压力损失中预计到。
声频谱发射在以氧和天然气(流过内仓室中的腔的氧)的燃烧测试期间针对这些
相同喷燃器400,500测试，且与特定状态下的非反应流测试数据相比较。这些在图21和22中
分别针对L/D等于2和L/D等于5的频谱图中归纳，其代表遇到的燃烧驱动的声发射的两个类
别。即，燃烧发射的一个类别针对产生较强的音峰值的腔/喷嘴组合观察到，而另一个针对
产生较弱音峰值的那些观察到。图21针对为2的L/D示出了除了大约5.3、10.8和21.6kHz下
的明显的突破音分开，燃烧频谱如何在大约4kHz下达到峰值且基本上随后减小。后两个峰
值很接近11.2和22.6kHz下的非反应峰值。当非反应流数据对于空气与氧之间的音速差
(即，归因于分子量的差异)校正时，这些峰值对于冷流和反应流情况几乎相同地排列。
还注意的是，不存在与较高频率的冷流离散音发射相关联的燃烧发射峰值；例如，
标称为31和34kHz的那些。这表明燃烧反应用作低通滤波器的类型，允许低于大约27kHz的
足够强度的不同音通过，但抑制更高频率下的声发射。对于为5的L/D，图22为其它类别的发
射的图示。在此图中，尽管燃烧频谱又在大约4kHz下达到峰值，且抑制低于27kHz的发射，但
没有"突破"冷流音，即使在11.9kHz处存在明显的冷流离散音发射。然而，该音明显缺少所
需强度来影响燃烧声标记。
火焰稳定性测量
本领域中已知的是，高速扩散焰本身难以稳定，且对于给定的燃料/氧化剂燃烧，稳定
性极强地由出口平面正上游的区域中的燃料和氧化剂的混合模式影响。火焰稳定性在这里
由火焰抵抗熄灭的能力来判断。系统性的火焰稳定性测试使用图6A和6B的喷燃器400,500
和用于燃烧声发射测试的流体(即，数据在图21和22中呈现的那些)来进行。测试通过首先
以引燃火焰点燃喷燃器，然后逐渐增大氧化剂流直到达到熄灭点来进行。结果在图23中归
纳，图23示出了使用具有会聚末梢和会聚-发散末梢的喷嘴的三个不同测试组的相对氧流
速与腔纵横比的关系。灵敏的麦克风和信号处理器用于测量远场声频谱发射。
若干特征在该图中指出。首先，存在"无腔"状态与峰值稳定点之间的稳定性"极
限"(即，发生吹灭时的氧流速)的急剧增大，这表明剪切层的腔促动的干扰显著地改善火焰
稳定性。其次，所有测试系列的火焰稳定性的峰值在2.0的纵横比下发生。最后，较大纵横比
的腔的火焰稳定性的降低相比于无腔与峰值稳定性吹灭极限之间的较陡的增大，相当缓慢
地发生。
基于申请人对潜在过程的认知，从测试数据推断出：i)声发射实际上经历特征模
式转变，其较大地取决于腔的纵横比，且这些转变反映自由流体与腔中包含的流体之间的
相互作用的基本变化；ii)有可能大致控制这些相互作用来改善高速氧/气体扩散焰的稳定
性；以及iii)稳定高速氧/气体扩散焰提供快速加速、点燃和燃烧固体燃料的高效手段，而
没有现有技术的装置之前经历的问题和限制。
数据较强地表明从横波模式到纵向模式的过渡的开始发出开始改善燃烧火焰稳
定性的信号，且这在大于1的纵横比L/D中发生。在纵横比进一步增大时，波的行为变得由纵
波支配，且最终过渡至尾迹状模式，其中剪切层冲击腔底板，且腔流变为高度湍流的。所有
这些随后的模式转变(即，在从横波到纵波支配的初始一个模式之后)保持关于L/D≤1的情
况(包括无腔，L/D=0)的一些改善的火焰稳定性。
实际上以及纵横比L/D＞10将继续提供火焰稳定性的这样加强。然而，对于L/D＞
10，预计声模式中没有进一步的系统性转变。但是，将预计到腔压力由于增大的腔长度而继
续增大。因此，将本发明的喷燃器的纵横比的范围延伸到显著高于L/D=10似乎没有利益。此
外，由于增强的火焰稳定性在模式转变至尾迹状模式(L/D＞6)之前达到，且具有略低的腔
压力损失，故优选的腔纵横比范围是1＜L/D≤6。最后，由于最佳的火焰稳定性以甚至更低
的腔压力损失在横波和纵波支配之间的模式转变的较早阶段中发生，故纵横比的高度优选
的范围是1＜L/D≤4。
因此，按照其优选实施例和备选实施例公开了本发明。当然，来自本发明的教导内
容的各种改变、改型和变化可由本领域的技术人员构想出，而不脱离其预期精神和范围。期
望本发明仅由所附权利要求的项目限制。