发动机燃烧室中火焰对来流扰动的动态响应研究综述

以航空航天发动机和工业燃气轮机燃烧室中的热声振荡为背景,介绍了热声不稳定性的基本概念和物理特性。首先,讨论了燃烧室中火焰对来流扰动的动态响应,分析了受扰动影响时火焰热释放率的脉动过程,回顾了火焰传递函数和火焰描述函数的实验、仿真和理论研究方法及结果。之后,讨论并分析了横纵向扰动、纵向双频率扰动以及考虑火焰曲率效应下的火焰响应特性。最后,介绍了近年来学界发现的一种与火焰响应密切相关的热声不稳定现象——固有热声不稳定,探究了火焰响应对固有热声不稳定模态的影响作用,分析了火焰响应在燃烧室热声振荡系统中的作用。

旋流预混燃烧室火焰描述函数分析及其自激热声计算

为考察运行参数对火焰描述函数的影响,及验证结合火焰描述函数的燃烧室热声不稳定数值预测方法可行性,测量了一燃气轮机典型旋流部分预混火焰不同运行参数下的火焰描述函数,并结合该实测火焰描述函数及热态阻尼率,采用亥姆霍兹法数值预测了燃烧室自激热声振荡参数。结果表明,该旋流部分预混火焰的火焰描述函数具有低通和带通增益峰,随激励振幅增加,增益不断降低;相位值与频率基本呈线性关系。当量比较低时,火焰描述函数主要呈现火焰拉伸效应引起的低通增益峰;随当量比增加,低通增益逐渐减弱,涡脱落效应引起的带通增益峰逐渐加强。随空气流量增加,火焰描述函数高增益频率带明显拓宽,而高增益对应的施特劳哈尔数St边界变化较小,增益峰均位于St=0.23和0.80附近。结合实测火焰描述函数、热态有火焰下阻尼率及温度分布,亥姆霍兹法数值预测的特征频率相对误差约10%,速度振幅比绝对误差在0.05以下。

模型旋流燃烧室气体燃料火焰不稳定特性分析

燃机在贫燃工况下易出现燃烧不稳定,分析和预测不稳定燃烧特性对保证燃烧室正常工作具有重要意义。通过数值仿真得到燃烧室的火焰描述函数(flame describing function,FDF),并结合低阶热声网络模型预测了燃烧室的热声不稳定特性。首先,通过模型旋流燃烧室自激振荡实验,得到振荡燃烧发生时的工况和主频;其次,利用大涡模拟(large eddy simulation,LES),得到火焰燃烧热释放率对不同入口扰动的响应特征,通过拟合得到FDF;最后,建立了燃烧室低阶热声网络模型,并分析了燃烧室不稳定特性。结果表明:模型预测的振荡特性与实验数据相符,说明该模型能够从机理上预测燃烧不稳定特性。

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.

声激励下低旋流火焰动态响应特性研究

针对声激励下甲烷/空气预混低旋流火焰动态响应特性开展实验研究。声激励频率为55∼295 Hz,相对幅值为0.1∼0.3。采用光电倍增管记录火焰自发OH∗荧光信号,采用双麦克风法测量入口气流速度脉动,采用高速相机捕获火焰结构动态响应过程。实验结果表明,小幅值激励下火焰时均结构变化不明显,大幅值低频激励下火焰长度明显增加,推举高度明显减小。低旋流火焰描述函数存在两个波峰和一个局部最小点,65 Hz时火焰增益最大,105 Hz时为局部增益最小点。随着激励幅值的增大火焰出现非线性响应特性,不过激励幅值对火焰描述函数相位基本没有影响。声激励下火焰长度和推举高度发生周期性脉动,低频激励下火焰主要发生轴向跳动,高频激励下火焰主要发生径向脉动。