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。     

当量比对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响

针对分层旋流燃烧室,实验测量了不同分级比和油气比下的动态压力。结果显示:在总燃烧当量比0.47~0.68,主燃级当量比0.48~0.65范围内,燃烧室内的压力脉动幅值随当量比增大而增大。基于层流火焰模型和局部火焰吹熄假设,公式推导了吹熄前后火焰厚度、火焰长度、层流火焰传播速度、气流速度间的关系,得出燃烧不稳定下的压力脉动幅值ps′与层流火焰传播速度SL0成正比,结合贫油状态下SL0随当量比增大而增大这一事实,得出ps′随当量比增大而增大,从而解释了实验结果。     

污染效应对超声速燃烧室贫油熄火极限影响实验研究(流场诊断特别专栏)

针对污染效应对超声速燃烧室熄火性能影响问题,采用甲烷燃烧和电阻加热的燃烧室直连式对比实验方法,开展了污染效应对燃烧室贫油熄火极限影响研究。基于超声速燃烧室实验模型,研究了煤油喷嘴结构对贫油熄火极限的影响;采用高速摄像仪和平面激光诱导荧光技术（PLIF）,研究了加热方式对贫油熄火极限的影响,获得了光学测量结果和壁面压力分布,给出了纯净来流和污染来流条件下的燃烧室贫油熄火极限。研究表明：采用甲烷燃烧加热的燃烧室贫油熄火极限对应的当量比高于电阻加热的,分别为0.135和0.105;不同加热方式来流条件下,超声速燃烧室在燃烧不同阶段的稳定模式均为凹槽火焰稳定模式,火焰基底会呈现一定程度的脉动,但稳定在凹槽剪切层内。     

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。     

煤油燃料超声速燃烧室火焰面模型应用探究

为了探究煤油燃料超燃流场是否满足火焰面特性,基于双支板超燃燃烧室开展试验与数值模拟研究。燃烧室入口马赫数2,总温1436K,燃料由支板分级喷注。根据燃烧室计算结果与火焰面模型判据可知:在微观上,绝大部分燃烧区的Karlovitz数不超过100,耗散涡不会对火焰结构产生显著影响,可近似满足火焰面要求;在宏观上,燃烧区的Damkohler数远高于局部熄火临界值,湍流强脉动导致的破碎火焰时均化具有层流火焰特性,雷诺时均N-S(RANS)方程结合层流火焰面计算与该特性是相符合的。试验中,不同上游当量比导致燃烧室存在两种稳定的燃烧状态:上游燃烧状态和下游燃烧状态,火焰面模型结合煤油23步反应机理可以准确描述两种燃烧状态的湍流燃烧特性,因此RANS结合火焰面模型在煤油燃料超声速燃烧室数值模拟方面具有一定的适用性和准确性。     

中心分级燃烧室预燃级贫油熄火性能试验

对一种单环腔的中心分级LESS（low emissions stirred swirl）燃烧室进行了常压状态下的贫油熄火性能试验研究.采用单头部试验件,研究了预燃级离心喷嘴流量数、进口温度及燃料类型对贫油熄火性能的影响.结果表明:预燃级采用小流量数的离心喷嘴能够降低贫油熄火当量比.进口温度低于150℃的范围内,随着进口温度的增加,贫油熄火当量比迅速降低;进口温度高于150℃时,温度对贫油熄火当量比的影响作用不明显.气态燃料与液态燃料的贫油熄火当量比随火焰筒压降的变化趋势是不同的,但都趋于相同的值,且在5%的火焰筒压降范围内,气态燃料的贫油熄火当量比低于液态燃料.      

喷嘴间距对贫油熄火特性和流场结构的影响

为深入认识喷嘴间距对燃气轮机燃烧室贫油熄火和气动性能的影响,基于典型的双旋流扩散燃烧喷嘴设计了喷嘴位置连续变化可调的双头部模型燃烧室。实验测量了不同初始当量比条件下喷嘴间的最大传焰距离,分析了火焰传播的动态过程;此外还研究了喷嘴间距对贫油熄火当量比、反应流场和方均根速度场的影响。实验结果表明:当量比每增加0.1,无量纲最大联焰间距增大0.2左右,并且喷嘴间的联焰过程大致可分为四个阶段;单喷嘴的贫油熄火当量比大于任意喷嘴间距下双喷嘴的贫油熄火当量比;随着喷嘴间距的减小,贫油熄火当量比先减小后增大;另外,喷嘴间距减小导致射流合并,气流径向速度抵消变小,中心射流速度峰值增大以及回流区尺寸缩小;随着喷嘴彼此靠近,喷嘴间的方均根速度变大,分布区域变广。      

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。     

基于500 Hz OH-PLIF技术的超声速燃烧室火焰结构

针对超声速燃烧室火焰驻留时间短和高湍流度的特点,利用500 Hz高频OH-PLIF(planar laser induced fluorescence)技术,研究了氢燃料超声速燃烧室火焰结构,结合壁面压力,获得了点火、稳焰以及熄火过程的规律。结果表明：隔离段入口来流马赫数为2的情况下,氢气当量比0.1和0.3,在火花塞点火下,2 ms均能点燃并获得PLIF火焰图像,其中当量比为0.1凹槽内存在爆燃现象,火焰达到稳定燃烧状态较慢(约65 ms)。稳焰过程中,当量比为0.3燃烧相对不充分,燃烧区域更靠近下壁面,燃烧位置和火核位置变化较大。当量比为0.1和0.3,熄火时间均在6 ms内,其中当量比为0.1熄火时火焰是从凹腔中部传播到凹腔前缘位置熄灭并伴随有一个短暂火焰增强的过程,并且在传播至凹腔前缘时已接近熄灭,当量比为0.3在熄灭前则是慢慢变弱,最终在凹腔前缘至喷氢位置间熄灭。     

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。      

直混燃烧与LPP组合燃烧室数值研究

设计了直混燃烧与贫油预混预蒸发(LPP)组合的单管燃烧室.燃烧室头部采用同轴同旋向主模旋流器和副模旋流器结构,主、副油路分别采用直射式喷嘴和压力雾化喷嘴,可以在单管燃烧室上掌握和实现低污染燃烧排放控制技术,并采用Fluent软件对设计的单管燃烧室模型进行数值模拟.计算结果表明:主副模燃烧区相互独立;副模是直混燃烧,主要作用稳定火焰.主模是预混燃烧,燃烧区温度分布均匀,从而实现低NO_x排放.解决了大工况下低NO_x排放与慢车贫油熄火之间的矛盾.      

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.     

燃气轮机燃烧室预混喷嘴排放性能的试验和数值研究

为了研究当量比、值班燃料量和压力对燃气轮机燃烧室预混喷嘴排放指标的影响,在环境压力下按照等速模化原理进行了燃烧室预混喷嘴的燃烧试验,基于化学反应网络法构建了污染物预测模型,开展了试验和数值对比研究。结果表明:在带值班燃料的情况下该预混喷嘴当量比φ在0.35～0.5时可满足国标排放要求,但是值班燃料量增大会使NO_x排放升高;在φ0.4时,压力对纯预混燃烧NO_x生成无影响,φ0.4时,NO_x会随压力升高而增多;带有值班燃料的预混燃烧时,NO_x对压力变化敏感,压力升高导致NO_x增多;该预混喷嘴混合性能对空气流速不敏感、燃料兼容性强,排放达标当量比范围宽,经进一步设计开发后有潜力应用于燃气轮机低排放燃烧室中。该化学反应器网络模型依赖经验较少,当值班燃料比例≤0.17时,对污染物预测与试验数据符合较好。     

自点火氢燃料超燃火焰形成与传播过程数值模拟及分析

针对氢燃料超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧细节,采用数值方法研究了喷注初期不同喷注位置及当量比下超燃燃烧室氢燃料自点火火焰形成与传播过程,结合OH、HO2自由基与温度分布分析了点火燃烧过程的火焰精细流场结构。结果表明：凹腔下游喷孔距凹腔后缘较近时,若喷注压力超过2 MPa,会发生下游火焰通过回流区卷入凹腔的现象;凹腔内喷注会在凹腔剪切层前沿形成稳定反应面,造成反应区分离;喷注压力相同时,上游布置喷孔燃烧室出口氧耗率更高,总压恢复系数降低,而在喷注位置相同时,随喷注压力的升高,燃烧室出口氧耗率提高,总压恢复系数降低;喷注当量比不同会影响火焰的稳定位置与结构,在当量比较低时氢气燃烧主要发生在凹腔、剪切层及燃烧室下游,在当量比较高时则发生在燃烧室下游。     

贫油预混预蒸发燃烧室燃烧不稳定性试验研究

为研究贫油预混预蒸发燃烧室燃烧不稳定性及其与污染排放之间的相互影响关系,针对一种中心分级的贫油预混预蒸发圆形单头部燃烧室为研究对象,在巡航状态、85%工况和100%工况(模拟)开展了圆形单头部燃烧室沿程压力脉动和燃烧性能的测量,分析研究了燃烧不稳定性的变化规律和影响因素以及与NO_x排放的相互关系。试验结果表明,燃油分配比例、头部当量比、燃烧室进口参数(压力、温度、速度等)都对燃烧不稳定性有影响,且影响程度不同;燃烧室压力脉动和NO_x排放指数均与火焰筒头部当量比呈正相关关系,两者在一定程度上协同变化。     

分级燃烧技术及其在同心分级燃烧室中的应用

为了解决军、民用航空发动机燃烧室火焰筒头部加入更多空气参与燃烧而导致在地面慢车状态下贫油熄火性能变差的 问题,广泛采用分级燃烧技术。分级燃烧相对常规燃烧室而言,其燃油或空气分别从不同位置进入燃烧室,在火焰筒内形成局部富 油区,以提供足够的稳定边界。同心分级的值班级位于正中心,起到点燃与在发动机小功率状态下稳定火焰的作用。主燃级环绕于 值班级外侧,油气混合物与值班级的油气混合物呈同心分布。根据其技术特点,油气匹配技术、燃油喷嘴热防护、燃烧室出口温度场 控制、燃油系统供油控制等是研制中需要密切关注的关键技术。     

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。     

火焰筒压力损失对贫油熄火特性和燃烧效率的影响

以3.0%火焰筒压力损失火焰筒作为基准,分别设计了2.5%和2.0%火焰筒压力损失的火焰筒,通过试验研究火焰筒压力损失对贫油熄火性能及燃烧效率的影响.在模拟慢车状态下,低压力损失方案均比基准方案的贫油熄火油气比低,2.5%方案的贫油熄火油气比最低;在模拟高温高压状态,3种方案火焰筒燃烧效率对火焰筒压力损失不敏感.综合比较地面起动点火试验结果,在该基准上将火焰筒压力损失降低至2.5%不会对燃烧室综合燃烧性能造成不利影响.      

典型工况下低排放燃烧室的压力振荡特性

为了研究低排放燃烧室在典型工况下的压力振荡特性,针对模型燃烧室进行了燃烧自激振荡特性试验.在试验中测量了采用贫油预混预蒸发(LPP)燃烧技术的低排放燃烧室在典型工况下的压力振荡频率和幅值,在燃烧室进口压力为1.10～2.77MPa、燃烧室进口温度为656～845 K、燃烧室压降为3.41％～4.35％范围内,分析了燃油粒径变化对振荡特性的影响.分析结果表明:局部当量比脉动是引发燃烧不稳定的因素之一.通过计算燃油二次雾化状态下的液滴最大粒径,发现燃油液滴粒径的变化对主燃级出口处的局部当量比脉动有直接影响,从而引起燃烧室压力振荡幅值和频率的变化.     

喷嘴匹配方案及火焰筒开孔对燃烧室性能影响的试验研究

基于航空发动机主燃烧室扇形试验,针对点火喷嘴特性以及火焰筒大孔射流的改变对主燃烧室性能的改善情况进行了研究。试验中进行了点火用喷嘴匹配方案对燃烧室熄火性能,以及火焰筒大孔面积变化对燃烧室贫油熄火、燃烧效率和出口温度场性能影响的研究。研究结果表明：在供油系统设计中采用放大型点火喷嘴可改善主燃烧室贫油熄火性能;增大火焰筒主燃孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,而贫油熄火特性将变差;增大掺混孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,拓宽燃烧室的熄火动界．