非预混旋流燃烧热声不稳定性的机理及控制研究

燃烧不稳定机理及其影响因素的全可压缩数值模拟研究燃烧不稳定是指燃烧过程中产生的火焰或燃烧波动现象。

燃烧不稳定机理的研究对于理解燃烧过程的动态特性和优化燃烧系统具有重要意义。

可压缩数值模拟是研究燃烧不稳定机理的重要工具之一。

燃烧不稳定机理包括以下几个方面的研究内容：1. 火焰振荡：火焰振荡是燃烧不稳定的一种常见形式，其产生原因可以是燃料和氧气浓度的变化、燃料喷射速度的变化、燃烧室壁面反应等。

数值模拟可以通过求解燃烧方程和流动方程来模拟火焰振荡的发展过程，从而揭示其机理。

2. 燃烧脉动：燃烧脉动是燃烧不稳定的另一种形式，其主要表现为燃烧波动的时间和空间分布不均匀。

燃烧脉动的产生机理可以包括燃烧不均匀性、燃料喷射不稳定、回流等。

可压缩数值模拟可以模拟燃烧脉动的发展过程，研究其机理和影响因素。

燃烧不稳定机理的影响因素包括但不限于以下几个方面：1. 燃料性质：不同燃料的化学成分、燃烧速率和燃烧温度等性质都会影响燃烧不稳定性。

例如，燃料中的氧含量和可燃物质浓度对燃烧过程的稳定性有重要影响。

2. 燃烧系统参数：燃气燃烧室的几何形状、燃料喷射速度、燃烧室压力等参数都会对燃烧不稳定性产生影响。

几何形状的改变可能会导致流场分布的变化，从而影响燃烧不稳定性。

3. 边界条件：边界条件包括入口边界条件和出口边界条件。

入口边界条件指的是流动速度、温度和物质浓度等参数的变化，出口边界条件指的是流动速度和压力等参数的变化。

这些边界条件会直接影响燃烧过程的稳定性。

总之，全可压缩数值模拟是研究燃烧不稳定机理及其影响因素的重要手段，可以通过求解流动方程和燃烧方程来模拟燃烧不稳定的发展过程，从而揭示其机理和分析其影响因素。

预混火焰燃烧不稳定性及其主动控制
在燃气轮机燃烧室中，采用预混燃烧可以降低燃烧室的温度和降低NOx的排放。

但是，预混燃烧容易导致燃烧不稳定。

有鉴于此，本文中对预混火焰的燃烧不稳定性及其主动控制技术进行了研究。

首先，完成了燃烧不稳定性主动控制的冷态实验研究。

研究表明：对于压力振动进行主动控制的方法是可行的，能够减小压力振动。

同时，主动控制可改变压力振动的特征频率。

其次，进行了声波扰动对锥形预混火焰的影响的理论分析和实验研究。

提出了声波扰动时预混火焰表面温度脉动的简化模型，根据简化模型，预混火焰表而的温度会以声波扰动的频率脉动。

实验结果表明，火焰对声波扰动的谐波、分谐波和高阶谐波响应并存。

进行了声波扰动对V形预混火焰锋面皱褶影响的理论分析和实验研究。

研究表明，V形预混火焰的锋面皱褶的频率与声波扰动的频率相同，其幅值与声波扰动的频率成反比。

进行了声波扰动对预混锥形火焰燃烧室的压力振动的影响的实验研究。

研究表明，声波扰动会使得燃烧室的压力出现与扰动声波频率一致的压力振动，且压力振动的幅度随着扰动幅度的增大而增大。

第三，对预混火焰的燃烧不稳定性进行了研究。

研究表明：燃烧不稳定性与燃料／空气当量比有很大的关系，压力振动的特征频率随着燃料／空气当量比的增大而减小，压力振动的频率随着燃烧室平均压力的增大而减小、与预混气流量的关系比较复杂。

第四，对一典型的燃烧不稳定进行了主动控制技术的实验研究。

实验结果表明，如果热释放率的波动与压力振动的相位一致时，会加大燃烧室的压力振动：如果热释放率的波动与压力振动的相位相反时，就会减小燃烧室的压力振动。

预混燃烧室热声不稳定性的数值分析基于现代燃烧理论，以及计算流体力学、多相流动和计算机仿真等多种方法来对燃烧器的气固流场进行精确描述。

但是实际的燃烧过程并非如此简单明了。

例如，为改善燃烧性能而采取加强燃料与氧化剂之间反应激烈程度的措施后，会产生极其复杂的燃烧气流流场；或者通过减小预混比提高烟气速度，虽然可有效地降低烟气温度从而降低火焰温度，但却使噪声问题变得更严重，且影响喷雾粒子的运动轨迹。

这些因素都需要建立相应的模型才能获得完整准确的结果。

因此，开展多相流体力学与计算机技术相结合的试验研究成为必须。

关键词：预混燃烧室热声不稳定性的数值分析摘要：本文研究了新型预混燃烧技术——预混火焰燃烧室在高温火焰辐射噪声上存在的问题及解决办法。

首先阐述了几种常用的几何外形的燃烧室形状，以及影响它们的主要因素。

最后提出了一个预混火焰燃烧室模型，并采用计算流体力学和计算机仿真两种手段对该模型进行了数值模拟，说明模型的有效性。

模型预测出燃烧区域的中心温度可达到3500℃左右，但由于所考虑的面积仅为整个燃烧室的10%～20%，实际上的辐射温度将远大于此值。

另外，热声系统包括喷口部位的空气流场以及噪声源、喷管、风扇叶片、加热丝等组件。

空气流场产生的气动噪声已经广泛引起人们的注意。

如果把燃烧器喷嘴处的气流按燃烧区内气流一样进行理想计算，就无法得知流场产生的噪声。

即便如此，依据相同的数据，也还难以分辨噪声源和加热丝的差异。

因此，在本文中引入了一个新的概念：噪声源，作为预混火焰燃烧室各组件的参数，从而给出了两个加热丝、四根加热棒以及喷嘴附近一小块加热棒在同一工况下的数值仿真结果。

这样做不仅可以给出加热丝的功率密度随尺寸变化的规律，而且可以清楚地看到哪些部件属于不希望有噪声产生的环节，给未来设计带来启示。

随着我国航空、航天事业的发展，航空发动机的推力越来越大，尾气排放指标也日益苛刻，诸如环境污染和噪声问题正成为限制航空发动机发展的瓶颈。

小尺度油池火非稳态燃烧特性及热反馈研究典型的燃油泄漏火灾是具有一定厚度的油池火,以及可能引发喷溅现象的垫水池火。

火焰高度和燃烧速率是描述其燃烧过程最基本的特性参数,而燃料所接收的热反馈量将决定着燃烧过程的发展。

通过对小尺度非稳态油池火进行实验研究可以深入认识其燃烧过程和特性,而对火焰热反馈进行理论分析可以进一步了解油池火的热传递机理,分析出热反馈的主导因素,从而为控制油池火灾提供理论依据。

正庚烷和航空煤油是两种具有代表性的燃料,前者为纯净物且闪点和沸点较低,后者为混合物且闪点和沸点较高。

本文首先通过模拟实验,研究了正庚烷和航空煤油池火的非稳态燃烧特性及温度分布；随后实验研究了垫水池火的燃烧特性及薄层喷溅现象；最后通过热平衡分析对小尺度油池火非稳态燃烧过程的热反馈规律进行研究,建立热反馈和燃烧速率计算模型。

论文具体工作包括：利用火灾科学国家重点实验室多功能火灾实验厅开展小尺度油池火和垫水池火燃烧实验。

实验中油池直径有0.10m、0.14m、0.20m和0.30m四种,初始油层厚度为6.4mm、12.8mm和19.6mm,燃油初温在室温到燃料沸点之间选取,垫水层厚度取12.8mm。

利用质量称重系统研究油池质量损失速率的实时变化情况,借助微细热电偶测量燃料和池壁温度分布,采用数字摄像机获取火焰和液面数字图像从而对油池火焰高度特征及液相沸腾状况进行研究。

研究了小尺度油池火火焰高度和燃烧速率的即时变化情况。

结果表明,小尺度油池火非稳态燃烧过程可以划分为预燃、稳定燃烧、沸腾燃烧以及衰减熄灭等四个典型燃烧阶段,通过沸腾理论分析发现池火发生沸腾燃烧的条件是池壁温度超过燃料沸点,因此燃料沸点越低油池越容易发生沸腾燃烧现象,且沸腾强度随着初始油层厚度和燃油初温的升高而增大。

对于沸点较高的燃料,初始油层厚度较大或者燃油初温较高时,才会发生沸腾燃烧现象。

分析了油池直径、初始油层厚度、燃油初温和垫水层等因素对小尺度油池火燃烧速率的影响。

小尺度油池火非稳态燃烧特性及热反馈研究的开题报告一、选题背景和意义油池火是指在封闭或半封闭的空间中，液体燃料在一定条件下被点燃后，形成的一个比较大的火焰区域。

油池火是一种常见的火灾事故，具有火势猛烈、扩散快、难以控制等特点，对人员和设备的影响极大。

目前，对于油池火的研究主要集中在大尺度和稳态燃烧方面，而对于小尺度和非稳态燃烧的情况，研究较少。

由于小尺度油池火的燃烧规律和稳态情况差异较大，因此需要更深入的研究，以便更好地理解和控制油池火的发生和扩散。

本研究旨在通过对小尺度油池火的燃烧特性和热反馈进行研究，探讨其影响因素及机理，为预防和控制油池火提供理论和实践基础。

二、研究内容和方法1.燃烧特性的研究（1）探究在不同燃烧条件下，小尺度油池火的燃烧行为和变化规律。

（2）分析不同燃料类型、体积和形状、环境温度等因素对小尺度油池火燃烧的影响。

2.热反馈的研究（1）研究小尺度油池火的热反馈特性，探究其与燃烧特性之间的关系。

（2）考虑环境温度、湿度等因素的作用，分析小尺度油池火的热反馈机制。

3.研究方法本研究计划采用实验研究方法，通过搭建小尺度油池火实验平台，对不同燃料、燃烧条件下的燃烧特性和热反馈特性进行测量和分析，得出相关数据和结论。

三、研究预期成果通过本研究的实验和分析，预计能够获得以下研究成果：1.可以全面、深入地了解小尺度油池火的燃烧特性和热反馈机制，为预防和控制油池火提供理论和实践基础。

2.可以分析不同因素对油池火燃烧的影响，为改进火灾设施和制定火灾应急措施提供科学依据。

3.可以推动油池火研究进一步深入、拓宽学术研究领域，提升我国火灾安全领域的水平。

四、进度安排本研究计划于2022年3月开始，预计于2023年12月完成。

1.2022年3月至6月：文献调研和实验设计。

2.2022年7月至2023年6月：实验操作和数据分析。

3.2023年7月至12月：论文撰写和答辩准备。

五、研究经费预算本研究所需经费预算如下：1.实验室材料费用：10,000元。

预混燃烧室热声不稳定性的数值分析摘要：预混燃烧室热声不稳定性是影响发动机性能的关键因素，本文针对当前广泛使用的两种燃气轮机—— WGC 和 FSH2。

首先采用线性代数法进行燃烧模型简化处理；其次，运用能量方法，并基于正则化方法，提出了预混火焰的热点位置、稳态及瞬态能谱分析的新方法，通过能量的变化来判断不同燃烧室形式下预混燃烧的不稳定性，并在实验结果上给出了最优化解决办法。

所得结论有助于我们更深入地认识燃气轮机技术以及如何改善性能，为今后该领域的相关研究打开一扇新的窗口。

研究表明，多维预混火焰燃烧时存在三个独立的自由度，分别为火焰中心的温度场、离子化区域的压力场以及火焰与外界的辐射换热系数。

与单组元燃烧时燃料相互作用的模型和基于温度梯度模型（ DTFT）的简化模型相比，三组元燃烧时火焰的总体结构发生了显著变化。

而热点位置是多维燃烧条件下反映燃烧特征的重要参数之一，它可以直观描述火焰内部微观不稳定区域的边缘状况。

对于传统火焰的燃烧过程而言，大多数文献都采用热电偶温度测量值进行计算分析。

但是在预混火焰这样一类非常复杂的流动模型中，传统温度测量方法受到很大的限制，导致了其无法反映实际燃烧情况。

另外，在计算中也会产生许多未知的干扰信息，对计算结果造成严重的影响[1]。

因此，在进行多组元燃烧过程研究时，必须采取新的方法来探索热点位置的变化规律。

为此，文章引入了能量转移概念。

通过一种线性代数方法（即热平衡方程），可将预混火焰模型中每个局部过程所包含的能量均匀地向整个火焰输送，从而获得全局燃烧温度场分布图，再利用能量转移矩阵法（ RBFM）等多元线性回归方法求解热点位置的统计参数。

对于传统火焰的燃烧过程而言，大多数文献都采用热电偶温度测量值进行计算分析。

但是在预混火焰这样一类非常复杂的流动模型中，传统温度测量方法受到很大的限制，导致了其无法反映实际燃烧情况。

另外，在计算中也会产生许多未知的干扰信息，对计算结果造成严重的影响[1]。

河北工业大学硕士学位论文预混燃烧过程热声不稳定性研究姓名：***申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：***20081201河北工业大学硕士学位论文预混燃烧过程热声不稳定性研究摘 要贫燃预混燃烧、空气分级燃烧等低NOx的燃烧技术可以有效的减少燃烧过程中的NOx 排放，但因其燃烧过程都是在偏离化学恰当比情况下进行，将导致火焰热声不稳定。

本文针对预混燃烧过程中火焰的热声稳定性进行了实验研究。

本文首先测定了液化石油气预混燃烧的贫燃熄火极限和贫氧熄火极限，并利用高速摄像仪对火焰结构进行测量、分析，发现随着当量比的增大涡脱落的频率逐渐减小。

其次，利用fluent软件对预混室内相同当量比、不同进气方式下的冷态流场进行了数值模拟，发现进气方式在一定程度上可以抑制预混室内的压力脉动。

然后，本文使用噪声测试仪对预混室和燃烧室内的冷态、热态流场进行了声频分析，发现在贫氧和贫燃的情况下都有可能发生热声不稳定现象，在贫氧的情况下，随着当量比的升高，压力振荡逐渐转入低频振荡，而振幅有显著增强；在贫燃的情况下，随着当量比的降低，压力振荡趋于强烈，而振幅也有显著增大。

通过调制预混室内的流场结构，可以控制火焰内部及火焰表面的涡团脱落过程，是拓宽熄火极限、抑制热声耦合振荡的有效途径。

本文的研究结果为预混燃烧过程热声耦合振荡控制策略的制定提供了实验基础数据。

关键词：预混燃烧，火焰，热声不稳定，声频，流场INVESTIGATIONS ON THE THERMO-ACOUSTICINSTABILITY OF PREMIXED FLAMEAbstractLow NOx combustion techniques such as lean premixed and air staged combustion can decrease the emission of NOx. Unfortunately, because the operating conditions deviates the chemical equivalent ratio, combustion instabilities appear. In this thesis, characteristics of thermo-acoustic instability of premixed flame were investigated experimentally.Firstly, the flame extinct limits of liquefied petroleum gas were measured. And then, the flame structures were analyzed using high speed camera. The photographs of flame reveal that the frequency of eddies shedding from the surface of flame decreases gradually with the increasing of equivalent ratio gets.Secondly, flow field was simulated using FLUENT at the conditions of same equivalent ratio and different air injecting flow-rate. The results show that pressure fluctuation in premixed chamber could be restrained through changing air injecting.Finally, the sound field of premixed chamber and combustion chamber were analyzed using Noise and Vibration Analyzer. The instability combustion appear both in lean oxygen and lean combustion. At the conditions of lean oxygen, with the augment of equivalent ratio, the frequency of pressure oscillations is lower gradually, and the amplitude significantly enhance. At the condition of lean combustion, with the decreasing of equivalent ratio, pressure oscillation will aggrandize, and the amplitude significantly enhanced. The process of eddy both inside and on the surface of the flame could be controlled by adjusting the flow field in premixed chamber, and which is regarded as an efficient path for extending the flame extinct limit and restraining thermal-acoustic combustion instabilityThe results of this thesis are regarded as an experimental basis for the strategy of controlling thermal-acoustic combustion instability in premixed combustion.Keyword: Premixed combustion, Flame, Thermal-acoustic combustion instability, Acoustical frequency, Flow filed符号说明φ——当量比 SPL ——声压级，dB。