基于热声网络法的燃烧不稳定性分析研究

为研究预混燃烧的燃烧不稳定性,采用低阶热声网络分析方法确定燃烧不稳定性的模态特征及非线性特性。在热声网络程序中利用声网络来描述燃烧室结构的声学特性,利用速度脉动的函数描述火焰的热释放脉动。在火焰模型中,在线性模型中增加非线性以求解不稳定模态的极限环幅值。分析了钝体模型燃烧室中火焰模型参数对燃烧不稳定性的影响,模拟结果与实验结果符合得很好。结果表明声网络方法结合非线性火焰模型能描述燃烧系统的燃烧不稳定性和直接预测极限环幅值。     

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。     

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。      

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%.      

Mg-O_2和Mg-CO_2预混气燃烧特性及热声振荡的数值模拟研究

基于金属镁在高超声速飞行器及火星探测器上的应用,为探讨金属燃料在不同氧化剂环境中的燃烧特性及热声不稳定性机理,开展了数值模拟研究。考虑镁蒸气与O_2和CO_2两种氧化剂的剧烈反应区,构建了预混燃烧的二维燃烧室模型,详细探讨了预混气当量比、预混气初温及入口速度等对燃烧特性及热声振荡特性的影响规律,并与CHEMKIN计算结果进行了比较分析。结果表明,较高的当量比下燃烧室的燃烧速率更快,燃烧平衡温度更高,此外增加预混气初温能加快燃烧室燃烧速率,而更高的入口速度会使燃烧室的压力振荡从低频高振幅振荡向高频低振幅振荡转化。燃烧室的压力振荡同时存在轴向振荡和径向振荡,振荡曲线为高频振荡和低频振荡的不同组合。入口速度对燃烧室压力振荡有较大影响,入口速度越快,振荡频率越高,而声压级越低。此外,预混气当量比和预混气初温对燃烧室的压力振荡也有一定影响。     

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。     

喷注方案对凹腔稳焰燃烧室低频振荡的影响研究

为了研究在入口来流马赫数2.52,总温1486K的超声速来流条件下,稳焰凹腔上游不同位置乙烯横向喷注对模型发动机燃烧室内低频燃烧振荡特性的影响,通过1kg/s直连式超燃试验平台,利用高频压力传感器、高速摄影相机等设备,对凹腔上游近距离、远距离喷注等方案的发动机内部压力与火焰动态特性进行了研究。试验结果表明:在当前当量比条件下,当稳焰凹腔上游近距离喷注燃料时,燃烧室存在较大范围亚声速区域,并出现由热声不稳定性激励的低频压力振荡,频率分布范围较宽(50～400Hz)且振幅较弱。对于燃料喷注位置到稳焰凹腔距离较远的情况,燃烧室内出现以火焰逆传和火焰吹脱为特征的周期性火焰振荡现象。分析认为较远喷注距离有利于燃料-空气充分混合并形成预混区,导致火焰快速逆传。火焰逆传与DDT (爆燃转爆震)中的火焰加速传播过程有关。周期性火焰逆传与火焰吹脱过程相耦合形成了具有特定主频(约85Hz)且振幅较大的低频压力振荡。     

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。      

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。     

模型预混燃烧室燃烧不稳定性研究

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室的燃烧不稳定性现象进行了实验研究和数值模拟.实验中利用动态压力传感器测量了不同当量比时燃烧室内动态压力的频率和振幅.结果表明:随当量比增加,不稳定性频率从251Hz增加到258Hz.不稳定性振幅与大气压力比值从2.7%增加到6.1%.对燃烧室进行了定常和非定常数值模拟以及声学模态分析,得到了周期性旋涡脱落的频率为260Hz和燃烧室系统的前5阶本征声学模态频率.其中第3阶纵向声学模态频率与实验值基本一致,说明维持不稳定性的机理为钝体火焰稳定器后旋涡的周期性对称脱落和燃烧室系统的第3阶纵向声学模态形成了耦合.     

同心旋流分层火焰的外激脉动特性统计学分析

为了更深入地理解民用航空发动机低排放燃烧室中的同心旋流分层火焰脉动机制，以丙烷为燃料，在100Hz频率的外激条件下对该类旋流火焰的CH*化学发光图像进行高频采样，重点通过本征正交分解法（POD）的统计学分析，提取其时间和空间域内的脉动特征。分析结果表明，旋流火焰中4个最主要的脉动模态分别是轴向振荡、径向振荡、火焰脱落和非对称螺旋运动，并且模态1轴向振荡和模态2径向振荡之间具有显著相关性。POD分析方法可作为中心分级贫油预混燃烧不稳定性机理探索的有效手段。      

贫燃预混燃烧室中的分布式火焰传递函数分析

为了深入研究贫油预混燃烧室中的燃烧不稳定机理,采用实验方法测量火焰沿轴向的热释放分布,研究了不同当量比以及空气流量对自激振荡模态下的分布式火焰传递函数尤其是相位分布的影响。结果表明,火焰传递函数的相位所对应的迟滞时间主要由三部分构成:扰动从燃料喷注点传播至头部所需的输运时间、靠近头部出口突扩面处涡环形成的迟滞时间、涡环输运至火焰锋面的输运时间;而其中漩涡环涡环形成所造成的相位增量是研究燃烧不稳定性的关键因素,当量比由0.6增加到0.73的过程中相位增量相应从0.5增加到1.0。自激振荡较强的两个模态中,进气段模态频率为233Hz具有锁频特性,而输运模态频率为180Hz会随着相位增量的变化而变化,由180Hz增加到207Hz。     

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.      

超声速单边扩张燃烧室分离区振荡现象及其解耦分析

为了揭示超声速燃烧中非定常现象的主导机制,通过解耦分析系统研究了单边扩张燃烧室中一种以分离区不稳定为特征的非稳态燃烧。采用控制变量的方法,对Ma=6条件(隔离段来流马赫数3.46,总温1430K)下燃烧不稳定的可能影响因素进行了解耦分析,并对典型工况在直连式实验台上开展了验证。研究表明,火焰不是本文中燃烧不稳定现象的主要影响因素,释热形成的反压才是该现象的主因。低当量比工况下反压较小,流场的非稳态机制由射流和凹腔共同主导;中高当量比工况下反压较大,非稳态机制由反压主导。射流与凹腔相互作用能形成周期性极强的非稳态过程,其压力振荡频率约为200Hz。在较高反压的驱动下,超声速燃烧室内会发生复杂的非定常现象,具体表现为激波串轴向大幅振荡,并伴有非对称分离区的间歇性切换。由反压主导的流场振荡周期性不强、频率以中低频为主(100～500Hz)。非稳态过程可能源于激波边界层干扰中的低频不稳定性,其被燃烧释热所形成的分离区放大,在下游反压的影响下形成了流场中复杂的非定常过程。     

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。     

助力器非线性引起的飞机纵向-电传操纵系统极限环振荡特性的分析

本文利用描述函数法分析了助力器不灵敏区和速度饱和特性对电传-飞机纵向系统的稳定性影响。分析结果说明NSS工作模态容易发生极限环振荡,PSS工作模态不容易出现极限环振荡。对于静稳定飞机有可能出现高频、小幅和低频、大幅两种自持振荡。在操纵或扰动中,当运动幅值超过某一起始振幅,大幅极限环振荡便会产生。本文给出了NSS工作模态的系统稳定判据和预估自振频率、幅值的解析法;分析了舵机回路和计算机的滞后影响。本文最后简略地提出一些改善极限环特性的措施。     

冲压发动机突扩型燃烧室压力振荡问题(综述)

本文综述了近年来在控制冲压发动机突扩型燃烧室高振幅、低频压力振荡方面所取得的最新技术进展.介绍了用于抑制压力振荡的被动和主动控制技术.详细地讨论了燃烧室内声波动特性、剪切层流动不稳定性和热释放过程之间的相互作用以及对高振幅、低频压力振荡的影响,并根据当前在该领域的研究结果提出了几点建议.     

蒸发式稳定器燃烧不稳定性初步研究

对蒸发式火焰稳定器结构的模型燃烧室进行了燃烧不稳定性实验。实验中选取了3个当量比,分别为0.4545,0.5454,0.6363。每一个当量比中,值班级供油的比例从2%变化到36%,间隔为2%。利用动态压力传感器测量了不同当量比以及不同值班级供油比例时燃烧室内动态压力的频率和振幅。为了进行对比,在以上3个当量比时,也对普通V型稳定器进行了实验。结果显示,蒸发式稳定器激发了130Hz和203Hz两个不稳定模态。V型稳定器只激发了203Hz一个不稳定模态。总当量比不变时,随值班级供油比例的增加,除当量比0.6363工况的203Hz模态振幅呈现减小趋势,其他燃烧不稳定性模态的振幅均先增大后减小。对燃烧室进行了一维声学模态分析,130Hz和203Hz模态分别为系统的第2和第3阶纵向模态。     

模型预混燃烧室线性稳定性分析

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室进行了线性稳定性分析.利用COMSOL Multiphysics软件求解了三维Helmoholtz方程,方程的源项为耦合指数-延迟时间模型.对模型预混燃烧室进行非定常计算得到了化学反应速率的周期性变化,确定了非定常热释放发生在火焰的尖端.由压力和温度信号的相位差得到了当量比为0.72,0.8,0.88,0.97四个工况的延迟时间,分别为0.6,0.3,0.9,0.6ms.线性稳定性分析得到了模型预混燃烧室系统纵向模态频率的实部和虚部,当虚部为负数时表示线性不稳定.结果显示:系统的前5阶纵向模态中,2~4阶是线性不稳定的.其中3阶纵向模态的虚部绝对值最大,它的物理意义是对小扰动的增长率最大.因此在有扰动时,3阶纵向模态最有可能线性失稳,产生燃烧不稳定性现象.      

基于经验模态分解的燃烧不稳定性分析

实验研究了在常温常压条件下贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性,发生燃烧不稳定性时其压力脉动表现为非平稳信号.利用一种基于经验模态分解(EMD)的希尔伯特-黄变换(HHT)算法对在当量比分别为0.71和0.80工况下的压力脉动信号进行了时频分析.针对压力脉动信号进行经验模态分解,选取主要的固有模态函数(IMF),对IMF通过HHT变换得到瞬时频率并进行统计分析.结果表明:在当量比为0.71时,压力信号呈间歇式的脉动,其振型为拍振;在当量比为0.80时,脉动压力信号则呈现出极限环振型.在基于EMD的HHT变换中,IMF体现了燃烧不稳定性的固有模态且具有自适应性强的特点.