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。     

平面突扩管道中的湍流流动及预混燃烧计算

应用随机涡法(Random Vortex Method)对平面后台阶突扩管道中的湍流流动及预混燃烧过程进行了数值计算。与平均流场所显示的气流结构不同,瞬时流场表现出大尺度的多涡结构。由于这些大尺度旋涡之间的相互作用,回流区长度在平均值附近发生拟周期性变化。预混燃烧计算结果表明,大尺度旋涡对火焰面在流场中的分布有重要影响。     

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。     

改型瑞克管脉动燃烧器性能试验研究

研究了水平安置燃烧柴油的改型瑞克管脉动燃烧器的燃烧特性。利用风机,使管内气流稳定流动,组合使用双旋流器和扩焰盘形成起始火焰并保证最大放热脉动在离进口四分之一处。试验表明,采取以上措施,改型瑞克管可以激发脉动燃烧,压力脉动频率在１００Ｈｚ～１１０Ｈｚ,最大压力脉动的幅值约为３．８ｋＰａ,燃烧效率接近１００％。还研究了管内稳定流速、旋流器和扩焰盘的轴向位置等对脉动燃烧的影响。发现在一定稳定流速的范围内,可以激发脉动燃烧,旋流器过分靠近进口和扩焰盘偏离进口四分之一处都会使压力脉动幅值降低和工作范围变窄     

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。     

突扩燃烧室流场RANS与LES模拟

以中心突扩燃烧室为模拟对象,分别从旋涡运动、空间速度分布和时间速度脉动等方面对RANS模拟结果、LES模拟结果和试验结果进行了比较分析。表明RANS方法没有模拟出燃烧室中的旋涡运动,与试验结果相差甚远;而LES方法则比较好地模拟出了燃烧室中旋涡运动和速度脉动。得出LES方法是对突扩燃烧室内流场数值研究的有效方法。     

振荡燃烧过程的同步测量方法

振动燃烧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。振荡燃烧的研究方法之一是对自激振荡燃烧相互耦合过程进行研究,得到系统的闭环特性。另外还可以对燃烧系统施加特定的扰动以得到燃烧系统的开环特性。为了研究振荡燃烧的动态过程,需要实现不同物理量的同步测量。相同步方法能够实现压力脉动与燃烧放热率脉动的同步测量,确定二者间的周期变化关系。通过对两个不同振荡类型的实验台进行相同步测量,分析振荡燃烧过程中压力脉动与放热率脉动的相位关系,并讨论了相同步方法的误差,提出了不同实现方案。这些结果将有助于我们提高火焰测量的相同步技术的准确性。     

侧面突扩燃烧室冷态流场可视化研究

燃烧室流场中旋涡的不是稳定是造成整体式压式发动机侧面扩燃烧室燃烧振荡的重要原因。在透明矩形侧面突扩燃烧室模型上进行了水流模拟显示实验。显示出了燃烧室流场中的振荡涡系和稳定涡系。实验发现：燃烧室头部旋涡非常稳定；进口射流剪切层存在“马蹄涡”的周期性脱落；射流在燃烧室通道内卷绕形成涡强较大的二次流螺旋柱状涡对，涡对相撞又使螺旋涡失稳、振荡和破碎。旋涡不稳定性是侧面突扩燃烧室燃烧振荡的流体力学原因，分流     

中心突扩燃烧室水流试验与大涡模拟

以两种尺寸的中心突扩燃烧室为研究对象,分别进行了水流试验和大涡数值模拟.结果表明大涡模拟方法可以较好地刻画该型燃烧室内的流动过程;在剪切层中出现明显的旋涡结构,旋涡的产生、发展、脱落、破碎影响着燃烧室的流动状态;燃烧室的突扩比和进气道入口流速对速度脉动的强度和频率有不同程度的影响.     

基于PaSR模型的低旋流燃烧大涡模拟

为了深入理解低旋流流场特征和燃烧稳定性,基于OpenFOAM平台,采用动态k方程模型和有限速率PaSR模型对甲烷/空气预混低旋流燃烧进行了大涡模拟,研究了气流入口速度、当量比和压力等流场参数对流场结构和燃烧非稳态特性的影响,分析了流场大尺度结构与火焰相互作用。结果表明,流场结构和火焰抬升高度受入口速度影响较小,流场和火焰形态能够保持自相似性;随着当量比和压力提高,流场扩张性增强并在燃烧区下游产生回流区,火焰稳定不依赖回流区,根部火焰锋面形状由U形转变为W形,火焰抬升高度降低。火焰锋面稳定在剪切层,剪切层产生的周期性有序涡结构引起当地流场速度脉动和火焰表面褶皱,反映了流场非稳态特性;通过剪切层监测点瞬时轴向速度分析,涡结构特征频率随速度增大而提高,由250Hz提高至300Hz,随当量比和压力提高而降低,由250Hz降低至125Hz。     

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。     

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.      

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.     

Effects of swirler position on flame response and combustion instabilities

This study is concerned with the experimental and theoretical investigation of the combustion instabilities in a premixed swirl combustor. It is focused on the effects of the swirl mixing distance on the intrinsic thermoacoustic mode. The swirler as an origin of the swirling flow is also the source of the flow disturbance, which has effects on the flame response. The location of the swirler is varied in the experiment to study the effect on combustion instabilities and flame transfer functions. ...     

液氧/甲烷火焰和燃烧不稳定性试验

为了解液氧/甲烷火焰在外界扰动作用下的表现,增进对燃烧不稳定性的理解,分别对两种喷剪切同轴式喷嘴结构进行了试验,试验采用单喷嘴矩形模型燃烧室,液氧以液态从中心喷嘴喷注,甲烷以气态从同轴的环形腔喷注。试验中,压力调节装置上的齿轮间断性地堵住和打开安装在燃烧室底部和主喷管旁边的辅助喷管出口,分别向燃烧室输入高频扰动。采用高速照相机记录火焰的OH辐射量,并采用阴影和纹影技术记录液氧的喷雾过程。试验成功激发起了燃烧室一阶横向和一阶纵向振型,在高频扰动作用下,还产生了两次强低频振荡。讨论了分离火焰的特征及其液氧射流在外界扰动作用下的表现和影响参数。     

斜切径向旋流器环形燃烧室数值模拟

采用三维贴体坐标系统,对包括突扩扩压器、帽罩、旋流杯、火焰筒以及内、外环通道的环形燃烧室全流程2相燃烧流场进行数值研究。采用k-ε湍流模型、2阶矩-EBU湍流燃烧模型、6通量辐射模型和颗粒轨道模型等模拟2相湍流燃烧流动,分析了进口工况对全流程燃烧流场的影响。计算结果表明:随着进口工况的改变,燃烧室出口温度场也发生相应变化;计算结果与试验数据比较表明:所用的数学模型合理、计算方法可行,其结果可为某型燃烧室优化设计提供可靠依据。     

Periodic atomization characteristics of an impinging jet injector element modulated by Klystron effect

An experimental study on the Klystron effect of periodic injection modulated by pressure drop fluctuations on subsequent atomization is conducted. Time-resolved atomization backlit images and atomization Mie scatter images are captured by using the high speed camera. It is found that periodicity of forced atomization relies on pressure drop fluctuation amplitude and phase differences between atomization and pressure drop fluctuations relate to fluctuation frequencies. This feature of periodic atomization induced by Klystron effect corresponds to periodicities and high amplitudes of pressure fluctuations in unstable combustion chambers and chaos and low amplitudes of pressure fluctuations in stable combustions chambers. Drastically periodic varying of gross surface area of droplets with time was shown in Mie scatter images. The importance of periodic impinging jet atomization modulated by pressure drop fluctuations for acoustic liquid propellant combustion instabilities is illustrated.