基于热声反问题理论的非稳定燃烧放热诊断方法研究

Thermoacoustic instability exists extensively in the operational process of propulsion systems, power equipment, etc., which is one of the most important problems in developing a safe, clean and highly efficient combustion technology in confined space. To avoid or control the thermoacoustic instability, it’s necessary to monitor the process of combustion and develop the combustion diagnostic methods. Determination of the unsteady heat release rate with the pressure distribution in the confined space is a kind of combustion diagnostic method based on thermoacoustic inverse theory. The theoretical model, solving method, and experimental validation in the thermo-acoustic inverse problem require further investigation. This project aims to build the inverse mathematical model that describe the relationship between the pressure fluctuation and unsteady heat release rate in the confined space, to propose the revised method considering the influence of velocity, temperature and other factors; to develop the method that solve the inverse problem model; and to develop the experimental method that can be applied to the reconstruction of unsteady heat release rate in the condition of high temperature and flow. The above results will support the development of the effective, clean and stable advanced combustion technology in our country.

热声不稳定广泛存在于推进系统和动力系统等设备的运行过程中，它是发展受限空间内高效清洁安全的燃烧技术亟需解决的关键问题之一。为了在燃烧室运行过程中避免或控制热声不稳定，有必要对燃烧室内的燃烧状态进行监测，发展相应的燃烧分析诊断方法，而利用受限空间内的压力脉动分布重建放热率脉动的分布，是一种基于热声反问题理论的非稳定燃烧放热诊断方法。目前对于热声反问题的理论模型、求解方法和实验验证等方面还有待进一步的研究。本项目将建立描述受限空间内压力脉动和放热率脉动的反问题数学模型，提出流场速度、温度等因素对燃烧诊断过程的影响的修正方法；发展求解反问题模型的方法；发展可用于实际高温、流动工况下重建放热率脉动的实验方法。研究结果将为工业中监测诊断燃烧过程提供新的选择，并为我国发展高效、清洁和稳定的先进燃烧技术提供支撑。

燃烧不稳定性的主要特征是受限空间内（燃烧室）的一个或多个声学模态的大幅值振荡，这些不稳定主要产生在推进系统、发电系统等的运行过程中。热声不稳定是发展受限空间内高效、清洁和稳定燃烧技术亟需解决的关键问题之一。.本项目主要研究内容主要包括：对管道内的热声反问题研究，确定轴向一维分布确定放热率脉动的轴向分布；研究了带有阻尼和源项的不稳定波动方程的镇定问题，为相关反问题稳定性的求解方法提供指导；对火焰动力学过程进行了理论建模，为把握非稳定热源特性提供理论依据。对管道内的热声反问题进行了实验研究和验证。在黎开管和模型燃烧实验台上研究了轴向一维放热率脉动的定位。.本项目研究的重要结果主要包括：提出了一种改进算法，可以消除最大声学模态的影响，显著改善截止频率附近的声源定位效果，提高声源定位的分辨率;对管道内的放热率脉动进行一维轴向重建，通过正则化算法综合考虑稳定性和适应性;针对反稳定波动方程，采用了分布参数系统的Nyquist 判据，确定闭环系统算子都位于左半复平面；值班火焰-主火焰的双路扰动的相位差会使火焰动力学过程增强或抑制。对于非对称火焰的横向扰动，火焰传递函数具有带通特性；提出了考虑温度分布影响的热声反问题模型，提高了重建结果的准确。.由于燃烧室在高温高压下运行，难以通过光学方法直接监测燃烧过程。而压力信号则是燃烧室内容易获取的数据，本研究为利用压力脉动间接测量非稳定放热率放热特性提供了新的方法和手段。将为工业中监测诊断燃烧过程提供新的选择，将为我国发展高效、清洁和稳定的燃烧技术提供支撑。同时，反问题也是其它许多学科中重要的研究问题，项目的工作将促进相关基础学科研究的深入和交叉发展。