Rijke管的实验研究和理论分析

为了探讨脉动燃烧器的原理，本文实验研究了Ｒｉｊｋｅ管中热源位置、温度和出口条件等参数对发声频谱、声压的影响，以及Ｒｉｊｋｅ管瞬态发声特性和热源饱和现象。借助Ｒａｙｌｅｉｇｈ准则，作了定性的理论分析，并与实验结果比较。从实验和理论两方面进行新的探索，来研究与Ｒｉｊｋｅ管相关的物理现象。

Rijke型燃烧装置结构特性对声波自激的影响

分析了 Rijke型燃烧器结构对声波产生的影响 ,根据理论分析及实验结果得出在较大型化的实验装置上实现声波作用燃烧的可能性和燃烧器结构对声激发的影响规律 ,以及减少燃烧器内部声能损失 ,促进和维持声能自激、转换的方法 ,为 Rijke型燃烧器走向大型化、实用化提供了理论及实验依据。

横向射流对Rijke型燃烧器热声不稳定控制效果的影响

为了研究横向射流控制Rijke型燃烧器内自激热声不稳定的机理,搭建了Rijke型燃烧器热声不稳定控制试验台架。Rijke型燃烧器采用贫燃预混的燃烧方式,使用氮气作为射流气体进行横向射流主动控制。试验测量了不同射流速度和射流流量情况下Rijke型燃烧器热声振动的振幅和频率,分析了二者对控制效果的影响。试验发现横向射流是有效的Rijke型燃烧器热声不稳定控制方法,Rijke型燃烧器热声不稳定的控制效果随横向射流进气速度和横向射流进气流量的增加而线性增加,另外,当射流气体速度为24.00 m/s,流量为4.52 L/min时,控制效果高达98.81%,此时仅有小幅低频振动。

Rijke管声学特性数值研究

应用计算流体动力学(CFD)技术对Rijke管内的声学特性进行了研究.采用内外流场耦合建模方法研究Ri-jke管内流场,得到了相应的管口声压和声泄漏值.提出热源周围空气非定常热流量与声压、脉动速度之间关系的假设.依靠自身参量如声压、速度和温度的波动来激发Rijke管振荡,模拟了Rijke管的声学特性,得到管口声压分布云图,分析了模拟中出现的物理现象,解释了Rijke管自激励振荡的机理.进行了Rijke管管口截面收缩的模拟实验,得到了管口收缩能使噪声降低的结论.

Rijke型燃烧器热声不稳定的频率跳跃

为研究热声不稳定的自激机理,搭建了Rijke型预混燃烧器热声不稳定试验台架,研究了其热声不稳定起振过程的频率特性。Rijke型燃烧器为两个不同尺寸的方管,下端封闭,上端开口,多孔介质稳燃体位于燃烧器下端四分之一管长处,甲烷与空气的预混气体在稳燃体上方燃烧,形成平面火焰。试验发现了Rijke型预混燃烧器内热声不稳定的起振过程中存在着频率跳跃,燃烧热释放脉动与燃烧器声场的耦合首先激发低阶的热声振荡,然后此低阶热声振荡逐步消退,再度激发起更高阶的热声不稳定,依次类推,直至激发起适合当前燃烧器结构的稳定持续的压力振荡.

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。

新型Rijke管燃烧装置特性分析

在实验的基础上指出 ,声脉动的发生不仅取决于 Rijke燃烧器的结构及热源位置 ,还受到进口处空气流速、温度梯度和气体平均密度等参数的影响。当这些参数和脉动速度数量级相当时 ,稳定的声场强度随空气进口流速的增大而加强 ,该流速的确定同时还要考虑燃烧的完全性。

Rijke管热声不稳定的实验研究

针对推进系统常发生的具有破坏性的热声振荡现象,为了获得热声振荡的共振频率信息并提供一种有效的抑制途径,自行搭建了Rijke管热声振荡实验测试平台,在不同热源位置、不同热源功率及不同空气流速等条件下测量了热声振荡的频率及声压。实验测得的热声振荡频率均在110~117Hz之间,属低频振荡,且热声振荡的频率和声压随热源功率和空气流量的增加整体呈现升高的趋势;相反,随着热源的后移,共振频率下降,当热源在Rijke管的1/4处时,热声振荡的发声强度达到最大。此外,随着热源功率和空气流速的增加,热声不稳定的区域随之增大。实验结果与理论计算结果吻合良好,从而可为推进系统热声振荡的主被动联合控制方法提供丰富、可靠的实验数据。

变功率下Rijke预混燃烧器的热声不稳定

为探索燃烧过程中热声不稳定的产生机理，对Rijke预混燃烧器热声不稳定进行了试验研究．Rijke预混燃烧器为直径40mm、管长1066mm的不锈钢圆管，下端封闭，上端开口；致密堇青石材质的多孔介质稳燃体位于燃烧器1／4管长处，甲烷与空气的预混气体在稳燃体上方燃烧形成平面火焰作为加热热源．试验发现，Rijke预混燃烧器的燃烧温度和热声不稳定强度都随功率的变化而线性变化，获得的声压级位于132-143dB．另外，Rijke预混燃烧器内热声不稳定的主峰频率几乎不受功率的影响，但幅值为最大峰值一半时的高频率和低频率之差随着功率的增大而不断减小，说明燃烧功率越大时，热声不稳定的声能就越集中于主峰频率．

Rijke热声振荡的非线性效应

本文研究了Rjike管热声振荡的非线性效应，指出了引起非线性效应的两个因素，即热声相互作用的非线性和声波在管子末端的非线性辐射声阻,并通过计算声波振幅的增长率和实验分析声波的频谱，发现非线性效应限制了管内声波振幅的增长，并且导致了二次及高阶谐波的产生。

扬声器对Rijke型燃烧器热声不稳定控制效果的研究

扬声器布置在Rijke管型燃烧器入口和出口处,输出不同频率和声压级的声波可以对热声不稳定进行开环主动控制。试验发现在热声管燃料入口燃料管路布置扬声器是一种有效的热声不稳定主动控制方法,扬声器发出的声波可以使热声不稳定的压力振荡有所衰减,同时也会产生新的和声波同频的压力振荡;在某些工况下,和声波同频的压力振荡幅值甚至会高于热声不稳定的压力振荡幅值;在该试验中,当扬声器声波频率为50 Hz、声压级为100 d B时,控制效果最好,达到38.55%。布置在热声管开口端的扬声器也是一种有效的热声不稳定主动控制方法,在该试验中,当扬声器声波频率为300 Hz、声压级为115 d B时,控制效果最好,此时控制效果可达34.58%。

Rijke燃烧装置中热源位置的数学模型

根据Rayleigh准则建立了一个简化的数学模型,对Rijke燃烧装置中热源的特性位置进行了研究,避免了线性化分析方法的不足,同时将理论分析的结论和实验结果进行对比,得出Rijke燃煤装置的热源相对高度可取0.12～0.13,能够发生声波作用下的燃烧。

Rijke-ZT型脉动锅炉燃烧系统分析

通过对Rijke—ZT型脉动锅炉燃烧系统的试验分析,得出以下结论:(1)采用变截面方法可以减少声能在管口的损失,减小长径比;(2)两端收口后的Rijke-ZT型燃烧器长径比明显缩小,工作频率不再满足1／2波长管特性,燃烧器的加热面位置也不同于直管Rijke脉动燃烧器;(3)用一维声传播传递矩阵法能方便地估算Rijke-ZT型脉动燃烧器的脉动频率,其误差范围在10％以内;(4)只要脉动工作频率低于尾管的截止频率,尾管内就只能形成一维平面驻波脉动,从而在保证整个Rijke—ZT型脉动燃烧器正常工作的同时,可实现尾管任意角度弯曲。

Rijke管热声非线性不稳定增长过程的研究

本文分析了Ｒｉｊｋｅ管热声不稳定性的非线性增长过程，通过流体力学中的三个基本守衡方程，得出了管内的声学量之间的关系，并通过采用热声相互作用的非线性关系式和管口声波的非线性反射条件，发展了一种可以计算出管内声波从小扰动增长到大振幅振动直到由于非线性效应的影响而停止增长的全过程的方法，最后实验验证了理论。

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 .

Rijke燃烧器热声振动频率的数学推导及试验验证

采用分离变量法和HP E1432A高速动态数据采集系统对Rijke燃烧器热声振动频率进行了数学推导和试验研究。由牛顿第二定律、质量守恒定律及物态方程推导出声波振动频率的计算公式,求得其解析解。试验采用不锈钢管作为研究对象,下端封闭,上端开口;致密堇青石材质的多孔介质作为火焰稳燃体;甲烷与空气预混气体在稳燃体上方形成平面火焰作为加热热源。试验通过压力传感器和HP E1432A测得管内各处的压强信号,并通过快速傅立叶变换得到其相应的热声振动频谱。结果表明,Rijke燃烧器热声振动频率的数学解析解和试验结果基本一致。

Rijke型燃烧器热声振动特性的试验研究

为研究燃烧过程中的热声振动特性,搭建了Rijke型预混燃烧器热声振动特性试验台架,并进行了化学当量Ф为0.8、1.0和1.2的三组试验研究。Rijke型预混燃烧器为直径40 mm,管长1066 mm的不锈钢圆管,下端封闭,上端开口。致密堇青石材质的多孔介质稳燃体位于燃烧器四分之一管长处,甲烷与空气的预混气体在稳燃体上方燃烧。试验获得的燃烧温度位于611 K—943 K之间;热声振动频率在440 Hz—476 Hz之间;热声振动声压级位于131 dB—146 dB之间。试验发现,Rijke型预混燃烧器的燃烧温度在同一燃烧功率下基本一致,不受化学当量比的影响。热声振动频率随燃烧功率的增加轻微上升,不同化学当量比下振动频率的变化幅度不相同,贫燃和富燃时频率随燃烧功率的增加有较大的增加,且贫燃大燃烧功率时出现了低频大振幅振动与高频振动并存的现象。热声振动强度强烈依赖于燃烧功率和化学当量比,同一燃烧功率不同化学当量下的热声振动强度相差可达50%。

内外流场耦合法数值研究Rijke管声学特性

基于流体力学、传热学和声学研究成果,采用内外流场耦合建模的方法研究Rijke管脉动内流场,解决了大振幅驻波热声场管口边界条件的处理和出现数值发散的问题。从能量平衡的角度出发,提出非定常的热流量与声压、质点振速之间关系的假设。依靠自身参量,如气体的脉动压力、脉动流速和温度波动,来激发Rijke管振荡.模拟了Rijke管的声学特性,分析了Rijke管自激励振荡的机理。运用该模拟方法对不同尺寸、不同管口形状的Rijke管进行了数值实验,模拟结果与实验结果较好吻合,能捕捉Rijke管的管口声学特征量。

Rijke热声不稳定性的有源控制

从理论上推导出一个确定带有控制系统的Rijke管的稳定性的条件，并研究了管中声模式的复本征频率与放大倍数和相移的关系。然后通过分析管末端声波反射条件的变化，阐述了有源控制热声不稳定性的机理。最后对有源控制进行了实验研究．该研究说明了起源于线性扰动（声学量级）的非线性的不稳定增长过程，可以用一个线性的小扰动去控制，使系统达到稳定．我们的理论与实验结果再一次证明了有源控制流体动力不稳定性的可能性。

Rijke管工作原理新探讨

Rijke 管现象是热力激发声振的典型例子.本文从基本方程着手,用声强的概念,阐明了 Rijke 管的工作原理.研究表明,由于 Rijke 管中的温度梯度和空气主流量使声振速度和压力脉动之间的相位差不是90°,因此有声强的产生.当声强梯度的负值等于声能在管内的耗散时,系统就维持声振状态.文中还评述了几种 Rijke 管工作原理的旧模式.