轴向分级燃烧室受迫振荡特性的实验研究

为了研究轴向分级燃烧室主燃空气入口扰动对轴向分级燃烧的影响,开展了轴向分级燃烧室受迫振荡实验,获取受迫振荡情况下燃烧室内压力响应以及再燃火焰特性。实验结果表明：在受迫振荡燃烧过程中,轴向分级燃烧室内振荡主频与空气入口扰动频率基本相同,空气入口扰动频率为270 Hz时,燃烧室内压力响应更加明显;与稳定燃烧状态相比,空气入口扰动的加入会使再燃火焰抬升,再燃火焰向火焰中心收缩,再燃火焰质心位置向上方移动,火焰质心波动的带状区域由上下分布转化为左右分布,燃烧振荡会缩小再燃火焰在径向的波动范围,但是会扩大再燃火焰在轴向的波动范围;在无燃烧振荡的情况下,再燃火焰沿轴向和径向均出现了201 Hz的质心波动主频,且轴向振荡主频幅值更高,在振荡情况下,质心沿轴向和径向均产生270 Hz的波动主频,再燃火焰在轴向的波动的幅值增大,在径向无明显变化。     

声音信号在贫油预混预蒸发振荡燃烧分析中的应用

为研究声音信号在贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室热声耦合振荡分析中的应用,设计并搭建了LPP燃烧室振荡燃烧试验台,完成了燃烧室振荡燃烧下的声-热参数对比试验,并对燃烧装置进行声学模态分析.结果表明:在主频附近,燃烧室与预混室内的声场具有相互耦合作用;在相同入口空气流速下,燃烧室的主频与燃油质量流量成正比,在相同燃油质量流量下,燃烧室的振荡主频不变;在过渡状态下,声音信号可反映出在点火、稳定到振荡燃烧、振荡到稳定燃烧和熄火工况下,燃烧室内燃烧状态的变化;试验中测得的声音信号主频为2阶轴向振荡模态.     

狭长圆柱型燃烧室内的燃烧不稳定性

研究了狭长圆柱型燃烧室内的喷雾火焰燃烧的不稳定性。为了更清楚地了解火焰的构造，首先测量了火焰的温度场，在较大的一次风和二次风变化范围内，测量了压力的振荡特性，得出其均方根值图。结果表明，火焰的稳定是由回流区完成的，在较小的一次风燃料当量比和中等的二次风量时，振荡强度达到100Pa左右。其频率为200—230Hz，与空气/燃料比值关系不大，分析还表明燃烧室中的振荡是轴向驻波振荡。     

进气参数对LPP燃烧室振荡燃烧特性和火焰结构的影响

为研究贫预混预蒸发(LPP)燃烧室振荡燃烧规律和LPP火焰结构,利用动态压力传感器测量了LPP燃烧室内不同进气参数下时域及频域上的压力脉动;利用激光诱导荧光(PLIF)测量系统研究了不同进气参数下的LPP火焰结构变化规律。结果表明:随着燃烧室入口流速的增加,激励出的振荡燃烧的当量比区域会减小;在一定的入口流速下,所激励的振荡燃烧主频会随着当量比的增加而增加;随着燃烧室入口空气温度的提高,激励出振荡燃烧的区域会减小,激励出的振荡燃烧的强度会下降,但振荡燃烧的主频均会增加;稳定燃烧时,LPP火焰为V型火焰;振荡燃烧则会将LPP火焰转化为平整型火焰。     

混合过程对旋流预混火焰燃烧不稳定性影响的实验研究

针对预混火焰燃烧振荡问题,通过改变旋流预混燃烧器的长度和气流速度,研究了混合长度、气体流速和当量比对燃烧不稳定性的影响,检验了时间延迟模型在宽时间尺度范围内的有效性,并揭示燃烧室压力脉动与燃烧器内燃料空气混合的相互作用机制,及其对燃烧模态的影响.结果表明,燃烧室内压力脉动会向上游传播,引起预混管内当量比脉动.当混合时间尺度小于临界尺度时,时间延迟模型具有一定的可行性.预混管内当量比脉动会随气体流动传至燃烧室中,进而影响燃烧过程,导致燃烧模态随混合时间增加而出现稳定-振荡的循环变化.当混合时间尺度大于临界尺度时,压力脉动向上游的扩散和当量比脉动向下游的流动传递衰减严重,燃烧处于稳定模态.该临界尺度约为τfc=1.5.     

燃气轮机振荡燃烧特性试验研究

振荡燃烧是燃气轮机贫燃预混燃烧室不稳定运行的重要原因之一,因此需要掌握燃烧室压力脉动特性,以探究抑制振荡燃烧的方法。本文应用低压模化燃烧试验台,完成某型燃气轮机全尺寸振荡燃烧特性试验研究。分析了贫燃状态中,不同当量比、不同燃烧区域条件下,该型燃烧室运行的动态过程,并总结了燃烧室内压力脉动的影响因素和变化规律。试验表明:(1)减少燃料量、降低热释放量,可以减弱燃烧室内由燃烧区流动引起的压力脉动,尤其是对50 Hz以下的主频振荡;(2)燃烧区当量比过低,燃烧不稳定会引发50 Hz以上极强的主频振荡;(3)增加值班路,向燃烧区中心投放燃料可以有效抑制由燃烧不稳定引起的高频主振。     

折流燃烧室几何结构简化和流量统计对比

以多喷嘴阵列燃烧器为对象,研究了甲烷预混模式下不同当量比燃烧的自激热声振荡特性,实验过程中同步测量了热释放率和压力脉动信号并获取了OH*时序图像。利用相空间重构和本征正交分解分别解析了压力脉动、反应区相干结构和各阶模态能量占比。研究结果表明,在当量比0.62~0.85范围内,随着当量比增加,燃烧室内依次出现低频振荡、稳定燃烧、间歇振荡和极限环振荡4种典型燃烧状态;当发生极限环振荡时,压力重构曲线为极限环,其轴线附近没有数据点分布,前3阶能量占比达到70%以上,反应区沿轴向发生明显的交替变化,沿径向具有较好的对称性和均匀性;稳定燃烧时,重构曲线凝成一团,前20阶能量占比不足25%,不存在明显的主频,瞬态火焰形态具有较好的一致性;甲烷预混多喷嘴阵列燃烧器的自激振荡模态为单一轴向振荡模态,和传统旋流燃烧有很大的不同,这可为后续进一步开展多喷嘴阵列燃烧器热声产生机理和抑制方案的研究提供参考。     

LPP燃烧室振荡燃烧特性、火焰结构和NOx排放的实验研究

利用动态压力传感器、平面激光诱导荧光（Planer Laser Induced Fluorescence,PLIF）测量系统和气体分析仪针对不同入口气流旋流数和空气含湿量条件下,贫预混预蒸发（Lean Premixed Prevaporized,LPP）燃烧室中振荡燃烧特性、火焰结构变化规律和NOx排放特性开展了实验研究。研究表明：在一定条件下,随着燃烧室入口气流旋流数增加,激励出振荡燃烧的当量比区域扩大,所激励的振荡燃烧强度不断增加,但振荡燃烧的主频则不断下降,火焰变得更加紧凑且不断向燃烧室中心和上游壁面发展;随着燃烧室入口空气含湿量的增加,振荡燃烧强度会下降甚至消失,振荡燃烧的主频增加,火焰结构由振荡燃烧时的平整型火焰向稳定燃烧时的V型火焰转变,火焰的位置也向燃烧室侧壁面和下游方向移动;LPP燃烧室中NOx排放会随着燃烧室入口空气含湿量和入口气流旋流数的增加而下降。     

实验研究不同燃烧工况对燃烧自激振荡及音频特征的影响

以甲烷为燃料,在具有GE燃机6B喷嘴的1/3模拟燃烧室中,研究了燃烧室空气流量和当量比的变化对燃烧自激振荡压力波动的影响以及燃烧发出的音频信号的特征。实验结果显示:在3组不同入口空气流量工况下,随着当量比的增加,燃烧室经历了稳定—自激振荡—稳定的燃烧过程,且3组过程所历时的变化趋势保持一致;在不同的流量下,当量比为0.61工况时产生了最强烈的自激振荡,同时振荡的压力波动幅值和频率随燃烧室入口空气流量的增加而增大;通过FFT(快速傅里叶变换)计算发现,在有明显自激振荡的工况中,动态压力与音频信号的幅值均大幅超过稳定燃烧工况,同时音频信号的一个特征频率与动态压力信号的特征频率重合。     

模型燃烧室燃烧自激振荡与音频特征的实验研究

以甲烷为燃料,在以GE燃机6B喷嘴为基础的1/3模型燃烧室中,研究了燃烧室空气流量和当量比的变化对燃烧自激振荡的压力波动的影响,以及燃烧发出的音频信号的特征。实验结果显示：在3组不同的入口空气流量工况下,随着当量比的增加,燃烧室的稳定——自激振荡——稳定工作的变化趋势保持一致;在不同的流量下,当量比=0.61的工况产生了最强烈的自激振荡,同时振荡的压力波动幅值和频率随燃烧室入口空气流量的增加而增大;通过FFT（快速傅里叶变换）计算发现,在有明显自激振荡的工况中,动态压力与音频信号的幅值均大幅超过稳定燃烧的工况,同时音频信号的一个特征频率与动态压力信号的特征频率重合。     

燃烧室内自激励振荡燃烧的数值研究

采用数值方法研究了Langhorne型燃烧室内自激励燃烧驱动振荡的不稳定现象．应用非稳态雷诺平均法、雷诺应力紊流模型和涡团耗散燃烧模型,捕获了该类型燃烧室内两种当量比条件下的不稳定燃烧特性．数值模拟结果给出振荡燃烧发生时燃烧室内的压力振荡频率和幅值,并同实验结果进行了比较．证明了在两种当量比下分别存在着“强振荡”和“弱振荡”,并给出了两种当量比条件下不稳定燃烧时火焰的周期影像,详细分析了振荡发生时燃烧室内的火焰发展情况．     

富氢燃料贫预混旋流燃烧热声振荡特性的实验研究

贫预混燃烧是实现富氢燃料燃气轮机低NO_x燃烧的有效途径之一,但是贫预混燃烧极易产生热声振荡,热声振荡会干扰燃烧过程,对燃烧室的结构造成破坏。本文通过实验分析了当量比、燃料组分以及空气质量流量对热声振荡特性的影响。结果表明:在动态压力功率谱上有两个明显的峰值,其频率均随当量比的增加而增加,同时当量比也会影响振荡强度;氢含量越高,越容易发生热声振荡,提高氢含量会影响热声振荡的特性,当氢含量达到一定值之后再提高氢含量对热声振荡特性的影响变得不明显;空气质量流量越大,振荡强度增大,稳定燃烧的范围变小。     

贫预混预蒸发燃烧室的火焰结构及污染物排放

为研究航空煤油贫预混预蒸发(LPP)燃烧室火焰结构及污染物排放特性,设计了贫预混预蒸发燃烧实验平台,通过平面激光诱导荧光(PLIF)测量火焰结构,利用气体分析仪完成了排放特性测量研究.实验结果表明,LPP火焰呈现V型分布,随着当量比的增加,火焰长度变长,燃烧反应区域不断加大.当入口轴向流速恒定,随着当量比从0.43增加到0.60,NO_x排放缓慢增加,而当量比大于0.60后,NO_x排放迅速增加,而CO排放受当量比影响较小.在此基础上,研究了入口预热空气温度对污染物排放的影响.发现随着预热空气温度的升高,NO_x排放会不断升高,但预热空气温度的升高对CO的排放影响较小.     

燃气轮机燃烧室振荡被动控制方法的数值研究

以预混燃烧方式工作的燃气轮机燃烧室易产生燃烧室振荡.应用非定常N-S方程、雷诺应力和紊流模型及涡团耗散燃烧模型,对该类型燃烧室在不同燃料喷注位置和空气流动速度下的气流流动特性和压力振荡特性进行了数值模拟.结果表明:采用CFD方法,可精确地获得放热与燃烧室声学特性之间的耦合关系,且与实验吻合较好.通过调整燃料喷注位置和空气的供给速度,可激发或抑制振荡.根据预混段流动时间及燃料喷注位置到火焰前沿的总流动时间均能可靠地预测稳定范围.     

直喷式柴油机燃烧压力高频振荡与燃烧噪声的关系

应用声响应法和Sysnoise声学软件进行模态实验和模态分析,研究燃烧噪声高频激励机理．通过有限元方法计算燃烧室空腔在点声源激励下的声压响应,确定了燃烧室空腔在激励力作用下产生较强烈的压力振荡的频率．通过测量发动机缸内压力和噪声,研究燃烧压力高频振荡频率和幅值与时间窗获取的燃烧噪声的关系．燃烧压力高频振荡频率与燃烧噪声高频成分具有很好的对应关系,较高的振荡幅值对应的燃烧噪声值较高．研究结果表明,燃烧压力振荡频率和幅值是影响燃烧噪声高频成分的主要因素．     

甲烷/空气典型混合模式在约束空间内的燃烧特性研究

燃料质量浓度分布在一定程度上影响混合气体的燃烧效率,能使燃气充分混合的同轴射流、旋片同轴、轴切结合、切向旋流等典型混合模式在航空发动机、燃气轮机及火箭发动机等先进燃烧技术应用中较为常见。因此,设计了甲烷/空气部分预混的燃烧实验装置,较为系统地实验研究了旋流数和轴向流速对混合气体在约束空间燃烧室内燃烧特性的影响。结果表明：对于有中心射流的混合结构,燃气轴向流速较低时产生黄色火焰,增大轴向流速,黄色火焰转为蓝色湍流火焰,且温度分布趋于均匀;纯切向旋流燃烧器的掺混效果较好,受燃气轴向流速的影响小,火焰结构稳定,均为蓝色火焰,温度轴/径向分布均匀且趋势一致,同当量比下燃烧产物中的污染物体积分数最小。     

当量比对甲烷预混低旋流燃烧的影响

通过实验和数值模拟的方法研究了甲烷/空气预混低旋流燃烧的流场结构及当量比对甲烷低旋流燃烧的影响.结果表明,甲烷/空气预混低旋流气流在喷嘴出口处扩张,形成有利于燃烧稳定的低速区;预混火焰"悬浮"于喷嘴上方,在剪切区的内侧,火焰呈W型;富燃时,随着当量比的增加,火焰的推举高度略有增加;甲烷/空气预混低旋流流场具有自相似性,无量纲轴向速度的径向分布几乎不受当量比的影响.同时,燃烧室出口的温度随着当量比的增加而增加,并且在当量比为0.8~1.4时变化较为明显,当量比超过1.4后,增加趋势变缓.     

催化微燃烧室内氢气/空气预混合燃烧特性

采用实验方法和数值模拟对微尺度催化燃烧室内氢气/空气预混合燃烧过程进行了研究.通过实验对不同工况下燃烧室内的反应类型进行界定,并分析了各反应类型下的燃烧特性.采用氢氧气相反应动力学和表面反应机理进行数值模拟,获得了燃烧室内各组分的变化规律.结果表明:随着当量比的改变,催化燃烧室中的耦合反应与纯表面反应之间会发生相互转变现象,且耦合反应的外壁面温度始终高于纯表面反应的外壁面温度;当燃烧室内发生耦合反应时,燃烧室的壁面温差随当量比的增大而增大,而发生纯表面反应时,随当量比的增大而减小;耦合反应中的气相反应强度随着当量比的增加变得更剧烈,且对表面催化反应的影响更明显;燃烧室内发生耦合反应时的燃料转化率始终高于仅发生纯表面催化反应时的燃料转化率.     

合成气预混火焰的热声振荡

使用天然气、氢气与氮气的合成气作为燃料,在模型燃烧室中对合成气的燃烧稳定性进行实验研究,利用动态压力传感器和ICCD相同步测量技术实现对压力和火焰面的测量.实验中保持氮气体积分数恒定在20%,通过改变天然气与氢气的体积比,对不同当量比和热值下的合成气燃烧稳定性进行研究,并对热声耦合振荡模态及其变化规律进行了分析,得到了合成气燃烧热声耦合的稳定范围,实验中发现,随着氢气体积分数的增加,发生热声耦合振荡的范围逐渐增大,然而振荡强度和天然气燃烧相比有所降低,声压级降低2～3,dB.     

柴油机燃烧室气体振荡的模拟与试验研究

基于燃烧数学模型中的流场模型,对柴油机燃烧过程中的气体高频声波振荡问题建立声学模型并给出了求解方法。用该方法对燃烧室内的声学变化特性进行计算,并将不同转速和不同负荷工况下的实测缸压振荡结果和声学计算结果进行对比。研究结果表明:该方法能正确计算柴油机燃烧过程中的压力振荡。对于试验用柴油机,燃烧室气体第一阶主振荡频率均在5kHz以上,振荡规律与具体的工况有关。直接影响燃烧振荡性质的两个因素为放热速率和燃气温度,燃气温度越高,则发生振荡时的振荡频率越高;放热规律曲线峰值越大则振荡幅值越大。以8×10-5 s为间隔绘制了声场分布图,结果表明:燃烧室中的声场分布是不均匀的,且随时间变化十分迅速。