热声耦合振荡燃烧的实验研究与分析

热声耦合振荡是在推进系统工作中经常遇到的危害系统工作及安全的现象。它是由非稳定燃烧放热和压力脉动互相耦合产生的系统振荡过程。通过对天然气预混燃烧过程中的热声耦合振荡现象进行了实验研究,分析了不同当量比、热负荷和进出口边界条件下天然气燃烧的动态过程,分析其稳定范围及振荡模态随影响因素的变化规律。结果显示振荡频率随着当量比的减小有所增加,但是没有发生模态变化。在常压条件、接近贫燃熄火极限时,热声耦合振荡现象消失,压力脉动频率跃升至500 Hz或1000 Hz附近的高频。燃烧室出口越接近阻塞条件,燃烧过程的稳定范围越小。同时入口边界位置越接近燃烧段,压力脉动频率越高。热功率变化也会对脉动频率和声压级数值产生影响。另外还采用线性扰动分析方法对天然气燃烧动态过程进行理论分析,进一步研究了不同条件下旋流预混燃烧的热声耦合振荡模态。

钝体燃烧器中心射流火焰不稳性机理实验研究

为了设计火焰更加稳定的燃烧器,需要对导致火焰不稳定的机理开展研究。通过在钝体外侧通环形空气流,中心通燃料得到钝体稳燃非预混火焰。借助平面激光测速仪、增强型光电耦合器等测量手段,对两类不稳定火焰——不稳定脱离火焰和分离闪烁火焰的流动和反应区分布进行了测量,分析了导致两类不稳定火焰机理。结果发现,中心燃料和空气雷诺数的相对大小不同的情况,进入回流区内的燃料量的差异,是导致出现不同不稳定火焰模态的重要机制。因此为了得到稳定的钝体燃烧器中心射流火焰,需要合理安排流场使得回流区内燃料浓度合理。

非预混火焰热斑产生和演化的理论计算

对于非预混火焰来说,燃烧反应区被扩散掺混作用控制,火焰体现出比较强的分布式特征,在扰动较大的情形下,火焰面会出现被撕裂的特征。这种情况下,热斑的产生和演化问题就成了非预混火焰稳定性研究中的一个重要问题。以一个理想二维平板非预混火焰为研究对象,在伯克-舒曼经典假设的前提下,通过格林函数法理论计算非预混火焰热斑的产生与演化的整个过程。研究发现较小的St数、较大的Pe数以及较快的对流速度有利于热斑向燃烧区下游的传播。这些结果将有助于理解非预混燃烧不稳定性的相关机理以及发展相应的控制方法。

分布式非预混火焰传递函数的实验研究

非预混燃烧是动力设备和推进系统中常见的燃烧组织形式。为了理解非预混火焰的动力学特性、预测和控制其振荡燃烧现象,有必要获得其火焰传递函数。本文通过实验测量对分布式非预混火焰的传递函数进行了研究,实验对象为甲烷空气同心射流火焰。实验中使用双麦克风技术测量燃烧室出口速度脉动,作为传递函数的输入量;使用CH基自发荧光测量燃烧过程的放热率脉动,作为传递函数的输出量。搭建了卡塞格林光学测量系统,以提升放热率测量的空间分辨率,实现单点测量,进而得到一维分布式火焰传递函数。结果表明,在频域内,实验中测得的传递函数的幅值沿火焰轴向存在两个峰值,在幅值的峰谷处相位角有180°翻转,这是热斑以对流速度向下游传播,跨越火焰面时所造成的。

曲率连续的压气机叶片前缘设计方法

为优化压气机叶片前缘形状以改善叶型性能,提出了一种曲率连续叶片前缘的设计方法。前缘设计过程基于三次Bezier曲线,只需引入三个设计变量。使用该方法对可控扩散叶型前缘进行了重新设计,并采用计算流体力学方法比较了不同前缘形状对于叶型气动性能的影响。计算结果表明新型前缘在来流马赫数0.2和0.6两种下均能够有效抑制前缘分离泡的产生和发展,与圆弧形和椭圆形前缘相比叶型攻角范围分别扩大约1.2°和2.5°。对跨声转子叶片的前缘进行重新设计后,提高了动叶效率,扩大了稳定工作范围。

合成气旋流预混燃烧的大涡模拟

如何高效洁净地燃烧合成气是整体煤气化联合循环(IGCC)系统中面临的主要问题。利用旋流贫燃预混燃烧可以达到强化传热传质,提高燃烧反应效率,降低NOx等目的,但由于合成气中所含有的H2成分,同样面临燃烧不稳定问题。为了对合成气旋流预混燃烧室的燃烧不稳定性及污染物排放提供理论和数值上的指导,采用大涡模拟方法,对典型的旋流预混燃烧室中的合成气燃烧进行了模拟。结果显示,随着H2含量的增加,火焰缩短向上游发展,燃烧室下游涡破碎更加集中。较高的入口雷诺数,加剧了涡团破碎的程度和速度,同时影响中心回流区和几何回流区的大小及分布。随着当量比的减小,火焰褶皱程度加大,燃烧趋向不稳定。增大压力火焰长度会明显缩短,NOx排放量也会随之增大,但NOx的反应速率只有在较低压力下才会对压力变化比较敏感。

振荡燃烧过程的同步测量方法

振动燃烧是由非稳定燃烧放热和压力脉动互相耦合产生的系统振荡过程。振荡燃烧的研究方法之一是对自激振荡燃烧相互耦合过程进行研究,得到系统的闭环特性。另外还可以对燃烧系统施加特定的扰动以得到燃烧系统的开环特性。为了研究振荡燃烧的动态过程,需要实现不同物理量的同步测量。相同步方法能够实现压力脉动与燃烧放热率脉动的同步测量,确定二者间的周期变化关系。通过对两个不同振荡类型的实验台进行相同步测量,分析振荡燃烧过程中压力脉动与放热率脉动的相位关系,并讨论了相同步方法的误差,提出了不同实现方案。这些结果将有助于我们提高火焰测量的相同步技术的准确性。