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。     

EMD的频带滤波筛分方法

Hilbert—Huang（HHT）变换方法由经验模态分解（EMD）及Hilbert变换两部分组成,能在时频域上正确地描述非平稳非线性信号的局部特征。但由于模态混淆,当信号组合分量的频率太接近时,HHT常不能正确分解窄带信号。针对这一情况,提出了EMD筛分过程的一种新的改进方法——频带滤波HHT方法,并运用此方法成功分解了双自由度线性体系反应的窄带信号。     

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。     

改进Hilbert-Huang变换及其在转静子碰摩仿真中的应用

针对Hilbert-Huang变换(HHT)的不足,应用时间序列重构矩阵奇异值分解的能量分析方法改进了HHT,并提出了用来识别伪固有模态函数(IMF)的方法.利用仿真信号检验了改进HHT的效果.将改进后的HHT应用到某双转子航空发动机轻碰摩故障仿真试验结果的检测中,并与改进前HHT和小波分析的结果进行了比较,得出了改进后的HHT具有有效分离出微弱信号分量等优势,且能比小波变换更好地确定碰摩的存在.      

结合经验模态分解的振动信号趋势项提取方法

提出一种结合经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）的振动信号趋势项提取方法。利用EMD将信号分解为一系列固有模态函数（Intrinsic Mode Function,IMF）,根据振动信号过零点特性,对属于趋势项的IMF分量进行判别,并对判别为趋势项的IMF分量进一步利用最小二乘法进行趋势项拟舍,将拟合结果求和作为最终趋势项。数值模拟试验和实测数据处理结果表明,这一方法无需假设趋势项类型,且可不受EMD过程中模态混叠和端点效应的影响,使趋势项提取更为准确。     

基于支持向量经验模态分解的故障率时间序列预测

 针对故障率时间序列的非线性与非平稳特性,提出一种基于支持向量经验模态分解(SVEMD)的预测方法。首先,将故障率时间序列分解为多个固有模态函数(IMF)与一个余量(RF),利用最小二乘支持向量机(LSSVM)预测时间序列两端的局部极值点,以抑制传统经验模态分解(EMD)的边缘效应;同时以LSSVM回归方式形成包络线,以取代传统EMD中的三次样条插值;然后,建立各IMF与RF的预测模型;最终,将各IMF与RF的预测结果相加以获得故障率时间序列的预测结果。仿真结果表明,该方法的预测精度较传统基于EMD的预测方法与单一预测方法有显著提高,可实现对故障率的准确预测。     

贫燃预混旋流火焰的模态转换燃烧不稳定特性分析

为进一步研究燃烧室燃烧不稳定特性,通过实验对贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性模态转换现象进行了研究。在贫燃的情况下进行了甲烷-空气预混旋流燃烧实验,用动态压力传感器测量火焰场动态压力,用光电倍增管捕捉CH~*化学发光,用4kHz频率的高速摄像记录火焰图像。发现当量比渐增到0.72附近时,燃烧有明显的模态转换,压力脉动主频由264Hz突变为187Hz,脉动幅值大幅增加。采用本征正交分解法得到各模式空间分布,通过模态系数进行快速傅里叶变换(FFT)分析,得到流场时间分布特征。发现模态转换前平均火焰为喇叭形,转换后为"M"型,模态的转换与涡脱落模式有重要关系。     

基于经验模态分解的航空器结构模态参数识别

介绍了一种基于经验模式分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）与粒子群优化算法相结合的飞机结构模态参数辨识方法。一个复杂的脉冲响应信号利用EMD方法使得耦合在一起的多阶模态响应信号分解为与各单阶模态响应信号一一对应的分量,得到前几阶主要的内禀模式函数（Intrinsic Mode Function,IMF）,再对分解得到的每一单阶IMF利用粒子群算法辨识得到各阶模态参数。试验仿真结果表明该方法有较高的计算精度,可应用于结构运行模态分析,为飞机等结构设计、运行检测提供有力保障。     

基于固有模态函数频域熵的目标检测算法

为提高海杂波中慢速目标的检测性能,提出了一种基于固有模态函数(IMF)频域熵的目标检测算法。该算法对原始信号经 EMD分解后得到的固有模态函数采用 Fourier变换,自动地提取其各个分量的频域能量,以此获得 IMF能量分布特点,再运用信息熵的方法构建检验统计量,并将其输入非参量检测器中进行目标检测。研究结果表明,相比于海杂波、海尖峰,慢速目标的能量分布更为分散,熵值更大,对比频域广义符号(GS)检测算法,所提 方法检测性能更优,适用于慢速目标检测。     

基于EMD样本熵-LLTSA的故障特征提取方法

针对振动信号的非线性、非平稳性以及微弱故障特征难以提取的问题,提出了一种基于经验模态分解(EMD)、样本熵和流形学习的故障特征提取方法.该方法将EMD、样本熵和流形学习相结合.首先,利用EMD的自适应多分辨率的特点计算分解得到的IMF(固有模态函数)信号的样本熵,初步提取滚动轴承状态特征值;然后利用流形学习方法对初步的提取的滚动轴承状态特征进行进一步的提取;最后利用支持向量机(SVM)对该特征提取方法进行分类评估,并将该方法运用在滚动轴承故障诊断实验中,实验证明该特征提取方法与基于小波包样本熵的故障诊断方法相比具有很好的聚类性能,且对于SVM的分类结果可达100%,在降低了特征数据的复杂度的同时,增强了故障模式识别的分类性能,具有一定的优越性.     

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.      

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.     

来流总温对双模态燃烧室模态转换边界的影响

针对煤油燃料双模态超声速燃烧室,开展了来流总温对燃烧室模态转换边界影响的试验研究。试验采用甲烷燃烧加热直连式试验系统,隔离段进口马赫数保持2.0不变,总压为1.05 MPa,来流总温分别为885、1 085、1 285 K。试验中采集了燃烧室沿程壁面压力,并采用一维分析方法得到了燃烧室的工作模态。试验结果表明:来流总温不同时,燃烧室壁面峰值压力位置相同,同时压力峰值与隔离段壁面压力分布和激波串起始位置存在一一对应关系;来流总温上升导致燃烧室超燃-亚燃模态转换时的当量油气比上升;在燃烧室当量油气比不变的条件下,来流总温上升能够导致燃烧室壁面压力下降,隔离段内激波串长度缩短。      

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。     

Large-eddy simulation and linear acoustic modeling of entropy mode oscillations in a model combustor with coolant injection

Lean-burn combustor is particularly susceptible to combustion instability and the unsteady heat release is usually considered as the excitation of the self-maintained thermo-acoustic oscillations. The transverse coolant injection is widely used to reduce the temperature of burnt gas, but on the other hand, it will introduce temperature fluctuation inside the combustor. Therefore, it is necessary to consider the influence of the coolant injection on combustion instability, and evaluate its dynamic feature. In this paper, Large-Eddy Simulation (LES) of the self-excited pressure oscillations in a model combustor with coolant injection is carried out. The analysis of transient flow characteristics and the identification of the pressure modes confirm that one of the low frequency pressure oscillations is related to entropy fluctuations, which is known as rumble combustion instability. The LES results show that transient coolant injection is another excitation of temperature fluctuation other than unsteady combustion. The amplitude of the entropy mode oscillation increases with increasing coolant air mass whereas the change of its frequency is insignificant. According to the major feature of entropy wave oscillation caused by coolant injection, a compact coolant injection model is proposed and applied in the One Dimensional (1D) Acoustic Network Method (ANM). Key correlations used in the model match well with LES data in low frequency range. This means that the coolant injection model is a complex one reflecting the interaction of the fluctuating coolant mass, pressure and temperature. Finally, the combustion instability frequencies and modes predicted by acoustic network method are also in good agreement with LES results.     

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.      

模型燃烧室低频不稳定燃烧的初步探讨

对模型燃烧室在贫油预混条件下产生的燃烧不稳定性的特性进行了初步研究。实验研究了当量比、预混气的喷射速度和燃烧室出口面积对不稳定燃烧的频率和幅值的影响。实验结果表明:在很宽的油气比和速度范围内,出现了燃烧不稳定现象,但振荡的主频集中在200～235Hz之间;随着预混气喷射速度的增加,燃烧不稳定发生的频率和幅值都增加;随着燃烧室出口面积的减小,不稳定燃烧发生的振荡幅值增加而频率却减小,表明不稳定模态发生了变化。      

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.      

基于火焰图像诊断的模型燃烧室燃烧不稳定特性

提出了一种基于火焰图像诊断的旋流燃烧室燃烧不稳定特性研究方法。分析甲基滤镜下高速CCD （charge coupled device）拍摄的火焰面振荡图像,发现不稳定工况下的旋流火焰在以较高频率抖动的同时伴随着周期性的火焰脱落,其脱落信息可由火焰面轴向峰值位置体现。对CCD图像进行数字图像处理获得轮廓线,统计其边缘轴向最远处坐标作为火焰抖动峰值位置。基于图像分析确定火焰脱落阈值,获得不同工况下火焰脱落发生时的脉冲时序信号,统计得各工况火焰脱落频率。研究发现该频率分别与火焰抖动时序、CH^*时序及燃烧室压力脉动时序信号各自3阶本征模态函数的傅里叶谱主峰值接近。在多工况下研究了不稳定火焰脱离频率在时序信号中的存在方式和规律,发现对于本模型燃烧室,火焰脱落频率随着油气比的降低而升高,在油气比约0.0096处到达火焰脱落频率临界点,之后呈现缓慢下降趋势。