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.      

同心旋流分层预混火焰的动力学模态分析

为了探究同心旋流分层火焰的不稳定燃烧问题,需要对火焰的动态脉动特性进行分析。采用高速摄像捕捉了自激和外激条件下同心旋流分层预混火焰的CH*化学发光动态图像,利用动力学模态分解(DMD)方法研究其主导脉动模态,提取出了相关模态的空间形态和脉动幅值,证明燃烧组织方式的改变会对火焰脉动的形态和规律产生影响。研究发现:模态分解可以反映分层旋流火焰的动态响应特征,并能解析脉动空间结构,验证火焰形态和外激频率对火焰动态响应的影响,其规律和火焰传递函数结果符合,且在分层比0.5～2内提高分层比使释热中心转移到预燃级和主燃级的剪切层内,300Hz～400Hz释热脉动将加强。验证了DMD方法适用于处理分析复杂分层旋流火焰的脉动特征,可为燃烧振荡控制提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。      

OH与CH2O双组分平面激光诱导荧光对旋流燃烧室火焰结构与脉动特征的研究

介绍了利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对航空发动机的旋流燃烧室模型在贫燃状态下工作特性的研究。通过对OH与CH2O双组分进行同步PLIF测量,获得了不同工况下燃烧室反应区以及预热区的瞬态结构信息。应用本征正交分解(POD)方法对OH PLIF的图像进行处理,得到了旋流火焰的主要脉动模态,并通过扩展本征正交分解(EPOD)方法计算出了相应POD模态的CH2O荧光信号分布。实验结果表明:随着燃烧室热功率的增大,火焰的整体结构、脉动模式均出现了明显的变化。在火焰高度增加的同时,轴向不稳定性逐渐增强,涡核旋进(PVC)的脉动特征相对减弱。在较大的热功率下,在燃烧室的外回流区(ERZ)出现未燃烧的燃料。      

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。      

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。     

钝体火焰稳定器后燃烧不稳定数值模拟

为了缓解航空发动机加力燃烧室中频繁出现的燃烧不稳定现象,利用商业软件Fluent对带钝体火焰稳定器的模型加力燃烧室进行基于大涡模拟（LES）的3维热态数值仿真。通过分别改变加力燃烧室的来流温度、来流马赫数、燃油当量比3种影响燃烧的关键因素来分析其对火焰稳定器后燃烧不稳定现象的影响。结果表明：来流温度从600 K提升到1200 K时,钝体稳定器后火焰形式由直线状的剪切层火焰向波浪状的漩涡火焰转变,燃烧不稳定机制由K-H不稳定向BVK不稳定转变;来流马赫数从0.1提高到0.3时,燃烧不稳定的脉动频率随之提高,压力脉动的幅值随之增大,但放热脉动的幅值先增大后减小;燃油当量比从0.5增大到0.7时,燃烧不稳定的频率变化较小,压力脉动与放热脉动的幅值存在先增后减的趋势。     

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。     

离心压气机不稳定流动的时频特征分析

离心压气机失稳过程是一个非常复杂的动态过程,提高离心压气机运行的可靠性需要准确获取失稳过程的时频特征。针对带无叶扩压器的高速离心压气机失稳过程中叶轮出口的动态压力数据,采用时空本征模态分解(STIMD)算法和经验模态分解(EMD)算法进行分解,得到了多个本征模态函数(IMF),并结合Hilbert变换对不稳定流动的动态特征进行分析。结果表明,STIMD算法得到了深喘和浅喘的时频信息,观察到了频率在150 Hz附近持续波动的失速现象,并捕捉到了浅喘先兆的频率曲线由抖动向恒定的过渡过程。STIMD算法改善了EMD的模态混叠问题,为压气机失稳分析提供了一种工具。     

速度脉动下分层旋流火焰动态传播结构提取

为了深刻理解分层旋流火焰的动态结构,开展了分层旋流火焰动态的模态分析和参数化研究。实验在BASIS （北京航空航天大学发展的具有台阶隔离段的独立分层旋流燃烧器）上开展,以甲烷为燃料预混燃烧,使用高速摄像捕捉了速度脉动下的CH*化学发光信号动态图像。利用传统的本征正交分解（POD）和重定向POD分析了火焰动态特性,并利用重定向POD提取了火焰动态中沿着轴向和径向的周期性传播结构,传播结构的频率与速度脉动频率保持一致,且轴向模态的传播结构最为明显。同时,研究了总当量比对重定向POD模态的影响,分析表明：总当量比增大时,重定向POD模态的拓扑结构会发生变化;重定向POD模态中出现了错位现象,这种现象与相平均图像中的火焰传播行为保持一致。重定向POD方法能够有效提取旋流火焰动态中的传播结构,为旋流火焰燃烧不稳定性的机理研究提供了一种分析工具。     

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。     

撞击流混合器速度信号的Hilbert-Huang变换分析

应用激光多普勒测速系统,对撞击流混合器的流场瞬时速度进行了测量。将Hilbert-Huang变换（HHT）应用于瞬时速度信号的分析,提取出各阶内禀模态函数（IMF）并通过经验模态分解（EMD）对速度信号进行滤波降噪。通过希尔伯特谱分析（HSA）确定了撞击流混合器速度信号的能量分布状况,信号能量集中于低频区,即存在于尺度较大的流体涡旋中。分析速度信号各阶内禀模态函数在不同频段的能量分布与转换,发现不同频段IMF的能量分布与流型转变之间的对应关系。通过能量特征值的提取表明,提高螺旋桨转速有助于强化系统的混合效果。最后将撞击流混合器的流场由内而外划分为中心区、涡旋区和回流区3个部分。     

基于气化煤油喷注的RBCC燃烧室亚燃模态燃烧组织研究

针对RBCC发动机亚燃模态进行主动冷却的情况下,煤油发生气化后喷入燃烧室的燃烧组织开展研究。在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭高温射流作为引导火焰可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和稳定燃烧,当煤油喷注前加热到气化/超临界态时,燃烧室最高压力相比于室温液态煤油提高约10%左右。当关闭一次火箭后,利用凹腔成功实现火焰稳定,而使用室温液态煤油喷注时,凹腔内无法实现火焰稳定。通过数值模拟获得了不同喷注方案的燃烧室燃烧流场特征和燃烧组织过程,为进一步优化燃烧室的性能提供依据。结果分析表明通过合理布置燃料支板喷注位置,由燃料支板下游集中的燃料热释放使得气流在扩张燃烧室构型中实现"热力壅塞",通过燃料分配实现燃烧室内合理的燃烧释热分布,使RBCC发动机亚燃模态完成高效燃烧组织。     

航空发动机燃烧室工作稳定性研究

概述了影响航空发动机燃烧室工作稳定性的主要因素,简明综述了近20年来发达国家在燃烧室不稳定性方面所开展的研究工作。分析表明,火焰稳定基本性能,特别是贫油熄火的试验和模拟深化了燃烧稳定性的研究;声耦合效应能造成燃烧不稳定;低于慢车或慢车运行均表现出动态不稳定性;速度、压力、释热率的脉动均能造成燃烧的声不稳定。运用反应动力学理论和CFD技术能定量地模拟燃烧的不稳定性。     

基于EMD-CS的脉冲星周期超快速估计

面向X射线脉冲星周期估计的压缩感知（CS）中测量矩阵尺寸大,进而导致计算量大。针对这一问题,提出了一种基于经验模态分解-压缩感知（EMD-CS）的脉冲星周期超快速估计方法。将不同畸变度的脉冲轮廓进行EMD分解,得到一系列固有模态函数（IMF）。由于IMF包含了不同时间尺度的局部特征信号,脉冲轮廓畸变度这一微弱局部特征可体现在某些IMF中。采用迭代剔除法剔除冗余的IMF,剩下的IMF构成了测量矩阵。由于IMF的数量较少,采样率大幅减少。利用EMD-CS可实现X射线脉冲星周期超快速估计。通过计算复杂度分析结果可知,采样率与计算量呈正比关系。仿真结果中表明,EMD-CS的采样率为0.25%,仅为FFT-CS的1/29,因而计算量更小。     

RBCC混合燃烧模态一次火箭对燃烧稳定影响

通过RBCC三维构型的数值计算,详细研究了一次火箭流量变化对于整个燃烧流场的影响。研究表明,对于RBCC逐级扩张型燃烧室,处于混合燃烧模态时,仅依靠凹腔作为火焰稳定器很难实现整个流场有效的燃烧组织和火焰稳定;一次火箭火焰羽流可以为混合燃烧模态提供引导火焰,改变燃烧组织形式,跟凹腔配合实现二次喷注燃料与来流的充分掺混,提高流场的燃烧稳定性能,为实验研究提供了明确的方向。通过RBCC实验研究,也证明了开启小流量一次火箭能够促进整个流场的燃烧稳定,燃烧性能有很明显提高。一次火箭流量还需控制在一定流量范围内,才能既有效提高燃烧室火焰稳定和火焰传播能力,又能够保证进气道的稳定工作性能。     

煤油燃料RBCC亚燃模态掺混与燃烧数值模拟研究

为了探索RBCC(Rocket Based Combined Cycle)亚燃模态条件下掺混燃烧性能,对多种工况进行了数值计算。对比分析了各工况下的燃烧室压力、掺混反应效率、总压损失等参数来分析燃烧室内部特性的变化。从数值模拟的研究中可以发现:由于RBCC亚燃模态的特点,一次火箭高温羽流,使得喷注的燃料能够有效地雾化蒸发,通过支板的混合增强作用能有效地提高煤油燃料的掺混能力,凹腔又适当的延长了煤油在燃烧室的停留时间,形成有效的火焰稳定区域,两种有效的火焰稳定方式的结合能实现液体燃料稳定有效的燃烧,而且双凹腔前后组合也能提高燃料的掺混燃烧能力。从计算中还可以发现,合理地布置支板与凹腔的相对位置能提高燃料的掺混反应效率,实现燃料的充分燃烧,并对燃烧性能提高有明显的帮助。