基于脉冲微射流控制的射流燃烧及控制特性研究

This project aimed at the jet flow physics and control mechanism, to solve the control parameters influence on the jet characteristics, and the closed-loop control of the best feedback signal etc. some jet control basic theory and control methods. To obtain an optimal feedback signal, build a highly efficient closed-loop control system with fluctuating velocity, the main jet vortex frequency and temperature as the feedback signal. Study different distribution (different number and different distribution) of micro-jet influence on the development of the flow and control performance of the main jet, And it to determine the control laws that the periodic variation of the lateral pulse micro-jet to the jet mixing characteristics, also to determine the optimal relationship between exciters (micro-jet) and jet turbulent structure. Based on the above research under cold condition, the lateral micro-jet control system with periodic variation used in combustion systems, establish a burner model controlled by periodic variation micro-jet. Developed an active control technique, through the closed-loop control method to change the ratio between the micro-jet frequency and the main jet vortex frequency, and change the ratio between the micro-jet flow and the main jet flow, regulation and control the burner flame characteristics under different industrial conditions. Invented a jet combustion test device which based on pulse micro-jet control, provide a new and advanced experimental platform for the jet and jet combustion research.

本项目主要针对射流的流动物理和控制机理，解决控制参数对射流特性的影响、闭环控制最佳反馈信号等一些射流控制的基础理论问题和控制方法。构建一个高效的闭环控制系统，将脉动速度、主射流大涡频率和温度等作为反馈信号，以获得一个最佳的反馈信号。研究不同的分布(不同数量及不同分布)微射流对主射流的控制性能及流向发展的影响，确定周期变化的侧向脉冲微射流对射流混合性能的控制规律，确定激发器(微射流)与射流湍流结构之间的最佳关系。基于上述的冷态研究结果，将周期性变化侧向微射流控制系统应用于燃烧器系统，建立一套周期性变化微射流控制的燃烧器模型。开发了一种主动控制技术，通过闭环控制方法改变微射流频率与主射流大涡频率比，微射流与主射流质量流量比，对不同工业条件下的燃烧器火焰特性进行调控。发明了一种基于脉冲微射流控制的射流燃烧实验装置, 为射流及射流燃烧研究提供一种新的先进的实验平台。

燃气射流在工业生产中广泛应用，射流燃烧及其控制特性是近年来国内外研究的热点。本课题发明了一套基于脉冲微射流控制的射流燃烧实验装置，为燃气射流燃烧研究提供一种新的先进的实验平台；利用实验方法和数值模拟方法对射流的流场特性进行实验和模拟分析，进行了脉冲微射流的激励频率比、质量流率比、占空比、分布方式等不同的控制条件下对冷态主射流的控制特性及控制机理的研究；针对射流的流动机理和脉冲微射流的控制机理，对闭环控制方法进行了系统的研究，成功的设计了一种新闭环控制方法；基于冷态射流研究结果，将侧向脉冲微射流控制系统应用于湍流火焰的燃烧控制，并利用数值模拟的方法对不同控制条件下湍流火焰的燃烧特性进行了分析研究，探索了在不同工况下，对湍流火焰燃烧特性的控制规律。脉冲微射流与主射流激励频率比fe/fv =1时，两个微射流孔（N=2）分布时以及脉冲微射流质量流率比Cm=1%和Cm﹥5%时，微射流对主射流流场的控制效果最好；占空比对主射流流场的影响对着微射流质量流率比的不同而不同，较小的质量流率比时(Cm = 0.19%)，占空比dc= 15%时控制效果较好，当较大的质量流率比时(Cm = 2.31%)，占空比dc= 40%时控制效果较好，具有更大的速度衰减率；两个微射流夹角为120°时，主射流速度衰减率最大，控制效果最好，而夹角为180°时的控制效果最差；新的闭环反馈控制方法与传统控制方法相比，减少了15.3%的收敛时间，并且将稳定后的脉冲微射流的激励频率波动范围减少了70%，速度衰减率增加了12%。脉冲微射流对湍流火焰的控制特性，在4个微射流孔（N=4）时，火焰长度最短，燃气流场扩散较好，燃烧最为充分。本课题围绕基于脉冲微射流的射流混合主动控制技术进行了深入研究，在搭建的射流控制实验平台上进行了开环和闭环控制研究，获得了很好的控制效果。在冷态研究的基础上对射流燃烧及其火焰特性进行了计算机模拟研究，探索了微射流对射流燃烧的影响因素和对火焰特性控制的最佳条件。为该技术在实际工程应用奠定了前期的理论基础。