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。      

热声耦合振荡燃烧的实验研究与分析

热声耦合振荡是在推进系统工作中经常遇到的危害系统工作及安全的现象。它是由非稳定燃烧放热和压力脉动互相耦合产生的系统振荡过程。通过对天然气预混燃烧过程中的热声耦合振荡现象进行了实验研究,分析了不同当量比、热负荷和进出口边界条件下天然气燃烧的动态过程,分析其稳定范围及振荡模态随影响因素的变化规律。结果显示振荡频率随着当量比的减小有所增加,但是没有发生模态变化。在常压条件、接近贫燃熄火极限时,热声耦合振荡现象消失,压力脉动频率跃升至500 Hz或1000 Hz附近的高频。燃烧室出口越接近阻塞条件,燃烧过程的稳定范围越小。同时入口边界位置越接近燃烧段,压力脉动频率越高。热功率变化也会对脉动频率和声压级数值产生影响。另外还采用线性扰动分析方法对天然气燃烧动态过程进行理论分析,进一步研究了不同条件下旋流预混燃烧的热声耦合振荡模态。     

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。     

燃烧室中的非线性声波

采用计算流体力学（CFD）方法对燃烧室一维冷流和两维燃烧过程进行了数值仿真，着重研究了温度、密度、熵等变量的脉动与压力脉动的区别，以及喷射过程与声学振型的耦合，结果表明，压力和速度主要表现声特征，温度和密度部分表现声特征，部分表现流特征，而熵则只表现流特征，对于化学反应过程激发的燃烧振荡，最容易受到激发的振型是压力波腹与化学反应分布相关最强的振型。     

基于描述函数的燃烧振荡建模与仿真

针对贫预混燃烧在燃气轮机燃烧室中的燃烧振荡问题进行主动控制技术研究，一般需依赖于较为准确的火焰动力学模型，但是通过仿真或者试验测量得到完整、准确的非线性火焰动力学响应特性都存在较大的困难。针对该问题，本文基于声学分析，结合非线性建模方法的应用，提出了一种基于描述函数的热声耦合系统分析方法，既能够体现火焰非线性动力学过程的影响，又便于实验测量与系统辨识。本文针对旋流预混燃烧室的热声耦合特性进行了实验测量，通过系统辨识得到热声耦合系统的描述函数模型，在此基础上开展热声耦合系统时域仿真分析。实验测量结果表明，包含火焰动力学过程的声波传播过程具有较强的非线性特征，并且在一定频率范围内描述函数的幅值和相位随扰动量幅值变化规律体现出较一致的规律；仿真分析结果证明了辨识得到的描述函数可以对燃烧室中的热声耦合形成过程和极限环振荡特征进行描述。     

部分预混燃烧室热声不稳定及火焰结构实验分析

为探明旋流部分预混燃烧室热声不稳定特性及其与火焰结构关系，进行了自激热声实验。采用重构相图解析压力脉动、采用瑞利指数表征其与热释放率脉动关系、采用本征正交分解获得火焰相干结构。结果表明:随当量比增加，压力脉动呈现低振幅脉动、间歇振荡、极限环振荡和低振幅脉动，脉动频率受腔体1阶纯声学模态（特征频率约80.8 Hz）控制。未发生振荡，瑞利指数维持在零值；热声不稳定时，瑞利指数在零值以上。本征正交分解表明，极限环振荡，前2阶模态（模态能量占比55%以上）火焰分布沿纵向发生变明和变暗交替变化，由连续涡脱落导致，且模态时间系数频率83.2 Hz与压力脉动频率83.3 Hz一致；低当量比，模态无明显空间分布规律；间歇振荡，主导模态为火焰轴对称热释放率变化；高当量比，火焰仅外边缘沿纵向发生大尺度脉动。      

中心分级旋流燃烧室不稳定燃烧动态压力信号特征分析

针对中心分级旋流模型燃烧室中出现的不稳定燃烧特征进行试验研究，在常压试验中同步采集了不同工况下燃烧室动态压力脉动信号、释热率脉动信号和高速火焰图像信号。通过经验模态分解（EMD）对压力脉动信号进行分析，发现脉动特征主要集中在前3阶本征模态（IMF）中。这些IMF通过快速傅里叶变换（FFT）进行主频分析后发现分别与释热率脉动、气流旋流脉动和火焰不稳定脉动特征频谱吻合。进而可以判断通过EMD可以从单一燃烧室压力脉动信号中分解出3个主要物理过程的脉动特征，为进一步分析工程级燃烧室试验中振荡燃烧的诱发机制和燃烧诊断提供了数据处理方法。     

航空发动机燃烧室工作稳定性研究

概述了影响航空发动机燃烧室工作稳定性的主要因素,简明综述了近20年来发达国家在燃烧室不稳定性方面所开展的研究工作。分析表明,火焰稳定基本性能,特别是贫油熄火的试验和模拟深化了燃烧稳定性的研究;声耦合效应能造成燃烧不稳定;低于慢车或慢车运行均表现出动态不稳定性;速度、压力、释热率的脉动均能造成燃烧的声不稳定。运用反应动力学理论和CFD技术能定量地模拟燃烧的不稳定性。     

自激振荡预混燃烧的实验

通过动态压力测量、化学自发荧光相同步测量的方法对自激振荡燃烧动力学过程进行了实验研究,分析了不同空气流量、化学当量比和边界条件对振荡燃烧过程的影响.实验结果显示,燃烧热负荷的提高会导致燃烧段压力脉动幅值的提高,使燃烧更加不稳定.化学当量比越接近熄火极限,压力脉动的频率越高.同时燃烧室进出口边界条件的改变也会对振荡频率产生影响.     

中心突扩燃烧室压强振荡试验研究

对两种结构中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的压强振荡问题进行了气体冷流试验。试验结果表明,随入口速度的增大,压强整体脉动幅值也逐渐增大,脉动主频也有增大的趋势,但不是严格随入口速度的增大而增大。在速度比较低的情况下,单一主频的振荡起主要作用,振荡幅值随速度的增大而增大,当振幅增加到一定值时,该主频的振荡趋于饱和,而次频振荡的作用逐渐增大。对于同一人口速度,燃烧室不同位置,压强脉动的幅值不同,进气道流场的压强脉动幅值最大,而回流区流场的压强脉动幅值最小。