噪声触发热声不稳定的机理研究

Under certain conditions, a thermoacoustic system operating in a steady stable state can be triggered into self-sustained oscillations by exciting the system with small amplitude perturbations of the order of background noise, which has been often observed during the testing of rocket motors and gas turbines. The phenomenon of triggering represents the behavior of nonlinear coupling between flame heat release fluctuations and resonant acoustics inside the combustion chamber, and has not been fully understood. In this work, the thermoacoustic system composed of non-premixed flame from a coaxial swirl injector and transverse acoustic field is investigated experimentally and theoretically, to explore the mechanism of triggering in the system with stochastic noise. Firstly, the effect of noise on the bifurcation characteristic of the system is investigated by considering the O/F ratio as the control parameter. Secondly, the non-normality and transient growth of the system are investigated to make clear the condition under which the system undergoes transition from stable to oscillatory state with stochastic noise. The effect of type and amplitude of noise on the transition process is also studied. Finally, the nonlinear model of system is established based on the measured flame describing function to predict triggering phenomenon in form of hysteresis, triggering amplitude and limit cycle. Results of the research can be applied to estimate and control instability in thermoacoustic system.

触发热声不稳定现象广泛存在于火箭发动机、燃气轮机等热声系统中，严重影响着系统的工作可靠性和安全性。一定条件下，低幅值宽频域的噪声可触发系统发生热声不稳定，其具有随机特性且机理复杂，涉及到火焰和声学的非线性耦合过程。本课题以火箭发动机直流离心式喷嘴非预混火焰和燃烧室横向声场构成的热声系统为对象，研究噪声触发热声不稳定的作用机制。以氧化剂/燃料的混合比为系统控制参数，实验研究系统的分叉特性，掌握噪声对系统分叉特性的影响规律。通过研究有火焰环境下横向声模态的正则性和燃烧室声学能量的瞬态增长过程，获得噪声触发横向热声不稳定的条件，以及噪声类型和幅值对于触发横向热声不稳定的影响规律，并利用概率论方法分析其随机特性。基于火焰描述函数（FDF）方法，建立系统非线性分析模型，实现对噪声触发横向热声不稳定的预估。

热声不稳定是航空航天发动机、燃气轮机等热声系统发展中面临的主要困难之一。与自发不稳定和有限幅值触发不稳定相比，噪声触发热声不稳定对热声系统的稳定性设计和控制带来了更大的挑战。本课题以火箭发动机直流离心式喷嘴非预混火焰与燃烧室声场构成的热声系统为对象，研究噪声对系统非线性特性的影响规律和作用机制。.采用单喷嘴敞口模拟燃烧室，以氧化剂/燃料的混合比为系统控制参数，通过逐步改变氧化剂流量使模拟燃烧室内产生了自发热声不稳定。研究发现：不稳定工况下的火焰均为脱口火焰，火焰特征长度约等于喷嘴出口到脱口火焰团上沿的距离；不稳定出现了亚临界Hopf分叉现象；增加燃料流量和喷嘴缩进长度，双稳定区域均先变宽后变窄。.在热声系统双稳定区域内，出现了噪声触发的极限环振荡和阵发性振荡两类现象。系统从噪声转变到极限环振荡状态过程中，经历了中间状态—不稳定极限环。更高的噪声幅值不仅可以触发高幅值压力振荡，也可以将高幅值压力振荡状态转变为噪声状态。阵发性振荡状态中，大幅压力振荡出现的时刻和持续时间具有随机性；增加氧化剂流量，压力振荡出现的间隔时间变短。.建立了非线性热声不稳定分析模型，对实验中的不稳定现象进行了分析，主要结论有：滞后效应的产生机理为剪切层的局部当量比存在富燃向贫燃的过渡，该过程中火焰速度先升高后降低，火焰速度曲线与气流速度曲线存在两个交点；对系统添加外部激励，当激励频率低于热声振荡主频时，对主频具有抑制作用，当激励频率高于主频时，对主频具有增益作用；激励的幅值越高，对主频的影响越明显；激励的初始相位对主频没有明显的影响。.采用非线性时间序列方法对热声系统动力学特性进行了分析。递归图分析表明系统出现了第II类阵发现象，意味着系统发生了亚临界Hopf分叉。递归量化和递归网络分析表明，确定率和复杂网络的多种测度均可作为湍流燃烧器中动力学转变过程的预示指标。