钝体稳定火焰尾流特性的数值模拟研究

为了研究钝体火焰稳定器后方尾流的动力学特性,采用IDDES湍流模型与FGM燃烧模型相结合的方法,针对Volvo钝体稳定预混火焰试验构型的冷态与燃烧工况,进行了非定常数值模拟,对比了冷态与热态流场的差异,并分析了当量比对热态流场尾流特性的影响。将数值模拟结果与实验数据进行对比,吻合良好,说明采用的湍流与燃烧模型能够准确地描述流场特征。研究结果表明,在冷态工况的钝体尾流中,存在K⁃H与BVK两种流动不稳定性;在热态流场中,火焰锋面释热导致的气体膨胀与斜压效应削弱了钝体后方涡量的生成,对剪切层中涡结构的卷起过程起到了稳定作用;来流预混可燃气的当量比越高,尾流中BVK不稳定性受到的抑制作用就越强。

模型预混燃烧室燃烧不稳定性研究

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室的燃烧不稳定性现象进行了实验研究和数值模拟.实验中利用动态压力传感器测量了不同当量比时燃烧室内动态压力的频率和振幅.结果表明:随当量比增加,不稳定性频率从251Hz增加到258Hz.不稳定性振幅与大气压力比值从2.7%增加到6.1%.对燃烧室进行了定常和非定常数值模拟以及声学模态分析,得到了周期性旋涡脱落的频率为260Hz和燃烧室系统的前5阶本征声学模态频率.其中第3阶纵向声学模态频率与实验值基本一致,说明维持不稳定性的机理为钝体火焰稳定器后旋涡的周期性对称脱落和燃烧室系统的第3阶纵向声学模态形成了耦合.

模型预混燃烧室线性稳定性分析

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室进行了线性稳定性分析.利用COMSOL Multiphysics软件求解了三维Helmoholtz方程,方程的源项为耦合指数-延迟时间模型.对模型预混燃烧室进行非定常计算得到了化学反应速率的周期性变化,确定了非定常热释放发生在火焰的尖端.由压力和温度信号的相位差得到了当量比为0.72,0.8,0.88,0.97四个工况的延迟时间,分别为0.6,0.3,0.9,0.6ms.线性稳定性分析得到了模型预混燃烧室系统纵向模态频率的实部和虚部,当虚部为负数时表示线性不稳定.结果显示:系统的前5阶纵向模态中,2~4阶是线性不稳定的.其中3阶纵向模态的虚部绝对值最大,它的物理意义是对小扰动的增长率最大.因此在有扰动时,3阶纵向模态最有可能线性失稳,产生燃烧不稳定性现象.