固体火箭发动机声燃烧不稳定抑制方法综述

燃烧不稳定长期困扰着固体火箭发动机的研发进程。针对固体火箭发动机出现的声燃烧不稳定问题,从增大声能损失、减小声能增益以及改变发动机声腔模态的固有频率三个角度出发,阐述了燃烧不稳定抑制方法的基本原理;同时,从工程应用角度将抑制方法分为调整固体推进剂配方、改变发动机结构以及装配抑制机械装置三类,详细介绍并总结了燃烧不稳定抑制方法及国内外相关的工程应用实例,并分析了复杂飞行状态下固体发动机燃烧稳定性的影响因素。通过分析相关案例,有助于针对不同类型的压力振荡设计有效的抑制手段,从而为研究人员提供相关设计依据与参考。

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。

分层比对双旋流预混火焰结构和燃烧不稳定的影响

基于双旋流预混燃烧实验系统,采用动态压力传感器、ICCD相机等装置,研究了不同分层比对双旋流预混火焰宏观结构和燃烧不稳定的影响.研究结果表明:随着分层比增大,火焰的主释热区由主燃级下游逐渐移向火焰根部,再逐渐向预燃级下游靠近,旋流火焰张角随之增大,火焰中心界面结构有“W”、“V”和“多褶”3种典型结构;随着分层比增大,火焰由稳定转为不稳定,且主频都在60 Hz左右,振幅先增大再慢慢下降,且在分层比为1.25和1.50时,有明显的不稳定第二频率出现,其大小约等于2倍的不稳定主频.

非线性燃烧不稳定振荡幅值演化特征信号辨识方法研究

固体火箭发动机非线性不稳定压强振荡信号存在明显的多阶模态共存现象,且各个模态幅值随时间变化特性不同,模态之间存在振荡能量的传递与演化过程。为研究非线性燃烧不稳定模态间能量传递的演化规律,首先需要对振荡信号进行准确的模态分解。基于变分模态分解(VMD)方法,提出了一种可用于固体火箭发动机非线性不稳定振荡信号的自适应模态分解方法SPSO-VMD,解决了传统VMD方法无法自适应问题,在提高信号分解精度的同时极大的降低了计算时间。基于该方法,对典型的非线性燃烧不稳定信号的各阶模态进行了分解和分析。结果表明,该方法能准确地获得非线性燃烧不稳定振荡信号中各阶模态的频率和幅值,频率误差为0,幅值误差小于0.5%。最后,将该方法应用于真实发动机振荡数据获得了各阶模态幅值信息,为后续各阶模态之间能量传递演化研究提供了关键、准确的数据支撑。

固体火箭发动机燃烧不稳定研究进展与展望

围绕固体火箭发动机燃烧不稳定的研究现状及未来发展趋势进行了探讨。为了深入认识固体火箭发动机中的燃烧不稳定现象,并形成对其进行准确预示和有效抑制的方法,需要解决理论、计算及实验多方面的基础问题:燃烧不稳定的物理机制,不稳定的预示方法,发动机中各种增益和阻尼因素的特征,振荡增长过程中触发和极限环形成的机理,不稳定抑制技术及地面实验的等效分析方法。最后给出了总结与建议,明确了固体火箭发动机燃烧不稳定研究的目标和方向。

战术导弹固体发动机燃烧不稳定研究概述

介绍了大长径比战术导弹用固体发动机中产生的燃烧不稳定,分析了燃烧不稳定产生的机理,总结了国外典型的实验研究情况及其主要结论,以及国内固体发动机燃烧不稳定的状况。结合最新的研究进展,对燃烧不稳定的影响因素开展了深入分析:分析了声涡之间的耦合作用,重点讨论了声对涡的调制作用;分析了推进剂压强耦合对燃烧不稳定的影响,讨论了压强耦合响应函数的测试方法及其与推进剂配方之间的关系;分析了金属的分散燃烧及其凝相燃烧产物对燃烧不稳定的增益和阻尼作用。针对诸影响因素,提出了进一步的研究建议。

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耦合。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。

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。

液体火箭燃烧不稳定性主动控制数值仿真

基于压力隐式算子分割(PISO)算法,通过求解Navier-Stokes方程,对煤油/气氧/气氢三组元火箭发动机两相燃烧进行了数值仿真,得到了燃烧自激振荡的仿真结果;根据燃烧室压力变化,通过实时调节推进剂流量,对液体火箭发动机燃烧不稳定进行主动控制。仿真结果表明:对液体火箭发动机不稳定燃烧进行主动控制是可行的;通过调节推进剂流量的3%就可以抑制燃烧不稳定。

固体火箭发动机非线性燃烧不稳定分析方法

基于预估非线性燃烧不稳定的能量守恒方法,结合燃烧室流动控制方程,推导了发动机压强振荡幅值和平均压强的非线性耦合方程,用于预测固体火箭发动机的非线性燃烧不稳定特征:压强振荡的极限振幅和平均压强上升。针对圆柱形装药内孔燃烧固体火箭发动机,建立了物理模型和数学模型,实现了非线性稳定性的数值计算,对Blomshield的脉冲试验发动机数据进行数值计算,与试验结果进行对比吻合较好,验证了模型和算法的可行性。对燃烧室半径、燃速等敏感性参数进行了分析,得到了这些参数对发动机稳定性的影响。

用压力波动的小波高频分量检测燃烧不稳定性

针对燃烧不稳定性检测问题,提出利用燃烧压力波动的小波高频分量检测燃烧不稳定性的方法.为验证该方法,采用微压传感器测量了层燃炉稳定燃烧和不稳定燃烧工况下的压力波动,运用Daubechies一阶小波提取了它们的高频分量进行对比.结果表明,压力波动的小波低频分量表征了炉内压力水平的整体变化,而高频分量则与湍流和燃烧噪音强度变化一致.燃烧稳定时,小波高频分量幅值基本恒定;而燃烧不稳定时,压力波动的小波高频分量的幅值出现较大波动.

突扩燃烧室低频燃烧不稳定形成机理分析

突扩燃烧室在一定的工作条件下会出现燃烧不稳定现象。采用实验和数值模拟的方法对突扩燃烧室形成低频燃烧不稳定的机理进行了研究。通过实验研究发现突扩燃烧室压强振动过程中纵向振型占主导地位,但其振动频率并不与声学频率一致。建立了适合分析燃烧不稳定的多步化学反应动力学与大涡模拟耦合的数值分析方法,对实验发动机开展了非稳态数值模拟,获得了低频燃烧不稳定形成演化的详细过程和流场结构。实验和数值计算表明突扩截面形成的旋涡脱落,以及旋涡在燃烧室内的运动过程中引起燃烧面积、局部当量比和热释放率的脉动是激发低频压强振动的主要原因。压强振动引起上游速度脉动,进而形成旋涡脱落。大尺度旋涡在燃烧室内的运动又会引起热释放率的大幅度脉动,反过来又会促进压强振动。振动频率是由压强波和旋涡运动特征时间共同决定的。

同轴剪切喷嘴高频喷注耦合燃烧不稳定分析

同轴剪切喷嘴在大推力氢氧发动机及液氧甲烷发动机上得到了广泛的应用,研究表明,当同轴剪切式喷嘴的中心氧喷嘴喷注过程与燃烧室的声学振荡发生耦合时,容易发生高频喷注耦合燃烧不稳定。高频喷注耦合燃烧不稳定一般无法通过隔板、声腔等传统燃烧稳定装置解决,需要在设计喷注器时采取相应措施。通过求解喷嘴导纳得到了喷嘴的固有声学频率,并与冷态声学试验结果和缩比喷注器热试结果进行了对比,表明吻合较好。研究了氧喷嘴长度、氧喷孔环直径、氧喷前温度和氧喷前压力等因素对氧喷嘴声学频率的影响,结果表明:增大氧喷孔环直径、提高氧喷前压力以及减小氧喷嘴长度、降低氧喷前温度可以提高氧喷嘴声学频率。

突扩燃烧室低频燃烧不稳定主动控制的大涡模拟仿真(英文)

采用大涡模拟结合多步化学反应模型开展了突扩燃烧室低频燃烧不稳定的主动开环控制方法研究。针对突扩面形成的大尺度旋涡脱落和运动是形成低频燃烧不稳定的主要原因,提出了在突扩截面上放置窄缝进行小流量空气喷射和燃气吸出的方法进行燃烧不稳定的开环主动控制。通过大涡模拟仿真表明,这两种方式都能够比较有效地干扰突扩面上大尺度旋涡的形成和破坏振动能量的正反馈,起到较好的抑制效果,压强振动幅值分别下降了48%和54%。

突扩燃烧室低频燃烧不稳定控制方法

为实现对突扩燃烧室低频燃烧不稳定的高效控制,采用实验手段和数值模拟开展了低频燃烧不稳定的控制方法研究。开展了燃料脉冲喷射开环主动控制实验研究,发现燃料脉冲喷射所形成的周期性放热是抑制压强振动的主要原因。这种周期性放热与压强振动反相时会明显削弱压强振荡幅度,所以喷射相位角是影响控制效果的主要因素。对空气喷射控制方式进行了大涡模拟,这种方式能够比较有效地干扰突扩面上大尺度旋涡的形成,起到较好的抑制效果。对燃烧室突扩构型进行改进,开展了被动控制的数值模拟,通过采用台阶突扩面的被动控制方式指出了破坏大尺度旋涡的形成和切断振动能量的正反馈机制是实现燃烧不稳定被动控制的主要途径。

某燃油锅炉燃烧不稳定自动停炉故障分析处理

就某燃油锅炉燃烧不稳定故障,从基本结构和工作原理分析原因和纠正措施。

突扩燃烧室低频燃烧不稳定主动控制实验研究

采用实验手段,开展了突扩燃烧室低频燃烧不稳定主动控制方法研究。进行了燃料脉冲喷射开环主动控制实验,发现燃料脉冲喷射所形成的周期性放热与压强振动反相时会明显削弱压强振动幅度,喷射相位角和占空比是影响控制效果的重要因素。通过调节参数实验,确定了较优的控制参数范围。建立了具有反馈的自适应闭环控制策略,通过实验验证了闭环主动控制是一种能有效抑制突扩燃烧室低频燃烧不稳定的方法。

M701F4燃气轮机热声耦合燃烧不稳定机理及对策

324MW三菱M701F4燃气轮机作为国内最大的燃气轮机,其燃烧稳定性关乎联合循环机组安全性、经济性、环保性及可靠性,显得尤其重要。本文对热声耦合燃烧不稳定机理进行了详细分析,重点阐述了提高燃烧稳定性的结构特点和监控手段,为提高联合循环机组综合性能提供技术支撑。

超声速燃烧不稳定的尺度效应分析

为了研究超燃冲压发动机中燃烧不稳定现象尺度效应的规律和原理,参照超声速燃烧实验开展多种尺度条件下的二维数值仿真计算研究,系统分析了不同尺度条件下边界层厚度、燃料混合效率对燃烧不稳定现象的作用规律.进一步通过设计多组喷注条件与凹腔构型,分析燃烧不稳定现象的敏感因素.结果表明:燃料和主流的混合效率是影响燃烧不稳定现象的关键因素,边界层相对厚度与燃料混合效率正相关,超声速燃烧尺度通过影响边界层相对厚度影响燃烧不稳定现象.超声速燃烧不稳定具体表现为燃烧振荡,火焰闪回是燃烧振荡的首个子过程,热力学喉道的形成是火焰闪回现象的必要条件.凹腔尺度通过影响凹腔、主流之间质量和热量交换程度影响火焰闪回速度.来流总温通过抑制热力学喉道的形成抑制火焰闪回现象,喷注压力和喷注方向通过影响燃料和主流的混合效率影响燃烧不稳定现象.

单喷嘴模型发动机纵向高频燃烧不稳定性实验分析

为掌握喷嘴缩进长度和燃烧室长度对气氧/煤油火箭发动机高频燃烧不稳定性的影响规律,设计并开展了单喷嘴模型发动机燃烧实验。实验选用了气液同轴离心式单喷嘴,采用中心供应氧气,液体煤油经切向孔沿轴向旋转进入喷嘴的形式,为测试燃烧稳定性,燃烧室和喷嘴缩进的长度分别作为实验变量,利用高频压力传感器采集数据,基于压力信号对实验结果,尤其是呈现的纵向高频燃烧不稳定性现象进行了细致地研究。结果表明:在本文研究条件下,随着缩进长度的增加,对纵向高频燃烧不稳定性产生阻尼作用,但不会消除纵向高频燃烧不稳定。燃烧室的长度在516和356mm之间存在某个值,使得喷嘴缩进长度对燃烧稳定性影响可以忽略。随着燃烧室长度的增加,一阶纵向声学频率逐渐减小,而幅值逐渐增强。出现这些现象的原因是燃烧过程压力振荡与声波存在相位差。此外,燃烧室长度对纵向高频燃烧不稳定性的影响比缩进长度更明显。