甲烷反扩散火焰光谱特性实验研究

为了研究层流甲烷反扩散火焰的光谱特性,采用光纤光谱仪对层流甲烷/空气反扩散火焰中发射谱线分别为314nm和430nm的激发态自由基OH*和CH*进行了光谱特性实验研究,分析了OH*,CH*辐射强度随空气喷嘴出口Re数的变化规律,及其沿反扩散火焰轴向与径向的分布特征。研究表明:甲烷反扩散火焰具有明显的内外双层结构,OH*和CH*辐射强度沿火焰轴向与径向均呈现先增后减的趋势。随着空气流量增大,OH*,CH*分布范围变大,并逐渐向火焰下游扩展。在距喷嘴出口5mm处出现OH*和CH*辐射强度峰值,且峰值的轴向位置不随空气流量增大而改变。     

氧化剂含氧浓度对甲烷反扩散火焰光谱特性影响实验研究

为了研究氧化剂的含氧浓度对同轴射流甲烷反扩散火焰光谱特性分布的影响,采用光纤光谱仪对富氧层流甲烷反扩散火焰中发射谱线分别为314nm和430nm的激发态自由基OH*和CH*进行了光谱特性实验研究,分析了OH*,CH*辐射强度随氧化剂含氧浓度X_(O_2)的变化规律,及其沿反扩散火焰轴向与径向的分布特征。研究表明:甲烷反扩散火焰具有明显的内外双层结构,当氧化剂含氧浓度从21%增加到50%,反扩散火焰反应核心区直径增宽75%,而对火焰高度的变化却非常微弱。OH*和CH*辐射强度沿火焰轴向与径向均呈现先增后减的趋势。随着氧化剂含氧浓度增加,OH*辐射强度呈指数型增加,在距喷嘴出口2/3直径高度处处出现OH*和CH*辐射强度峰值,且峰值的轴向位置不随氧化剂含氧浓度X_(O_2)的增大而改变。     

甲烷-空气低旋流火焰中自由基的辐射特性

为了研究低旋流火焰中CH*和OH*自由基的辐射特性,设计了开放式低旋流火焰燃烧器,对旋流数为0.45～0.60,甲烷流速为0.33m/s～0.83m/s的甲烷-空气低旋流火焰进行了实验研究。利用ICCD相机和相应滤光片获取了CH*和OH*的化学发光图像,对CH*中的背景光干扰进行了消除,并研究了旋流数和气流速度对两种自由基辐射发光的影响。结果表明,CH*和OH*都主要分布在火焰锋面上,OH*更能表征化学反应的存在;旋流数对燃烧的反应程度、反应位置以及火焰的结构有明显影响,OH*的轴向峰值和旋流数的线性相关系数为0.975,要强于CH*;随气流速度增大,CH*的发光强度减小,而OH*的发光强度明显增大。     

中心支板式RBCC发动机引射模态流动与燃烧研究

为了深入认识引射模态工作机理,针对中心支板式RBCC发动机,在飞行马赫数2、不同内置火箭流量时的工作情况进行了全流道一体化的数值模拟,并对其内流场特征、火箭射流/引射空气掺混发展特征以及复合型释热规律和火焰结构等开展了详细分析。研究发现:RBCC发动机引射模态下的流动掺混燃烧过程是一个复杂且高度耦合的过程。在即时预混燃烧(SMC)模式下,燃烧过程主要在内置火箭射流与来流空气之间形成的剪切层内进行;流道上游剪切层厚度较薄,温度和组分浓度梯度较大,掺混速率快;高释热区集中分布在流道上游,可分为超声速释热区和亚声速释热区;流道内的燃烧反应以扩散燃烧为主,随着掺混过程的进行逐渐向预混燃烧过渡。提高火箭流量,流道内温度升高,反应持续距离增加,但掺混效率降低。     

非平衡等离子体控制乙烯-空气旋流反扩散火焰实验研究

摘要：为研究非平衡等离子体自身特性及其对乙烯-空气反扩散火焰的影响,基于同轴旋流式等离子体喷嘴,采用交流激励介质阻挡放电（Alternating Current Dielectric Barrier Discharge, AC DBD）方式在乙烯旋流中产生非平衡等离子体,分别从放电图像、温度和流场变化等方面对乙烯等离子体的电学特性、热效应和气动效应进行了研究,最后通过反扩散火焰可见光和CH*自发辐射图像详细分析了等离子体对乙烯-空气反扩散火焰的影响及其机理。结果表明,AC DBD激励方式使乙烯旋流在喷嘴环缝内产生了丝状非平衡等离子体,丝状等离子体通道数目随着激励电压上升而显著增加。与空气等离子体和氧气等离子体相似,乙烯等离子体兼具热效应和气动效应,其热效应主要集中在放电核心区域,对射流加热作用微弱,对燃烧的影响可以忽略不计;气动效应显著,主要体现在增强了射流掺混、扩大了射流覆盖面积以及降低了转捩点高度,射流掺混的增强导致反扩散火焰最大释热强度提升,且在低当量比时较为明显,射流转捩点高度的降低引起了火焰中心位置下降。     

甲烷-空气预混火焰中化学发光定量化测量放热率的实验研究

为了研究化学发光定量化测量火焰放热率的方法,对当量比0.8～1.2,流速5cm/s～25cm/s的甲烷-空气预混火焰进行了实验研究。使用直径0.025mm高精度铂铑热电偶测量了平面火焰的温度分布,进一步得到了放热率分布,并对火焰结构及燃烧特性进行了分析;利用ICCD相机测量了甲烷-空气预混火焰中OH*和CH*的化学发光分布,并研究了两种激发态粒子的化学发光分布与放热率分布的关系。结果表明,常压下层流预混火焰的火焰厚度仅有0.5mm左右;气流速度的变化不改变火焰结构,而当量比对火焰结构有显著影响;OH*能够比CH*更准确地标识放热率的空间分布;两种激发态粒子的化学发光强度峰值与放热率峰值均呈线性关系,且线性相关性OH*强于CH*;得到了利用化学发光强度定量化测量放热率的方法。     

基于滑动弧的燃烧室头部强化燃烧特性

为了研究基于滑动弧的燃烧室头部强化燃烧效果，探究了燃烧室头部的点火过程以及不同等离子体电源输入功率下的点/熄火边界，利用像增强系统获得了CH*基团的分布云图。实验结果表明：输入功率的增大使得燃烧室的点/熄火边界均得到拓展，与160 W工况相比，输入功率为320 W时，点火边界平均拓宽约17.6%，与未放电相比，输入功率为320 W时，熄火边界平均拓宽约45.3%，滑动弧放电对熄火边界拓宽效果明显；当滑动弧能够点燃来流新鲜混合气时，输入功率的增加使得CH*基团分布向上游移动，当输入功率为320 W时，燃烧火焰驻留在燃烧室头部，当滑动弧激励器仅具有助燃作用时，输入功率的增加使得局部CH*基团辐射强度增强，热释放速率增加。     

甲烷-空气预混火焰中OH~*标识放热率的数值模拟研究

为了研究化学发光对放热率的标记特性,得到化学发光与放热率之间的定量关系,对当量比0.8~1.4,流速5~25cm/s的甲烷-空气预混火焰进行了数值模拟。分析了不同基元反应的放热特性及反应速率与放热率的关系;通过研究激发态粒子浓度分布与放热率分布,给出了OH*标识放热率的依据,并获得了放热率峰值与OH*浓度峰值之间的定量关系。结果表明,激发态粒子OH*和CH*都集中分布于热量大量释放的狭窄反应区内;OH*浓度分布随当量比的变化规律与基态粒子HCO相同,在当量比为1.0时峰值浓度最大;OH*可以标识放热率,且效果优于CH*;OH*浓度峰值与放热率峰值呈线性关系,当量比增大,比例系数减小。     

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。     

小尺度通道多孔介质表面火焰边界的实验研究

为了更好地在小尺度燃烧室中组织燃烧,对小尺度环形通道内多孔介质表面甲烷与空气预混火焰开展了流量和雷诺数边界特性实验研究。多孔介质采用了烧结金属粉末材料,燃烧在石英玻璃管和不锈钢管以及多孔介质组成的小尺度环形通道中进行。研究结果表明:随着预混气流量的增加,环形通道内的火焰形态由多孔介质表面火焰向推举火焰衍变,与推举火焰相比,多孔介质表面火焰更适合于在微小型燃烧室内组织燃烧。稳态预混气温度随流量的增加先上升后下降,其流量范围与两个火焰形态的基本重合,可以将温度的转折点作为表面火焰边界的定量判据。对于多孔介质表面火焰流量边界而言,当量比小于1.0时,甲烷预混气的表面火焰流量边界随着当量比的增大逐渐变宽;当量比大于1.0时,随着当量比的增大,多孔介质表面火焰流量边界变窄。对于多孔介质表面火焰雷诺数边界而言,随着当量比的增大,雷诺数边界逐渐变宽。     

基于CH自由基发光的旋流火焰放热率时空特性研究

对不同工况下CH4/air旋流火焰的放热率在时间上的热声振荡现象和空间的三维形态转变两方面进行了研究。在燃烧形态转变方面,由于旋流火焰的复杂流场分布特性,采用基于化学自发光的三维计算层析技术(3D-CTC),测量了雷诺数从5 000到20 000的三个工况下旋流燃烧的CH*发光三维火焰结构。以此表征放热率的三维分布,实现对旋流火焰放热空间形态的测量。该诊断方法通过对旋流火焰发光在8个视角下的二维成像,结合层析重建算法得到其三维CH*分布信息。为验证重建保真度,将重建后结果二维可视化与高速摄影下的二维时均结果进行对比,结果表明重建误差在5%以内。研究中,分析了不同雷诺数下放热率的空间变化规律,结果显示所有实验工况下放热率的垂直于喷嘴方向的变化程度比沿喷嘴轴向的要剧烈;而随着雷诺数增加,最大的放热区表现出了明显的向后推进趋势。在旋流燃烧的热声振荡方面,利用CH*的二维高速摄影,对旋流燃烧的放热率不稳定性进行研究,发现放热率的振荡频率随着雷诺数的增大逐渐增加。      

壁面微通道冷却对旋流燃烧室性能影响实验

为了探索微通道高效换热技术在低污染燃烧室壁面冷却中的应用,实验研究了壁面微通道冷却对模型旋流燃烧室性能的影响。结果表明:微通道结构对燃烧室热壁面具有显著的冷却效果,在雷诺数小于350时,雷诺数增加对壁面冷却有明显提升作用,在雷诺数大于350后,雷诺数的增大对冷却效果提高的促进作用减小;雷诺数增大对相同进气工况下CH*化学发光信号表征的火焰时均结构几乎不产生影响,但在个别工况下会使火焰产生黄色火星,甚至间歇地产生黄色火焰,带来不完全的燃烧;雷诺数增大会增强微通道对流换热程度,加大壁面传热速率,加剧火焰和微通道换热间的相互作用,使火焰表面发生较大的热量损失,最终造成CO排放量增加,NOx排放量降低,并使整体燃烧效率下降。      

Similarity phenomena of lean swirling flames at different bulk velocities with acoustic disturbances

In this study, flame responses to acoustic disturbances with different frequencies and amplitudes were experimentally investigated in a lean premixed swirl-stabilized combustor operating at different bulk velocities. The total heat release rate fluctuations and spatial CH* chemiluminescence distributions were captured using a photomultiplier tube and high-speed camera, respectively. The results indicate that the heat release rate exhibits a relatively drastic oscillation and high-order harmonics for low-frequency disturbances. When the bulk velocity and forcing frequency were doubled simultaneously, similar flame structures were observed in the CH* chemiluminescence distributions. As the bulk velocity increases, the gain of the Flame Describing Function (FDF) extends toward the higher frequencies, and the delay time of the flame response decreases. The similarity among FDFs at different bulk velocities was effectively captured by introducing a non-dimensional parameter, defined as the ratio of the flame response delay to the forcing time scale, to replace the dimensional forcing frequency. Furthermore, the availability of the newly defined non-dimensional parameter was verified for flames with different swirl numbers, as this played an important role in determining the flame structures and associated unsteady heat release rate.     

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。      

不同当量比下氢气体积分数对甲烷-氢混合气预混火焰燃烧不稳定性的影响

在可调振幅的正弦波声场作用下,以甲烷-氢混合气预混钝体火焰为实验对象,通过火焰传递函数表征整个燃烧系统的燃烧不稳定性特征,借助CH基自发荧光图像描述火焰锋面运动及演化过程,研究了在声激励下不同当量比（0.8、1.0、1.2）下氢气体积分数的变化（0、10%、20%）对火焰燃烧不稳定的影响。结果表明: 对于当量比为0.8和1.0的预混火焰,氢气的加入使得火焰传递函数幅值增大,热释放波动变大,整体火焰的不稳定性增强;对于当量比为1.2的富燃预混火焰,随着氢气体积分数的增加,火焰传递函数幅值先减小后增加,火焰稳定性较强。      

Combustion instability of pilot flame in a pilot bluff body stabilized combustor

Combustion instability of pilot flame has been investigated in a model pilot bluff body stabilized combustor by running the pilot flame only. The primary objectives are to investigate the pilot flame dynamics and to provide bases for the study of the interaction mechanisms between the pilot flame and the main flame. Dynamic pressures are measured by dynamic pressure transducers. A high speed camera with CH*bandpass filter is used to capture the pilot flame dynamics. The proper orthogonal decomposition(POD) is used to further analyze the high speed images. With the increase of the pilot fuel mass flow rate, the pilot flame changes from stable to unstable state gradually. The combustion instability frequency is 136 Hz when the pilot flame is unstable. Numerical simulation results show that the equivalence ratios in both the shear layer and the recirculation zone increase as the pilot fuel mass flow rate increases. The mechanism of the instability of the pilot flame can be attributed to the coupling between the second order acoustic mode and the unsteady heat release due to symmetric vortex shedding. These results illustrate that the pilot fuel mass flow rate has significant influences on the dynamic stability of the pilot flame.     

Experimental of combustion instability in NTO/MMH impinging combustion chambers

This paper presents an experimental study into dynamics of chamber pressure and heat release rate during self-excited spinning and standing azimuthal mode in NTO/MMH (nitrogen tetroxide/monomethylhydrazine) impinging combustion chambers. Nine cases including two combustion chamber configurations were conducted. The operating conditions of all unstable cases were located in the instability region according to Hewitt empirical correlation. The results show that chamber pressure oscillations keep pace with the corresponding OH* chemiluminescence intensity over the whole combustion region in the spinning and standing modes. It is indicated that the Rayleigh index is positive over the whole combustion area in all the unstable cases. A significant supersonic flame front structure of the first-order spinning mode was found in a cylindrical chamber, which means that a detonation wave could exist in the cylindrical chamber without a center body. The pressure and heat release rate oscillations at the pressure node are nonnegligible although their amplitudes are lower than those at the pressure antinode in the first-order standing mode with an annular chamber. Besides, the dominant frequency of pressure and heat release rate oscillations at the pressure node is twice as high as that at the pressure antinode.