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。     

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。     

航空发动机燃烧室热声不稳定的预设性能控制

为降低航空发动机燃烧室NOx的排放量，贫油预混的燃烧模式被广泛采用，但这将导致燃烧不稳定现象更加频繁地发生。航空发动机燃烧不稳定的能量来自于推进剂的燃烧，热声不稳定是其最主要的一种形式。为抑制热声不稳定现象，首先，在Culick模型的基础上，加入火焰燃烧响应对系统的影响，推导出含状态时滞的热声不稳定的数学模型；其次，基于此模型探究了从燃料喷射到燃烧释放热量的对流时间对热声系统稳定性的影响；然后，设计了预设性能反步主动控制方法，并求解得到在保证系统预设性能的前提下该对流时间的上界；最后，从理论分析和仿真结果两方面都验证了该主动控制方法可使热声不稳定系统的压力振荡渐近收敛，其动态满足预先设定的性能，且具有时滞鲁棒性。     

某固体火箭发动机工作末期不稳定燃烧

针对某固体火箭发动机工作末期出现的压力振荡现象开展了数值研究与线性预估.通过有限元方法得到了燃烧室空腔的声模态及固有声振频率,轴向1阶与2阶声振频率随燃面退移先减小后增大;利用大涡模拟方法分析了燃烧室内的流场特性及压力振荡特性,振荡频率与试验结果一致,判定该发动机出现了以轴向1阶声振频率为主导的不稳定燃烧;其次分析了发动机内阻尼特性,其阻尼随燃面退移不断减小;最后通过不稳定燃烧线性理论解释了该发动机工作末期出现压力振荡的机理,表明燃面退移过程中喉通比下降是导致发动机由线性稳定转向线性不稳定状态的关键因素.      

同轴突扩燃烧室低频不稳定燃烧数值模拟

采用大涡模拟耦合预混燃烧方法,建立了液体冲压发动机不稳定燃烧计算模型。对模型发动机进行了不稳定燃烧数值研究,计算得到的发动机内压强振荡和火焰传播过程与文献中的实验数据吻合较好。结果分析表明,突扩构形发动机内大尺度的旋涡结构支配了燃烧室中的火焰传播过程,旋涡运动耦合非稳态的燃烧热释放是激发燃烧室低频压强振荡的重要原因。     

单扇区、扇形、全环燃烧室热声不稳定性试验和模拟研究

贫油分级燃烧室在单扇区、扇形、全环燃烧室试验台上均会发生自激周期性燃烧不稳定现象,但振荡模态和频率存在差异。为研究这一差异并建立三者之间的联系,同时验证热声不稳定性模拟方法,对三种试验台的燃烧不稳定性进行了试验和数值模拟研究,获得了不同试验台的振荡特性,并对数值模拟和试验结果进行了对比。结果表明:全环燃烧室存在两个失稳模态,扇形燃烧室只存在一个失稳模态,单扇区燃烧室也只存在一个失稳模态;单扇区、扇形燃烧室可以反映全环燃烧室中其中一个失稳模态,而无法反映全环燃烧室的另外一个失稳模态;三维有限元热声模拟方法准确预测了三种不同试验台的燃烧稳定性,预测的无量纲失稳频率与试验结果一致,误差在2%以内。      

冲压发动机燃烧室内低频燃烧不稳定试验

在高空亚燃冲压发动机研究中,燃烧不稳定是一个突出问题.为解决30km,Ma =4亚燃冲压发动机直连式试验中所出现的低频燃烧不稳定问题,分析了燃烧室的声学特性,得出了燃烧不稳定的主要特征是燃烧放热与一阶纵向声振模态相藕合.采取在燃烧室内增加后向台阶形成凹腔的方法,成功得到了较为稳定的燃烧.     

加力燃烧室热声振荡纵向传播特性及控制

建立了管道声传播与不稳定热释放耦合的热声振荡理论模型,并用来对复杂的航空发动机加力燃烧室中的纵向传播的振荡特征频率及稳定性进行分析和预测.利用二维定常计算流体动力学(CFD)模拟结果获得流动平均参数,在此基础上讨论了加力燃烧室内热释放位置、隔热屏穿孔率等结构的变化对热声振荡特性的影响,表明该模型能够方便地应用于对加力燃烧室热声振荡影响因素的研究并揭示某些控制规律.      

固体火箭发动机不稳定燃烧研究进展

对固体火箭发动机不稳定燃烧的国内外研究现状和进展进行了详细综述.分别从物理概念、理论预估模型、实验研究、数值模拟等方面出发,论述了不稳定燃烧研究过程中的难点和一些经验教训.提出了应加强流场与声场能量交换、铝粉综合作用等机理的理论研究;开展分布燃烧、脉冲触发不稳定燃烧的实验研究;进一步开发稳定性预估软件等观点,为国内固体火箭发动机在该领域的研究提供参考.      

航空发动机燃烧不稳定性预测及控制研究进展

燃烧不稳定性问题广泛出现在各类航空发动机燃烧室内，该问题是火焰非定常热释放和声波充分耦合的结果，发生时伴随着大幅度的压力脉动，严重威胁发动机的稳定工作及结构安全。目前，包括中国在内的各航空发动机研制国家在多数发动机型号的研制过程中，均遇到了严重的燃烧不稳定性问题，且发动机越先进，该问题越复杂且难以解决。在深入认识其发生机理的基础上，对其进行准确预测并设计有效的控制手段，对航空发动机的研制具有重要意义。系统阐述了该问题的研究现状，介绍了燃烧不稳定性问题发生关键，即军用的钝体燃烧加力燃烧室和民用的贫油预混环形燃烧室的非定常流动及火焰响应特征。综述了该问题研究常用的燃烧不稳定性声网络预测分析模型，重点报告了为了耦合考虑燃烧室声软壁面被动控制设计，团队所发展的三维燃烧不稳定性预测控制模型。基于该模型，介绍了壁面声衬参数及布局对燃烧不稳定模态控制效果影响的研究进展，为先进发动机燃烧不稳定性的排故提供技术储备。     

贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性的实验

实验研究了常温常压条件下贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性.结果表明:不稳定燃烧时,火焰结构发生显著变化,呈现大尺度运动的特点.燃烧室所发生的燃烧不稳定性是纵向自激式振荡,是燃烧室与预混段之间的耦合,振荡频率由整个系统决定.随着当量比的提高,燃烧经历了由稳定到不稳定,并达到有限循环脉动的过程.流动脉动和火焰的相互作用,是激发和维持振荡的主要原因,需要深入研究不稳定燃烧性产生和得以维持的机理.      

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.     

Wake vortex characteristics of transport aircraft

The flow and flight physics of wake vortex systems has been intensively investigated concentrating on a large variety of aspects. This paper gives a brief overview on past and present wake vortex research activities such as early studies, integrated programs, model and flight tests, numerical investigations, fundamental physical aspects and alleviation strategies. Then, detailed results of the properties of the wake near field and extended near field are presented addressing typical length and time scales and especially turbulence quantities. Progressing from the near field to the far field wake instability mechanisms are explained along with their relevance for wake vortex decay. Characteristic quantities are given for the short and long wave instabilities associated with vortex merging and wakes consisting of two and four trailing vortices. A non-dimensional frequency parameter is introduced to classify the main instability types. Means for wake vortex alleviation are described aimed at influencing the wake vortex turbulence field or triggering and amplifying the inherent instabilities. The methods discussed include passive means such as the effects of spoilers, differential flap setting and four-vortex systems and active means using oscillating flaps or auxiliary devices.     

限制域形状对分层火焰和燃烧不稳定性的影响

本文在中心分级燃烧室中研究限制域形状对火焰结构及燃烧不稳定性的影响。实验过程中,使用带有CH*滤镜的相机拍摄火焰图像,使用动态压力传感器测量压力脉动。结果表明,突扩限制域和斜坡限制域中的时均火焰结构相似。但突扩限制域中的火焰动态结构呈现出周期性变化,并伴随着压力振荡。而斜坡限制域中的火焰动态结构基本不变,且压力脉动接近于零,主要原因是斜坡限制域中的旋涡脱落过程受限,旋涡与火焰的相互作用被大幅削弱。通过改变主燃级通道流速调节延迟时间,发现突扩限制域中会出现压力振幅的周期性变化,而斜坡限制域中始终保持稳定燃烧。本文的研究表明使用斜坡限制域有潜力成为在宽工况范围内有效抑制燃烧不稳定的被动控制方法。     

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.     

带加热偏流的声衬对热声不稳定性的控制方法

通过实验方法研究了热声不稳定性极其被动控制方法。搭建了水平放置的Rijke管热声不稳定性实验装置,采用电加热的热丝作为热源。实验中发现加热功率及加热丝前后空气的温度比对热声不稳定性的发声强度有着一定的影响。实验中尝试了采用背腔和穿孔板结构的声衬对热声不稳定性进行控制。其中背腔中可以通入偏流空气,且偏流空气的流量、温度均可以调节。实验发现:背腔中通入偏流空气可以增强对不稳定性的抑制效果,且随偏流速的增加，控制效果变好。此外,发现提高偏流空气的温度对提高声衬对热声不稳定性的控制效果作用不明显。