燃烧室声腔结构对固体火箭发动机热声振荡影响的实验研究

固体火箭发动机燃烧室中的热声不稳定燃烧会对发动机的正常工作造成严重危害,为了能够对热声不稳定的影响机制有更加深刻的认识,基于缩比固体火箭发动机设计了一种平面燃烧器热声实验装置,通过开展多工况实验研究了化学当量比和燃烧室声腔结构对燃烧室中热声振荡的影响。研究发现,在长度为920 mm、内径为150 mm不含模拟药柱的燃烧室中,随着化学当量比的增加,热声振荡的幅值先增加后减小,振幅在化学当量比∅=1.31处达到最大值35.4 Pa;在含有模拟药柱的燃烧室中,随着化学当量比的变化,燃烧室中出现了热声不稳定模态转换的现象,即热声不稳定从一阶声不稳定变为二阶声不稳定。对比分析了药柱内径对两种不稳定模态频率和振幅的影响,通过测量压力衰减系数进一步分析了药柱结构特性对热声振荡的阻尼作用,发现药柱结构对热声振荡的阻尼作用随药柱内径的增大而减小。结果表明,在发动机工作过程中,随着燃面的退移,药柱的内径变大,阻尼作用会越来越小,导致发动机工作末期稳定性降低,出现燃烧不稳定现象的风险增加。

Rijke管内热声振荡机理的一种新解释

根据气体的密度、粘度和导热系数等物性参数随温度变化的规律 ,提出了Rijke管内热声振荡机理的一种新的解释 .由于气体密度随温度增加而减小 ,动力粘度和导热系数随温度增加而增加 ,故在一定的加热条件下 ,加热管内会形成压力与流量关系的奇异性 ,产生不稳定性 ,从而导致热声振荡 .这一研究结果从另一个角度揭示了热声现象的机理 ,对进一步认识该现象具有一定的意义 .

超临界压力航空煤油热声振荡与传热恶化实验研究

为了深入理解超燃冲压发动机再生冷却系统中碳氢燃料的流动传热规律,对竖直上升圆管内RP-3航空煤油的超临界对流换热做了实验研究。详细探讨了质量流速、热流密度、压力等对管壁温度和换热系数分布的影响,并拟合得到了过渡区和湍流区的对流换热经验关系式。结果表明:近临界和较高压力下的换热呈现出迥异的特征。在近临界压力过渡区的高进口过冷度工况,近壁流体密度和黏度的综合作用引起了热声振荡现象,使换热显著增强;而主流温度处于拟临界温度附近时却出现了由近壁流体体积急剧膨胀导致的传热恶化现象。在高压力下,过渡区热声振荡和湍流区传热恶化都不会出现,但低质量流速时强浮升力使过渡区进口段出现了严重的壁温飞升现象。新关系式具有良好的适用性,预测值与实验值的相对误差在20%以内。

预混火焰热声振荡的高速摄像分析

对多孔介质稳焰机理以及预混火焰发生动力学失稳的原因进行了理论分析,并利用振动噪声分析仪和高速摄像仪研究了贫燃、贫氧预混火焰发生热声不稳定时燃烧室内的声压振荡特性及火焰热释放的脉动规律.当化学当量比Φ≥1.24时,贫氧预混火焰因连续点火源消失而发生动力学失稳;当Φ≤0.80时,贫燃预混火焰则因预混可燃气流速与火焰传播速度之间平衡关系被破坏以及局部猝熄等原因而失稳.当贫氧预混火焰发生热声耦合振荡时,燃烧室内的压力振荡特征频率及最高振荡幅值均较低,分别为9.02Hz和80dB;而当贫燃湍流预混火焰发生热声振荡时,燃烧室内的压力振荡特征频率为127.07Hz,声压级最大振幅高达115dB.图像分析显示,火焰热释放的脉动与声压振荡是频率相同、相位相近的.

可视化Rijke型热声振荡演示器的研制

叙述了一可视化Ｒｉｊｋｅ型热声振荡演示器研制过程。相比于传统的热声演示器，这一新型装置具有更直观更简单的优点，是一理想的教学演示装置。文中还给出了初步的实验结果以及研制与实验过程留给我们的启示。

热声振荡的格子气模拟

采用二维九速的格子气模型模拟热声振荡,建立了完备的多体碰撞规则,提供了粘性和热边界的处理方法.对不同热源温度的热声振荡起振特性进行了模拟,同时也数值模拟研究了板叠两端温度随时间的响应过程.研究结果显示,碰撞规则完善与否会影响格子气的模拟结果,系统中的温度场对板叠温差的扰动存在响应滞后,温差直接影响热声振荡的起振特性.此外,低温热源对格子气模型噪声的影响更为敏感.

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。

内燃机燃烧过程的热声振荡现象研究

以经过改装的火花点火式发动机作为研究对象,首先进行不考虑燃烧室声场影响的内燃机燃烧三维模型燃烧模拟,并将模拟结果同燃烧过程高速摄影结果比较分析;然后进行燃烧室声激励下的压力场研究和考虑燃烧室声场影响的准维模型的燃烧模拟计算。不考虑燃烧室声学影响的燃烧模拟结果与实际的燃烧试验结果存在较大的差异;闭式燃烧室内考虑声学影响时,由于燃烧激励使得燃烧室的压力场存在着波动。结果表明,燃烧室的声学特性对燃烧过程中压力的变化存在显著的影响。

行波和驻波模式下热声振荡的临界温度梯度

热声机械作为一种能量转化装置。其效率于传统发动机还有较大差距。本文讨论了热声发动机在驻波和行波两种不同工作状态下，其声功率产生的临界温度梯度与流道尺寸和工作介质的关系，得出了两种模式下最佳的工作条件。结果表明；采用行波形式的热声发动机结构，可以有效降低临界温度梯度，提高热致声的效率，同时可以利用一些低品位来做为热声发动机的高温端。

热声振荡及其在制冷中的应用

回顾了热声振荡研究简史，介绍了热声机械的工作原理及设计要点。

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。

热声振荡滞后回路

】首次提出了热声振荡滞后回路的概念，即热声振荡中起振温度与消振温度的相异而形成的一独特回路现象。对以氮气为工质的热声驱动器进行了实验。

热声振荡可视化演示装置的研制及初步实验

介绍制作的2套可视化型的热声振荡演示装置。利用这2套装置不仅能更好地理解热声现象,而且据此能定性的分析热声振荡的特性和机理。

Taconis热声振荡研究进展

回顾了Taconis振荡方面的研究成果和相关热声理论的发展历史,重点介绍了Taconis振荡研究过程中的重要进展,讨论了Taconis振荡研究中的关键科学和技术问题,并对Taconis热声振荡研究领域的发展方向进行展望。

格子气的声振荡衰减

采用格子气数值方法模拟了共振腔中气体声振荡衰减过程 .计算结果表明 :格子气中声振荡衰减的规律和经典理论结果一致 ;衰减系数随频率增加而减小 ,并且随密度增加而减小 .该结果可以用来说明一些大学统计物理教科书中的一个经典例子存在不完善之处 .本文中采用了一种新的扭转 9-bit格子气模型和并行计算方法 ,这些结果对今后研究格子气中的热声问题有参考价值 .

阻尼环对固体火箭发动机热声振荡的影响

为了有效解决推进系统中热声压力振荡的危害问题,对热声压力振荡的抑制特性进行系统研究。基于固体火箭发动机设计一种平面火焰圆柱形燃烧室实验装置,根据此实验系统,开展阻尼环及其安装位置对热声压力振荡抑制影响的实验,并通过理论计算对实验规律进行了验证。结果显示:无阻尼环时燃烧室内激发出频率为115 Hz,振幅为119 dB的1阶压力振荡;安装阻尼环后使得1阶压力振荡幅值减小至81 dB,降低约32%,但同时也激发出较弱的高阶振荡;当阻尼环向燃烧室出口移动,1阶压力振荡幅值进一步减小,降低约13%,而高阶模态振荡幅值略有增加。理论计算结果与实验规律吻合较好,表明:阻尼环增加系统阻尼,从而有效抑制了热声压力振荡;且阻尼环靠近出口处阻尼更大,抑制效果更明显。

富氢燃料贫预混旋流燃烧热声振荡特性的实验研究

贫预混燃烧是实现富氢燃料燃气轮机低NO_x燃烧的有效途径之一,但是贫预混燃烧极易产生热声振荡,热声振荡会干扰燃烧过程,对燃烧室的结构造成破坏。本文通过实验分析了当量比、燃料组分以及空气质量流量对热声振荡特性的影响。结果表明:在动态压力功率谱上有两个明显的峰值,其频率均随当量比的增加而增加,同时当量比也会影响振荡强度;氢含量越高,越容易发生热声振荡,提高氢含量会影响热声振荡的特性,当氢含量达到一定值之后再提高氢含量对热声振荡特性的影响变得不明显;空气质量流量越大,振荡强度增大,稳定燃烧的范围变小。

Rijke管热声振荡的稳定性切换行为研究

采用数值方法模拟了强弱两种阻尼条件下传热迟滞时间对一维Rijke管热声系统稳定性的影响,发现Rijke管系统存在稳定性切换现象.在推导了无量纲形式的管内声波动量方程和能量方程之后,利用Galerkin方法对控制方程进行展开并在时间域内数值求解.分析了强阻尼和弱阻尼条件下,给定热源的Rijke管热声振荡的稳定性与传热迟滞时间的关系.结果显示:在两类阻尼条件下,持续增大传热与速度的迟滞时间,系统均呈现出稳定性切换现象,即系统在稳定和不稳定两个状态间持续转变;但弱阻尼系统的不稳定区域宽于强阻尼系统的不稳定区域,系统最大振幅相对增大,且系统热声振荡的主模态在不同模态之间发生转换.最后,通过求解系统各阶模态极限环幅值随传热迟滞时间的变化,发现Rijke管热声振荡稳定性切换现象与迟滞时间存在近似周期性关系.

注蒸汽燃气轮机热声振荡的测试与分析

针对燃气轮机燃烧室在燃烧不稳定时出现的热声振荡现象,在诸多运行条件下对新研发的干式低NO_(x)(dry low NO_(x),DLN)燃烧室的动态压力进行了现场测试,分析了起动过程、增减负荷过程、蒸汽回注过程对燃烧稳定性的影响。结果表明:在燃气轮机点火后的升速过程中,出现了短暂的热声振荡现象;增加燃气轮机的负荷会使热声振荡增强,而且还会出现不同频谱上的能量迁移,需要调整值班比对其加以抑制;蒸汽回注对燃烧室的稳定性没有明显的影响。

液氦贮存容器中热声振荡发生条件及抑制措施

巨大温差的存在致使液氦贮存容器中容易自发产生热声振荡,造成远高于绝热设计预期的漏热损失。为抑制或者消除液氦贮存容器中的热声振荡,以Rott计算得出的热声振荡临界曲线为出发点,分析了热声振荡的发生条件,介绍了热声振荡的抑制措施。针对用于超临界氦贮存的110 L液氦容器,计算了其各连接管路避免热声振荡发生所需的几何尺寸条件。在调节几何尺寸不能满足要求的情况下,通过引入外加振荡阻尼器的方法,获得了不同条件下振荡阻尼器的结构参数。研究方法和结果可对液氦贮存容器的设计提供参考。