旋流湍流预混火焰燃烧热声不稳定性的基础数值研究

The present proposal aims to develop the high fidelity numerical framework to predict the combustion thermoacoustic instability for the swirling turbulent premixed flame. Considering both of the simulation efficiency and accuracy, the present work proposes to decouple the unsteady heat release and acoustic wave. Large eddy simulation method for turbulent combustion will be developed in order to determine the Flame Describing Function (FDF) accurately. Low-order network model will be applied to predict the combustion instability combining the predicted FDF results. The method to design synthetic velocity fluctuation signal at the inlet consisting of multiple frequencies will be developed in order to calculate the FDF more efficiently. It will study the effects of velocity fluctuation in the circumferential direction on the FDF and the improvement will be proposed. Proper Orthogonal Decomposition (POD) will be employed to resolve the large flow structures in the unsteady flow field. The interactions of wave fluctuation, Processing Vortex Core and flame front will be investigated and their impacts on the FDF and combustion instability will also be studied. Carrying out the project will provide significant values of engineering application for developing modern clean gas turbine.

本项目拟发展针对旋流湍流预混火焰燃烧热声不稳定性的高精度数值计算方法。为兼顾计算精度和计算效率，将非稳态热释放和声波传播解耦，开发大涡模拟燃烧程序计算得到高精度的火焰描述函数，再耦合低阶网络模型对燃烧不稳定性进行数值预测。发展包含多种频率的进口合成速度脉动信号方法，以便更高效的计算火焰描述函数。研究周向速度脉动对火焰描述函数的影响并发展修正模型。通过正交分解方法POD捕捉非稳态流场中的大尺度结构，研究声波脉动、旋进涡核、火焰前沿三者的相互作用，以及这些相互作用对火焰描述函数和燃烧不稳定性的影响。本项目的开展对研制现代高效、清洁燃气轮机具有重要的工业应用价值。

贫燃预混燃烧技术可以有效地降低NOx排放量，在低污染燃烧方面具有很大潜力，是燃烧的重点发展方向之一。然而，贫燃预混燃烧容易引发热声耦合燃烧不稳定性，具有很大的破坏性。燃烧不稳定性成为制约低污染燃烧的瓶颈问题之一。本项目对复杂的旋流湍流预混火焰燃烧不稳定性开展了高精度的数值研究工作。鉴于强旋流数值预测存在较大的挑战性，发展了自适应的湍流模拟方法VLES，显著提升了旋流数值预测的精度和可靠性。以此为基础，耦合PaSR、FGM、增厚火焰等燃烧模型，发展了基于大涡模拟LES及VLES的湍流预混燃烧高精度数值计算模型，形成了燃烧不稳定性研究中湍流燃烧的高精度数值计算工具；应用高精度湍流燃烧模型，基于单频率、双频率等声波激励方法，发展了高精度的火焰描述函数计算方法；应用获得的火焰描述函数，耦合低阶网络模型，发展了解耦形式的燃烧不稳定性数值预测方法，并将其应用到实验室尺度的基础燃烧不稳定性工况以及工业燃气轮机中真实燃烧室的燃烧不稳定性数值预测，计算结果与实验结果吻合良好；应用发展的高精度数值计算方法，研究了声波激励下旋流预混燃烧的火焰非稳态演化特征，获得了旋流脉动与预混火焰面脉动的作用机理。研究了声波激励下两个预混火焰的相互作用机理，获得了火焰-火焰相互作用对火焰描述函数的影响；针对某工业燃气轮机燃烧室，研究了熵波噪声的传播机理，发现复杂旋流燃烧工况下，平均流场以及非稳态的大尺度流场结构对于熵波对流耗散均有显著影响，二者均不可忽略。该项目已发表11篇SCI学术论文，EI论文3篇；参加国际学术会议并作报告5人次；培养研究生3名。