推进动力系统燃烧不稳定性产生的机理、预测及控制方法

在不稳定热释放和声波相互耦合作用下而产生的燃烧不稳定现象,表现为振荡燃烧的形式,常发生于火箭发动机、航空发动机加力燃烧室以及地面燃气轮机等装置当中,会对结构引起很严重的破坏。本文总结了当前关于燃烧不稳定问题的机理以及控制方法的研究进展。目前来看,关于燃烧不稳定的机理研究方面,包含实验研究以及数值方法研究。实验方面,有rijketube热声不稳定实验,还有模拟真实燃烧室环境的燃烧实验。数值方面的工作,包括线化的热声不稳定模型,以及对火焰进行描述的解析模型和大涡模拟等方面的工作。同时,人们尝试了各种抑制不稳定的方法。控制方法包含两大类,即:主动控制方法以及被动控制方法。主动控制方法在理论研究方面取得了重大成果,然而,由于其实现上需要复杂响应系统、执行机构,因此,距离实际工程应用还很遥远。而被动控制方法,例如,亥姆赫兹共振腔,以及穿孔板等装置,在工程上得到了很好的应用。     

双局域共振效应声学超材料消声性能

为了有效控制低频宽带噪声,提出了一种基于亥姆霍兹共振器的双局域共振效应声学超材料。声学超材料将亥姆霍兹共振效应与弹簧质量共振效应结合,通过驱动电压控制薄膜变形,实现两个系统的共振频率同时发生变化。在建立系统数学模型的基础上,计算得到亥姆霍茨共振系统固有频率为4141 Hz,柔性薄膜系统固有频率为2868 Hz,与柔性薄膜的共振频率理论计算偏差为44%,与亥姆霍兹共振腔的共振频率理论计算偏差为097%。利用COMSOL软件的声固耦合物理场研究了声学超材料的声学性能,采用双负载法对声学超材料进行测试。结果表明:该声学超材料在低频范围内有良好的噪声控制效果,产生两个传递损失峰值,形成了双局域共振效应,可以同时对两个频率范围内的噪声进行控制。当驱动电压从0 V增加至350 V时,弹簧质量系统传递损失峰值频率从30 Hz偏移到110 Hz,变化率为228%,可以实现噪声的自适应控制,为声学超材料主动控制及优化提供一种方法。     

亥姆霍兹共振器对热声不稳定极限环的预测

验证亥姆霍兹法求解亥姆霍兹共振器对热声极限环影响的可靠性,实验在Rijke管上进行。采用耦合非线性热释放率模型、实测阻尼率及共振器阻抗模型的亥姆霍兹法求解耦合共振器前后热声极限环特性。其中共振器阻抗模型采用阻抗管修正。结果表明:修正的阻抗模型可有效模拟不同背腔流量下共振器反射率幅值和相位。背腔流量增加,共振器阻抗增加。未加共振器,85 V加热电压模拟的极限环频率和速度振幅相对误差为3.4%和7.2%。耦合共振器,低背腔流量,预测的极限环频率和速度振幅相对误差为3.7%和6.2%。背腔流量越大,共振器接口涡脱落增强,减振效果增强,但采用忽略流动的亥姆霍兹法模拟精度降低。共振器安装位置离波腹越近,减振效果越好。      

突扩燃烧室低频燃烧不稳定控制方法

为实现对突扩燃烧室低频燃烧不稳定的高效控制,采用实验手段和数值模拟开展了低频燃烧不稳定的控制方法研究。开展了燃料脉冲喷射开环主动控制实验研究,发现燃料脉冲喷射所形成的周期性放热是抑制压强振动的主要原因。这种周期性放热与压强振动反相时会明显削弱压强振荡幅度,所以喷射相位角是影响控制效果的主要因素。对空气喷射控制方式进行了大涡模拟,这种方式能够比较有效地干扰突扩面上大尺度旋涡的形成,起到较好的抑制效果。对燃烧室突扩构型进行改进,开展了被动控制的数值模拟,通过采用台阶突扩面的被动控制方式指出了破坏大尺度旋涡的形成和切断振动能量的正反馈机制是实现燃烧不稳定被动控制的主要途径。     

基于声学特征信号提取的燃烧不稳定性试验研究

为研究航空发动机燃烧不稳定时的声学特征,对发动机燃烧室进行了燃烧不稳定状态下的声学测试试验。测试结果表明,燃烧不稳定现象发生时会伴随着明显的离散单音声学特征信号出现。采用特征频率信号加强的奇异值分解法对离散单音声学特征信号进行提取及分析,得出该型发动机燃烧室不稳定燃烧时的声源位置位于火焰筒内的火焰区域,声波传播为纵向传播,声模态为一阶纵向模态。可为今后航空发动机燃烧不稳定性研究提供参考。     

出口封闭的冲压发动机进气道激波振荡现象

采用计算流体力学和风洞试验两种手段,对冲压发动机出口封闭的多种超声速进气道内通道气流振荡现象进行了研究。结果表明,在一定的超声速范围内,封闭的进气道内通道发生了较强气流振荡现象,振荡频率、幅值和内通道长度、飞行马赫数有关,该振荡现象是一种自激振荡现象。利用亥姆霍兹共振器频率公式可以对封闭的进气道内通道振荡频率进行预估,并对其归纳出一种修正方法,可以结合模型试验结果对进气道和燃烧室内流振荡频率和幅值进行分析,为飞行试验提供预估和参考。     

脉冲放电等离子体控制火箭发动机高频燃烧不稳定性机理

为研究等离子体对火箭发动机高频燃烧不稳定性的影响,提出了一种基于脉冲激励准直流放电等离子体的控制方案,采用数值仿真方法研究了脉冲放电等离子体对燃烧室流场平均参数及动态特征的影响规律。结果表明:脉冲激励下燃烧室平均温度和压力都较定常激励下有所降低,对整个燃烧室的影响可以忽略。与定常激励相似,等离子体可以在一段时间内抑制高频压力振荡,而且在特定控制参数下其对不稳定燃烧的抑制效果优于定常激励方式;从功率谱密度分析可知脉冲激励下燃烧室压力振荡特征频率由燃烧室固有声学频率和脉冲激励频率两者共同决定,提高激励频率则特征频率幅值有所降低。脉冲激励方式与定常激励一样不改变燃烧室压力-释热耦合特征,但是通过降低释热率能够改变压力振荡幅值,进而实现对高频不稳定燃烧的抑制。在所研究工况中,激励频率为50 kHz、占空比为20%的脉冲控制参数下等离子体的抑制效果最佳。      

环形燃烧室壁温对热声不稳定性影响的实验研究

为了研究壁温效应对热声振荡的影响,本文基于环形燃烧室/涡轮耦合实验平台,在当量比Φ=0.82和燃烧功率P=15.5 kW的工况参数下开展了实验研究。相比于独立环形燃烧室实验,本文所引入的涡轮导叶出口组件,使得燃烧室跟发动机实际工况出口匹配情况更接近,具有更一致的热声环境和热容效应。实验发现,在壁温升高过程中伴随着不同类型热声不稳定模式间的切换以及振荡频率、幅值等参数的演变。进一步选取了6个典型状态点,结合基于火焰图像序列的动态模态分解,对比光电倍增管信号和不同方位角的声压信号,分析了各个状态点的火焰动力学和声学响应特征。实验结果表明,在固定功率和当量比工况下,受燃烧室壁面热平衡状态的影响,热声不稳定模式先后经历了由亥姆霍兹模式、1/4波纵向模式、周向混合模式和旋转模式所主导的过程。在出现周向模式的初期,其表现为旋转率呈现肥尾分布的驻波旋-转混合模式,而后期演变为旋转率的分布相对集中的逆时针方向旋转模式。     

异形腔体压电声衬声学性能

为提高压电声衬对低频噪声的抑制范围,对声衬腔体进行结构优化。利用平面波理论构建了两种曲线管道的声学物理模型,并分别建立了两种模型的传递矩阵,以此作为异形腔体亥姆霍兹共振器传递损失计算的理论依据,并通过仿真验证其正确性。结合压电振子的形变对声衬进行有限元仿真分析,结果表明:在压电振子施加500V驱动电压时,两种声衬频率偏移量分别为115Hz和120Hz。与圆柱形腔体声衬进行对比结果表明:在相同腔体厚度范围内,由曲率越大的曲线所生成的腔体,在相同驱动电压条件下,频率变化率越高,这为今后对声衬腔体结构优化提供一种有效的依据。      

突扩燃烧室低频燃烧不稳定形成机理分析

突扩燃烧室在一定的工作条件下会出现燃烧不稳定现象。采用实验和数值模拟的方法对突扩燃烧室形成低频燃烧不稳定的机理进行了研究。通过实验研究发现突扩燃烧室压强振动过程中纵向振型占主导地位,但其振动频率并不与声学频率一致。建立了适合分析燃烧不稳定的多步化学反应动力学与大涡模拟耦合的数值分析方法,对实验发动机开展了非稳态数值模拟,获得了低频燃烧不稳定形成演化的详细过程和流场结构。实验和数值计算表明突扩截面形成的旋涡脱落,以及旋涡在燃烧室内的运动过程中引起燃烧面积、局部当量比和热释放率的脉动是激发低频压强振动的主要原因。压强振动引起上游速度脉动,进而形成旋涡脱落。大尺度旋涡在燃烧室内的运动又会引起热释放率的大幅度脉动,反过来又会促进压强振动。振动频率是由压强波和旋涡运动特征时间共同决定的。     

Experimental of combustion instability in NTO/MMH impinging combustion chambers

This paper presents an experimental study into dynamics of chamber pressure and heat release rate during self-excited spinning and standing azimuthal mode in NTO/MMH (nitrogen tetroxide/monomethylhydrazine) impinging combustion chambers. Nine cases including two combustion chamber configurations were conducted. The operating conditions of all unstable cases were located in the instability region according to Hewitt empirical correlation. The results show that chamber pressure oscillations keep pace with the corresponding OH* chemiluminescence intensity over the whole combustion region in the spinning and standing modes. It is indicated that the Rayleigh index is positive over the whole combustion area in all the unstable cases. A significant supersonic flame front structure of the first-order spinning mode was found in a cylindrical chamber, which means that a detonation wave could exist in the cylindrical chamber without a center body. The pressure and heat release rate oscillations at the pressure node are nonnegligible although their amplitudes are lower than those at the pressure antinode in the first-order standing mode with an annular chamber. Besides, the dominant frequency of pressure and heat release rate oscillations at the pressure node is twice as high as that at the pressure antinode.     

模型燃烧室中值班火焰稳定器的燃烧不稳定性研究

针对值班火焰的燃烧不稳定性问题，通过试验得到了不同当量比工况下的火焰结构、压力脉动信号和热释放脉动信号。对脉动信号进行傅立叶分析，获得了脉动信号的频率和振幅。结果表明，随着当量比增加，火焰形态发生变化，燃烧室内发生了164Hz三阶模态向109Hz二阶模态的转换。对火焰平均结构、火焰瞬态结构和火焰正交分解（POD）结果进行分析后发现，漩涡脱落频率和燃烧室某一阶声学模态耦合是维持燃烧不稳定性的机理，耦合的强弱和漩涡脱落的尺度大小决定了热声振荡的振幅大小，火焰形态的变化导致热释放中心位置的变化是引起模态转换的机理。     

受限空间内激波与火焰作用的三维计算

激波与火焰的相互作用常发生在超声速燃烧和燃烧转爆轰过程中,为深入了解这一现象,采用带化学反应的三维Navier-Stokes方程,对平面入射激波及其反射激波与火焰的作用进行了计算研究,其中燃烧过程使用单步反应模型描述。研究结果显示:在受限空间内模拟激波与火焰作用,能更好地符合实验结果,从而体现出受限空间的三维效应;火焰在入射激波的作用下主要经Richtmyer-Meshkov不稳定而发生变形,此时火焰变形以物理作用为主,燃烧膨胀效果相对不明显;当反射激波与变形火焰再次作用后,火焰迅速膨胀变形,放热率维持在较高水平,此时化学反应过程起主要作用;在反射激波的作用下,变形火焰复杂三维涡结构的形成能强化热量与质量的输送,提高燃烧速率。     

贫燃预混旋流火焰热声特性研究

以贫燃预混旋流模型燃烧室为研究对象,以当量比为变化参数,从不稳定振荡频率、脉动压力幅值和分布、热释放响应特性等方面分析,研究了燃烧不稳定性从开始到极限环的非线性演化过程.利用低阶热声网络模型加以数值模拟验证.结果表明:脉动压力方均根、热释放响应会随着当量比的增大而呈现典型的非线性激发过程,火焰结构在发展过程中发生明显的变化.计算分析结果表明当量比低于0.7时计算结果与实验结果频率误差小于1%,而在当量比大于0.7时,计算结果与实验结果频率误差为13%.      

Combustion instability of pilot flame in a pilot bluff body stabilized combustor

Combustion instability of pilot flame has been investigated in a model pilot bluff body stabilized combustor by running the pilot flame only. The primary objectives are to investigate the pilot flame dynamics and to provide bases for the study of the interaction mechanisms between the pilot flame and the main flame. Dynamic pressures are measured by dynamic pressure transducers. A high speed camera with CH*bandpass filter is used to capture the pilot flame dynamics. The proper orthogonal decomposition(POD) is used to further analyze the high speed images. With the increase of the pilot fuel mass flow rate, the pilot flame changes from stable to unstable state gradually. The combustion instability frequency is 136 Hz when the pilot flame is unstable. Numerical simulation results show that the equivalence ratios in both the shear layer and the recirculation zone increase as the pilot fuel mass flow rate increases. The mechanism of the instability of the pilot flame can be attributed to the coupling between the second order acoustic mode and the unsteady heat release due to symmetric vortex shedding. These results illustrate that the pilot fuel mass flow rate has significant influences on the dynamic stability of the pilot flame.     

基于火焰面波动机理的热释放模型理论推导及其模态分析

针对一个中心体稳定的燃烧室通过G方程的方法推导建立了火焰面波动与声波速度波动之间的耦合关系,并进而得到了燃烧热释放模型的数学函数.推导过程中考虑了燃烧膨胀效应对火焰面运动的影响,弥补了前人研究中忽略了燃烧膨胀效应的不足.该函数表明在几何结构和燃料成分等参数保持不变的情况下,湍流燃烧速度是影响热声振荡的关键参数,能够同时强烈的影响燃烧热释放模型的振幅和相位,当量比和入口空气温度等参数是通过改变湍流燃烧速度最终影响了热声振荡现象;而只有当燃烧火焰传播速度相对较大时,密度膨胀比才会对热释放幅值产生影响,并且会对热释放的相位产生影响,从而指出了各参数影响热声振荡的具体途径和相对大小.通过将推导的燃烧热释放波动模型与模态分析方法相结合,系统连续地分析了压力振幅增长率、固有频率和声压模态等重要的热声振荡特性参数随着当量比和入口空气温度的变化关系,从而得到了热声振荡稳定区间和非稳定的区间的云图.对理解和控制热声振荡现象具有重要的实际指导意义.      

自燃推进剂火箭发动机燃烧不稳定性研究

发展了自燃推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）火箭发动机燃烧不稳定性的综合分析模型。以蒸发作为燃烧速率控制过程,研究了燃烧不稳定性的机理,提出了轴向声腔模型并对其抑制不稳定燃烧的特性进行了数值模拟研究,得到了声槽特性频率驿燃烧不稳定性的影响规律,描绘出声腔影响燃烧不稳定性的具体场景,数值模拟结果与理论分析及试车结果是相符的,对轴向声槽的分析设计将具有广泛的指导意义。     

不同当量比下氢气体积分数对甲烷-氢混合气预混火焰燃烧不稳定性的影响

在可调振幅的正弦波声场作用下,以甲烷-氢混合气预混钝体火焰为实验对象,通过火焰传递函数表征整个燃烧系统的燃烧不稳定性特征,借助CH基自发荧光图像描述火焰锋面运动及演化过程,研究了在声激励下不同当量比（0.8、1.0、1.2）下氢气体积分数的变化（0、10%、20%）对火焰燃烧不稳定的影响。结果表明: 对于当量比为0.8和1.0的预混火焰,氢气的加入使得火焰传递函数幅值增大,热释放波动变大,整体火焰的不稳定性增强;对于当量比为1.2的富燃预混火焰,随着氢气体积分数的增加,火焰传递函数幅值先减小后增加,火焰稳定性较强。      

A Passive Method to Control Combustion Instabilities with Perforated Liner

 The effectiveness of perforated liner with bias flow on the control of combustion instability is investigated. Combustion in-stabilities result from the coupling between acoustic waves and unsteady combustion heat release. Sometimes the phenomenon happens in afterburners of aeroengine and rocket engine, and it always causes damage to flame holders, liner sections and other engine components. Passive methods, such as perforated liner, are often used to suppress such instabilities in application. In this article, first, a burner testbed is built in order to study the characteristic of this phenomenon. The unstable frequencies and unstable area are investigated experimentally. Then an analytical model, based on “transfer element method”, is developed and the numerical results are compared with those from experiments. At last the perforated liner is applied to the burner to sup-press the instabilities. The results show that the sound pressure can be greatly reduced by the perforated liner.