极端条件下发动机燃烧不稳定性的电场及等离子体控制基础研究

This proposal tightly corresponds to the grand technical challenges of developing advanced, self-innovative jet engines or gas turbines. Aiming to intensively address key issues of oscillating combustion phenomena in engines under extremely operational conditions, the fundamental studies on electrically- or plasma-assisted combustion dynamic control (or combustion instability mitigation) are carried out. Three key scientific problems are raised, which consist of (i) in situ optical diagnostics on the unsteady heat release under extreme conditions as well as characteristic electrical quantities in flames, (ii) the interacting mechanism between the electric/plasma fields and the swirling flame dynamics, and (iii) direct control of combustion instability by the electric fields or plasma discharges. Successively, the proposal, investigates the interaction of local flame structure with electric field/plasma discharge under extreme conditions, establishes computational methods of complex combustion dynamics by implementing the sub-models of electric field or plasma discharges, explores the inherently coupling mechanisms between thermal, acoustic, electric and chemical effects in complex flames, proposes and quantifies the flame transfer function under the forcing by electric field or plasma discharges, and finally constitutes a novel direct control strategy of combustion instability by applying electric field/plasma discharges. Generally, starting from the cooperation between military and civilian institutes as well as the international cooperation, this proposal may build the theoretical frame of combustion instability and control strategy, improves the capability of self-innovation, and provide the solid support for the research and development (R&D) of stable and controllable combustion technologies for jet engines or gas turbines.

本项目紧密结合国家面向发动机自主创新的重大技术需求，以极端条件下发动机不稳定燃烧的共性科学问题为核心，开展基于电场及离子体对燃烧不稳定性控制的基础研究。针对极端条件下火焰释热率脉动和电学特征量的在线光学诊断、电场及等离子体与旋流火焰动力学耦合机制、极端条件下燃烧不稳定性的电场及等离子体控制三个关键科学问题，采用先进实验和理论计算相结合的方法，开展电场及等离子体与火焰局部结构的作用机理研究，建立耦合电场及等离子体作用的复杂燃烧系统的理论模型和计算方法，揭示其内在的热、声、电、化学等相互作用机制，提出电场及等离子作用下的电学-释热率传递函数并开展定量研究，进而形成极端条件下电场及等离子体直接控制燃烧不稳定性的新方法。项目在推动军地院校科技合作以及前期国际合作项目研究的基础上，丰富和发展燃烧不稳定性机理及其控制的理论框架，提高自主创新能力，为我国发动机可控稳定燃烧技术的发展提供科学支撑。

本课题以国家面向发动机自主创新的重大技术需求为牵引，针对极端条件下发动机不稳定燃烧的共性科学问题，建立了一维简单燃烧器、旋流预混燃烧器和多喷嘴环形燃烧室在内的多种燃烧平台，基于甲烷、丙烷等气相燃料和长链烷烃、航空煤油和乙醇等液体燃料，结合先进光学诊断和理论计算揭示了燃烧不稳定性机理，并深入探究了电场及等离子体作用下火焰动力学响应规律，提出了极端条件下电场及等离子体直接控制燃烧不稳定性的新方法。.为了解耦等离子体及电场调控燃烧过程中的多尺度、多物理场问题，本项目首先发展了化学自发荧光、平面激光诱导荧光 (PLIF)、颗粒图像测速 (PIV)、可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS)、电场诱导二次谐波（E-FISH）等多种在线诊断技术。在一维简单燃烧器中，获得了可燃极限和吹熄极限等极端条件邻近工作区间内的火焰传递函数相图，分析了不稳定燃烧形成的物理机制，并基于简单一维火焰结构开展了电场及等离子体对火焰稳定性控制的基础研究。进而，结合发动机及燃气轮机工程实践的研究需求，开展了不同旋流数工作区域下旋流火焰燃烧不稳定性研究，利用电场和等离子体针对火焰释热率脉动进行了直接调控，实现了常规和极端条件下稳定区间更大、抗扰动能力更强的旋流燃烧模式。最终，建立了多喷嘴旋流的环形燃烧器实验系统研究不同周向燃烧脉动机理，通过整体调控燃烧器所加电场及等离子体的电学特征量，直接主动抵消预先设定极端工况条件下的周向燃烧脉动，进而实现多喷嘴环形燃烧器的整体控制。.总体来看，该项目可以建立燃烧不稳定性和控制策略的理论框架，提高自主创新能力，为航空发动机或燃气轮机的稳定可控燃烧技术的研究和开发提供坚实的支持。