多旋流直喷低污染燃烧室热声耦合燃烧不稳定机理研究

In order to reduce pollution emission, a multi-swirler direct injection low emission combustor is put forward, but the combustion instability caused by thermo-acoustic coupling may occur in the combustor, and often causes combustion noise and structure damage. In order to investigate the combustion instability mechanism in the multi-swirler direct injection low emission combustor, high frequency pressure transducers is applied to measure pressure fluctuation frequency for combustion instability. Particle Image Velocimetry (PIV) and Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF) are used to measure transient combustion flow fields and OH concentration in a pressure fluctuation frequency. And Digital High Speed Camera is applied to capture dynamic flame structure. At the same time, reasonable models and numerical methods are discussed, the unstable combustion flow field is studied by large eddy simulation. Through the treatments and analysis of predicted and measured results, the relationship of vortex structure, pressure fluctuation and heat release fluctuation can be obtained, therefore, the mechanisms of thermo-acoustic coupling and the real reasons to cause combustion instability in the multi-swirler low emission combustor are preliminarily revealed. These results of research also can provide the design basis for the improvement and development of the Lean Premixing Prevaporized (LPP) combustor that is widely applied in civil aircraft and gas turbine engine.

为降低民机发动机污染物排放,提出了多旋流直喷低污染燃烧方案,污染物排放性能令人满意,但该燃烧室会发生由热声耦合而引起的燃烧不稳定问题,导致燃烧噪声和结构破坏。为研究多旋流直喷低污染燃烧室燃烧不稳定机理，首先采用高频压力传感器和傅里叶变换获得燃烧不稳定时压力脉动频谱，采用高频PIV和PLIF分别测量燃烧脉动周期内不同相位下的瞬态燃烧流场和OH浓度，采用高速摄影仪捕捉燃烧不稳定脉动周期内火焰结构。同时，通过研究边界条件和数学模型，特别是燃烧与声学之间的多物理场耦合，采用大涡模拟方法模拟燃烧室燃烧不稳定过程。通过对数值计算结果和试验数据的处理与分析，建立燃烧不稳定脉动周期内不同相位下的瞬态流场、压力脉动与释热率之间内在联系，从而揭示民机多旋流直喷低污染燃烧室热与声之间耦合机理以及产生燃烧不稳定实质原因，也为民机和地面燃气轮机贫油预混预蒸发燃烧室燃烧不稳定问题的研究提供技术支持。

民用的低污染燃烧室及军用的高油气比燃烧室均容易引发燃烧不稳定问题，即热释放脉动与声波相互耦合，产生的幅值较大的压力振荡可对整机造成严重破坏。本项目以多旋流直喷低污染燃烧室为研究对象，针对燃烧过程中出现的燃烧不稳定问题展开了应用基础研究，采用了试验与数值模拟相结合的方法，探索了多旋流直喷低污染燃烧室中热声耦合燃烧不稳定机理问题，主要完成了申请书中提出的三点研究内容：1）试验研究多旋流直喷低污染燃烧室中热声耦合燃烧不稳定机理；2）多旋流直喷低污染燃烧室燃烧不稳定过程热声耦合大涡模拟；3）热声耦合燃烧不稳定的机理分析。在第一部分中得到了多旋流直喷低污染燃烧室燃烧不稳定的条件与边界、燃烧不稳定中CH*浓度以及动态火焰分布、燃烧不稳定中振荡速度场及燃烧不稳定中压力振荡特性等。在第二部分中分别开展了大涡模拟进口边界条件的给定和热声耦合燃烧不稳定大涡模拟研究。结果表明燃烧过程出现了内外回流区及内外剪切层，内外剪切层是产生脉动速度最强烈的位置，其增加了非对称涡结构的破裂，加剧进动涡核的发生，是诱发燃烧不稳定的关键因素。在第三部分中，认为燃烧不稳定稳定发生在声学共振状态下，且振荡压力与热释放脉动相互强烈耦合；此外，通过向燃烧系统中引入外激励声波，研究了火焰对扰动声波的反馈作用；最后发展的燃烧不稳定触发模型表明存在线性和非线性两种触发机制。上述三个方面的研究内容，分别从燃烧不稳定的外在表现和压力与热释放的内在耦合过程进行了细致的分析，对多旋流直喷低污染燃烧室的热声耦合燃烧不稳定进行了应用基础研究，揭示该燃烧室航空煤油燃烧引起的热声耦合燃烧不稳定机理以及产生燃烧不稳定的实质原因，为民机和地面燃机低污染燃烧室提供技术支撑。