镁基水反应金属燃料燃烧的热声振荡机理研究

本项目以金属基燃料冲压推进系统燃烧不稳定性的共性问题为背景，开展镁基水反应金属燃料燃烧的热声振荡机理及控制方法的基础研究。基于镁基水反应金属燃料与水燃烧的非定常热释放特性的试验测试，建立具有壁面控制条件的燃烧室三维不稳定燃烧的理论模型，并利用数学物理方程的边值理论获得模型特征频率的有效计算途径。基于燃烧的不同物理工况，通过数值模拟研究获得热声振荡的机理及其失稳的频率特征和模态特征。此外，通过研究壁面边界条件改变对热声振荡特征频率的影响规律，探讨主/被动相结合，即复合控制途径抑制镁基水反应金属燃料冲压推进系统燃烧不稳定性的可行性。通过本项目的研究，对于我国当前正在竭力发展的金属基燃料冲压推进系统，从基础研究的角度可以增加更多的技术储备，同时将有助于寻找更为有效的热声振荡的控制途径。

燃烧不稳定也称热声振荡，是热释放脉动与压力脉动相互耦合而致的一种低频大振幅的振荡，普遍存在于各种动力装置中。本研究着眼于新型高能的镁基燃料冲压发动机，对其潜在的燃烧不稳定性问题开展了理论研究，包括热声不稳定的机理研究、热声振荡特征频率的预测，并基于Rijke管热声装置初步探讨了改变壁面边界条件对抑制热声振荡的有效性。.理论分析表明，对于镁基水反应金属燃料燃烧，水在高温下的热分解特性会引起燃烧过程中温度的脉动，也即燃烧热释放的脉动，而不稳定的燃烧会产生声音，声音会在狭小的燃烧室腔内反射与热释放耦合，当热释放率脉动与声压脉动的相位差小于90度时，热声振荡即激起，引发低频大振幅振荡。考虑镁基水反应金属燃料一次燃烧产物的速度不可忽略，平均流所引起的二次线性谐波及熵波涡波等均对热声振荡理论计算产生影响，因此考虑平均流影响，负责人建立了理论计算模型，获得了镁基燃料冲压发动机内热声振荡的特征频率，得出镁基燃料质量组分配比、进水口位置及水燃比均对热声振荡特性产生影响。结果给出了在固定燃料组分、发动机结构构型条件下，不产生热声振荡或热声振荡呈衰减趋势的合理的水燃比范围，为实际发动机工况提供了理论指导。.基于热声不稳定的破坏性，负责人还基于Rijke管热声装置完成了壁面条件改变对热声振荡的影响规律，实验结果表明，“软壁面”穿孔板背腔形式的采用减弱了发声强度，并减小了稳定区域，在一定范围内，背腔长度越长，控制效果越明显，较大的穿孔率也有助于缩小发生区间并降低振荡主频。实验结果与预期一致，并可指导镁基燃料冲压发动机的热声振荡途径，具有重大意义。