包含周向非均匀影响的燃烧不稳定性研究

Combustion instability is a problem brought by coupling of unsteady heat release and pressure fluctuation in combustor. In the past many years, a great deal efforts have been made on the basic theory of the instabilities and the methods for their preventions. In this application, a new combustion instability model is developed, which can include the non-uniformity of heat release. Then the interaction between non-uniform heat release and flow can be studied. Through the model, the effect of non-uniformity on the combustion instability can be investigated. When the control laws of non-uniformity on the instability are obtained, a more efficient method, the hybrid control strategy to the combustion instability, can be developed. Hence, the research can show the physics of combustion instability with non-uniform heat release and flow. What's more, it also can provide necessary direction to the designs in engineering.

燃烧不稳定性是推进系统的燃烧室中不稳定的热释放和压力脉动相互耦合放大而导致一种破坏性现象，研究其产生的机理和有效控制方法一直都具有重要学术价值和应用前景。本申请针对使用周向非对称分布形式的喷嘴/喷注器的燃烧室，通过与目前国内外已有方法不同的研究途径，建立新的能够包含非均匀影响的燃烧不稳定性模型，探讨周向非均匀的热释放和非均匀流动的相互作用对不稳定性的影响，据此来深入研究非均匀流动条件下非定常热释放和压力脉动的能量转换关系。根据得到的热释放的非均匀分布对不稳定性的控制规律，提出了一种更灵活更有效的对不稳定性的复合控制策略。这项工作不仅能深入了解非均匀条件下影响燃烧不稳定性现象的关键所在，更重要的是为工程实际中不稳定性的控制提供了新的理论指导。

燃烧不稳定性问题是燃烧室当中由于非定常热释放和声扰动相互耦合而产生的一种现象，为了人们在发展大功率吸气式发动机的过程中经常碰到的一个问题。在本项目中，基于欧拉方程方法，发展了一个三维的燃烧不稳定性线性预测模型。模型当中采用了谱方法作为数值离散方法。在一个简化的圆柱形燃烧室中，分别研究了分布式和集中式的热释放对不稳定性的影响。结果表明，相比集中式的热释放的形式，考虑热释放的轴向分布形式，会对不稳定性有很显著的影响。之后集中研究了热释放的周向非均匀对不稳定性的影响。结果表明，即使对于纵向模态的不稳定性，周向非均匀分布的热释放仍然会起到较大的影响作用。热释放温度的周向不均匀分布和延迟时间的不均匀分布很明显的会影响计算得到的不稳定增长率。此外，在一般的不稳定性分析方法中常常忽略掉涡波的影响。而从计算结果中发现，当热释放沿周向非均匀分布的时候，声波和非均匀分布的热释放会发生相互作用，从而会在下游产生涡波，涡波对不稳定的频率以及增长率均会有较显著的影响。进一步的分级燃烧的实验证明，非均匀的热释放的确会对系统的燃烧不稳定性产生关键性的影响。