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.      

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.     

镁基燃料水冲压发动机的热声振荡特性研究

为了探究金属基燃料发动机内的燃烧不稳定性问题,以镁基燃料水冲压发动机为背景,从理论上开展了热声振荡机理及特征频率特性的研究。通过Mg/H2O燃烧化学反应动力学分析,证实了高温环境中水的热分解特性是引起燃烧反应热释放波动的原因,结合不稳定燃烧中的声压振荡,合理解释了热声振荡的发生机理。进一步考虑平均流作用,建立了一维热声振荡计算模型,基于自行开发的热力计算程序,获得了三种选定镁基燃料一次燃烧产物的热力学性质及燃烧水燃比的上限2.0,2.4,2.6,同时结合边界条件、守恒条件求解了声压传播方程,获得了不同工况下的复频特性,实部均在700Hz以内属低频振荡,镁基燃料质量组分配比、进水口位置及水燃比均对特征频率虚部有较大影响,对于既定的燃烧室结构构型及镁基燃料,可通过调节进水量来主动干预热声振荡的发展趋势。     

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。     

接力喷嘴不同径向高度和方位角对加力燃烧室 热射流点火性能的影响

为了研究不同热射流点火状态下的燃烧性能,针对采用波瓣混合器的某型航空发动机加力燃烧室,基于N-S方程建立了3维数值计算模型,得到了接力喷嘴径向高度和方位角对加力燃烧室流场、燃烧特性和流阻特性的影响规律。结果表明:随着径向高度增加,热射流火焰传播距离逐渐减小,传播到稳定器下游区域从内涵逐渐向外涵移动,且稳定器壁面高温分布区域逐渐减小;随着方位角增大,热射流火焰径向穿透深度逐渐增大,且稳定器壁面高温区域逐渐减小,在方位角α=0°和α=5°时稳定器壁温最高,为1450 K左右;在加力燃烧室出口截面上,径向高度和方位角对无量纲总压影响不大,整体小于0.005。     

加力燃烧室流场形态与振荡燃烧数值模拟

利用数值方法对发动机加力燃烧室内的流场形态和振荡燃烧进行模拟,获得流场平均参数及涡系结构,观察到燃烧室内火焰稳定器唇口附近剪切涡对选择模型的敏感性,发现火焰稳定器后的涡脱落和回流区的周期性变化是引起加力"蜂鸣"现象和振荡燃烧的重要因素,证明了Rayleigh准则在研究此类问题时的适用性.      

高性能经济可承受先进加力燃烧室技术GOTChA分解

为加强加力燃烧室技术方案论证,明确加力燃烧室研究内容,提出了加力燃烧室技术的综合评价指标。采用敏感度分析方法定量分析了加力燃烧室工作参数对发动机性能的影响。建立了加力燃烧室三个阶段的技术指标体系,给出了高性能经济可承受先进加力燃烧室技术GOTChA分解图,明确了加力燃烧室研发面临的技术挑战及需要的方法。研究结果可用于指导加力燃烧室技术方案论证,以增强专项计划组织效率,规范项目管理工作。     

低频振荡燃烧研究综述

总结了影响涡扇发动机加力燃烧室和冲压发动机燃烧室的结构及运转因素，综述了有关振荡燃烧机理研究的一些结果以及几项很有意义的主动控制技术。结论是，目前国内外所进行的低频振荡燃烧的机理、预测及控制工作，尚处于探索阶段。     

多模态热声不稳定混沌现象实验研究

热声不稳定是一种常发生在航空航天发动机中,会对发动机造成危害的现象,该现象实质上是声波与非定常热释放的相互耦合。本文设计了一个多孔预混火焰Y型里开管（Rijke管）装置,用以研究多频率非线性热声不稳定性。这种简化燃烧室结构能够很好捕捉真实发动机中由于复杂几何结构引起的多模态热声不稳定性。通过改变火焰的当量比和其在Y型里开管上游的位置,来遍历燃烧室中不同热声振荡行为,并结合短时傅里叶变换（STFT）、相空间重构等方法分析了不同非线性热声振荡行为,发现在改变工况时,会出现高频极限环状态、高频向低频的模态转换状态、低频极限环状态、准周期状态以及混沌状态等现象,而在当量比为0.94的工况下会出现两个不稳定频率模态争夺的实验现象,在实验结果基础上,深入分析了这些非线性现象的成因。     

推进动力系统燃烧不稳定性产生的机理、预测及控制方法

在不稳定热释放和声波相互耦合作用下而产生的燃烧不稳定现象,表现为振荡燃烧的形式,常发生于火箭发动机、航空发动机加力燃烧室以及地面燃气轮机等装置当中,会对结构引起很严重的破坏。本文总结了当前关于燃烧不稳定问题的机理以及控制方法的研究进展。目前来看,关于燃烧不稳定的机理研究方面,包含实验研究以及数值方法研究。实验方面,有rijketube热声不稳定实验,还有模拟真实燃烧室环境的燃烧实验。数值方面的工作,包括线化的热声不稳定模型,以及对火焰进行描述的解析模型和大涡模拟等方面的工作。同时,人们尝试了各种抑制不稳定的方法。控制方法包含两大类,即:主动控制方法以及被动控制方法。主动控制方法在理论研究方面取得了重大成果,然而,由于其实现上需要复杂响应系统、执行机构,因此,距离实际工程应用还很遥远。而被动控制方法,例如,亥姆赫兹共振腔,以及穿孔板等装置,在工程上得到了很好的应用。     

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%.      

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。     

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。      

一种基于谱方法的三维热声不稳定模型

研究流体的流动参数,包括热源热释放的周向不均匀分布对热声不稳定现象的影响,将欧拉方程进行线化处理之后,对轴向和径向方向进行基于切比雪夫多项式的谱离散,周向方向则进行基于傅里叶多项式的谱离散,建立了一种三维热声不稳定数值模型.通过对圆柱管道共振频率以及声场的求解,进行了一系列算例的验证,证实了该方法的可靠性,并且通过热释...     

热阻塞与燃烧不稳定性问题的试验研究

在某型涡扇发动机加力燃烧室试验过程中,曾出现过一种燃烧不稳定性,频率为106Hz,其声振频率与一阶纵向振频计算值基本相符。经分析计算表明这是一种气柱振荡不稳定性。原来,在等截面通道中加热时,总压因热阻增大而下降,静压则由于总压下降和比容的增加而急剧降低。      

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.     

纵向波纹隔热屏通道的换热特性

通过改变进气流量、气流背压，实验研究了航空发动机加力燃烧室筒体纵向波纹板隔热屏通道结构对换热特性的影响。对无孔、每波两排孔和每波六排孔三种结构的实验结果表明，波纹板的换热效果远高于平板型，随着波纹板上的孔排数增加，换热效果增大；波形对波纹板的壁温和Nu数影响很大，密流比对Nu数的影响与波孔排数有关，得到的纵向波纹通道的平均换热经验公式，可用于指导加力燃烧室隔热屏地设计。     

数值模拟纵向隔热屏加力室热态流场

数值研究纵向隔热屏加力燃烧室的在三维贴体坐标系下燃烧整体流场,所用的数学模型有:k-ε模型、EBU-Arrehenius和二阶矩紊流燃烧模型及六通量模型等.数值分析两种不同几何形状、进口气流参数分布及紊流燃烧模型等对加力室内各气流参数、隔热屏和加力室筒体壁面温度分布的影响,计算结果与试验数据比较表明:不同几何形状对加力室紊流燃烧流场的影响要比进口气流参数分布大些,二阶矩模型更适用模拟紊流燃烧流动.