热通量火焰炉超高压天燃气绝热层流预混火焰蜂窝状不稳定性抑制

Experimental, numerical and theoretical investigations of flame cellular instabilities of the superhigh-pressure gaseous natural gas (NG) are proposed to be carried out with heat-flux burner systemically, in a similar operating environment of the thruster of liquid rocket with propellants of liquid natural gas (LNG) and liquid oxygen (LO2), and the suppression of cellular instabilities will be achieved, in order to support technically eliminating the combustion instability and preventing its destroying the thruster chamber structure in the operation of the LNG/LO2 rocket. . Firstly, a superhigh-pressure heat-flux burner is established, and flame characteristics of NG is obtained. Secondly, dominant mechanisms of celluar flame instability phenomena affected by hydrodynamic, thermal-diffusive and thermal-acoustic effects are clarified and key parameters are found. Finally, a feasible method of suppressing aimed cellular instabilities observed in experiments are proposed.. Through the current project, an expected suppression method for cellular instabilities of NG heat-flux-burner premixed flames at superhigh-pressures could be invaluable for engineering design of the LNG/LO2 liquid rocket in terms of its combustion stabilization.

为对消除工程试车中液态天然气/液氧火箭发动机推力室存在的燃烧不稳定提供技术支持，基于该类发动机的推进剂组成和推力室燃烧环境，本项目计划对超高压天然气层流预混火焰蜂窝状不稳定现象进行系统的实验、数值研究和理论分析，提出实验中火焰蜂窝状不稳定的抑制方案。. 具体实现是：首先搭建超高压热通量火焰炉，获得超高压天然气层流预混火焰特性的数据；然后研究水动力、热/扩散和热/声学机理作用下的火焰蜂窝状不稳定现象具体成因，明确不稳定现象主导机制，确定关键作用参数；最后提出可行的蜂窝状不稳定抑制方案，以期达到消除实验中火焰不稳定现象的目的。. 本项目研究计划提出的热通量火焰炉上超高压天然气火焰蜂窝状不稳定的抑制方案，预计对液态天然气/液氧火箭发动机推力室稳定燃烧设计具有重要参考价值。

为解决液态天然气/液氧火箭发动机推力室设计中遇到的燃烧不稳定等工程问题，达到高的工作可靠性、高的燃烧效率和低的能量损耗的目标，本项目对常压和高压下甲烷天然气和氢气的层流火焰传播特性及稳定性进行了研究。. 首先，建立了一套热流量炉火焰测速实验平台，并采用热流量方法对CH4/CO/O2/CO2火焰层流燃烧速度和火焰传播速度进行了测量，得到了层流预混火焰特性，研究了火焰呈蜂窝状时的火焰传播速度。通过实验研究和数值模拟，随着CO含量的增加，预混气的层流燃烧速度和绝热火焰传播速度普遍下降。. 其次，开发了一套层流预混火焰数值仿真软件，对热流量火焰炉的层流预混火焰的传热与火焰稳定现象进行了深入细致的研究，分析并得到了蜂窝状不稳定现象出现和消失的具体成因。发现了对于甲烷火焰，当抬举高度足够低时，尽管炉盘圆孔可以弯曲火焰，但是本质上火焰炉能够抑制内在火焰不稳定性。找到了控制该现象临界状态的关键控制参数——平均火焰抬举高度和预混气来流速度。. 进行了高压环境和不同初始扰动条件下二维蜂窝状贫燃氢气/空气预混火焰的非线性演化直接数值仿真研究，模拟了不稳定现象的初始线性增长和火焰的非线性演化。演化过程对初始扰动很敏感，在从火焰初始状态到最终状态的非线性演化进程中观测到了两个现象：“模态锁定”和“模态优先选择”。在更高压力下，由于火焰热厚度变薄，水动力学不稳定性增强，火焰前锋更加混沌化。. 最后，研究了热/声学不稳定机理对火焰结构的影响。搭建了声波与火焰相互作用实验台，利用高速摄影和自发辐射等手段，获得CH自发辐射图像，分别获得了不同频率下甲烷预混火焰和非预混火焰的燃烧特性和火焰响应特性。. 项目成果对消除液态天然气/液氧火箭发动机推力室存在的燃烧不稳定、发动机的闭式循环工作有重要参考价值。