考虑熵波和涡波影响的燃烧不稳定性研究

Combustion instabilities may occur in the combustors of energy systems, which can lead to large pressure fluctuations and structural damages, even catastrophic failure of a combustor. Therefore it is always meaningful to study the mechanisms and the suppressing methods of the combustion instabilities. The combustion instability is induced by the coupling of the unsteady heat release and the acoustic waves. In fact the interaction of the flame and the flow can also produce other two kinds of fluctuations, i.e., entropy and vorticity fluctuations. It has been proved that entropy and vorticity waves may have significant effects on the combustion instabilities. However the production mechanisms of the entropy and vorticity waves by the interaction of unsteady heat release, flow and acoustic waves are not clearly investigated. In the previous work the effects of the mean flow Mach number and the length of the flame area on the generation of these two kinds of waves have not yet been studied. In the present project, the generation of the entropy and vorticity fluctuations under the effects of flow Mach number and the length of the heat source region will be studied through order analysis method and asymptotic analysis method. Then the effects of entropy and vorticity waves on the combustion instabilities will be further investigated. Through the investigation, we can gain more insight into the interaction of the combustion, flow and the acoustic waves, and we will also get a better understanding and improved design tools for problems of combustion instabilities.

燃烧不稳定性是燃烧室中非定常的热释放和声波相互耦合、放大而产生的大幅度压力脉动现象，具有超强的破坏性。而伴随着燃烧不稳定性，熵波和涡波往往会在燃烧室中产生和传播。理论上已经证明，某些条件下熵波和涡波对燃烧不稳定性会产生关键性的影响。但目前对燃烧不稳定性导致的熵波和涡波的产生机制和规律还未研究透彻，现有的研究尤其无法包含流动马赫数和燃烧区域厚度的影响，而真实条件下流动马赫数和火焰区域厚度很可能对熵波和涡波的生成具有重要影响。因此本申请拟采取量级分析和渐近分析方法，深入研究流动马赫数和火焰厚度对熵波和涡波的影响。在此基础之上进一步的研究熵波和涡波影响下的燃烧不稳定性问题。这项工作不仅能够加深我们对于燃烧、流动和声波相互作用的物理机制的理解，也对认识发动机当中发生的燃烧不稳定性问题提供新的理论指导。

本项目资助下，首先，针对熵波和涡波的生成问题，开展了周向模态声波和平面火焰相互作用的理论研究。在一个无限长的环形管道中存在一个平面火焰，环管中存在平均流动，假设一列周向模态声波从上游入射，那么，在上游将存在反射声波，下游将产生透射声波，以及声波和火焰相互作用而生成的熵波以及涡波。假设声波从下游入射，那么在下游将存在反射声波、涡波和熵波，而上游仅存在一列透射声波。针对此问题，采用线性低阶模型方法展开研究工作，分别进行了截断方法和非截断方法分析，得到了截断的声波、熵波、涡波的反射和传递函数。而保留马赫数一次方的项，得到的是非截断的声波、熵波和涡波的反射系数和传递函数。通过将阶段方法的结果和非截断方法的结果进行对比，可以发现，截断方法适用于平均流动马赫数较小的情况下，而对于较高的马赫数，需要采用非阶段方法进行修正。此外，采用阶段方法的解析结果，进行了能量流分析。.其次，搭建了旋流预混火焰热声不稳定性实验台。基于此实验台，对熵波生成特性开展了实验研究工作。传统理论认为，完全预混火焰如果没有当量比脉动，不会产生熵波。我们采用了红外辐射成像结合TDLAS方法，对旋流预混火焰的熵波生成进行探测，发现下游区域有显著的熵波生成。近红外辐射图像反映了旋流预混火焰中已燃气体温度的定性分布，在与火焰响应相同的频率下，多个热气团周期性地产生并向下游传播。沿旋流火焰中心轴的近红外辐射强度表明熵波来自火焰反应区低于30 mm的区域，然后以几乎恒定的速度对流传播到下游。随着熵波向下游传播，观察到熵波表现出明显的耗散现象。.最后针对旋流预混火焰的热声不稳定性开展了实验研究，并且测量了火焰传递函数，结合低阶模型对实验数据进行了分析。发现实验装置中能够出现两种热声不稳定性模态，Helmoholtz模态和1/4波长模态。在系统中加入声学阻尼，例如声衬，能够很好抑制1/4波长模态，而下游布置的声衬对Helmoholtz模态影响不大。