分布式非预混火焰传递函数的理论模型及其验证

火焰传递函数表征了入口边界条件的变化对燃烧动力学过程影响，发展准确的火焰传递函数对研究燃烧不稳定的生成机理，进而有效避免和抑制该现象具有重要意义。本课题将在已有工作的基础上，通过数理分析，并与实验测量和数值计算相结合的方法发展分布式非预混火焰传递函数的理论模型。一方面，通过扰动分析，得到分布式火焰传递函数与流场变量之间的一般关系，同时运用数理分析的方法对非预混火焰系统的动态响应进行分析；另一方面，运用数值计算和实验测量方法得到不同工况下的火焰传递函数，并与理论结果较验；在此基础上分析各物理量的相关性，确定影响传递函数特征的主要因素。并运用发展的模型研究非预混燃烧系统在不同工况下的稳定特性。该课题涉及燃烧、流动、控制和系统分析等领域的基础研究，将促进相关学科的发展。同时结果可为我国自主开发高效稳定的动力推进系统提供理论分析工具。

非预混燃烧是动力设备和推进系统中常见的燃烧组织形式，其火焰传递函数对于理解非预混火焰动力学特性、预测和控制其振荡燃烧现象有着重要的意义。对于非预混火焰来说，燃烧反应区被扩散掺混作用控制，火焰体现出比较强的分布式特征，在扰动较大的情形下，火焰面会出现被撕裂的特征。这种情况下，热斑的产生和演化问题就成了非预混火焰稳定性研究中的一个重要问题。在本项目中，通过理论分析、实验验证和数值计算相互验证的方法，系统研究了分布式非预混火焰传递函数。在理论研究中，将以一个理想二维平板非预混火焰为研究对象，在伯克-舒曼经典假设的前提下，通过格林函数法理论计算非预混火焰热斑的产生与演化的整个过程。研究发现较小的Strouhal数、较大的Peclet数以及较快的对流速度有利于热斑向燃烧区下游的传播。同时，通过实验测量的手段对分布式非预混火焰的传递函数进行了研究。实验中使用双麦克风测速技术测量燃烧室出口速度脉动，作为传递函数的输入量；使用CH基自发荧光测量燃烧过程的放热率脉动，作为传递函数的输出量。搭建了卡塞格林光学测量系统，以提升放热率测量的空间分辨率，实现单点测量，进而得到一维分布式火焰传递函数。实验中发现传递函数的幅值具有双峰分布的特点，在幅值的峰谷处相位角有突变翻转，这与热斑的形成和发展密切相关。整个非预混火焰系统呈现出低通特性。这些特征与理论模型的结果都很好吻合。在数值分析中采用直接数值模拟方法研究了甲烷-空气非预混伴流火焰的不稳定性，并与实验结果和理论分析结果进行了比较。浮升力不稳定性已经被证实是一种固有的流动不稳定性，而由于外界扰动的影响，可以观察到对流不稳定性。从数值计算结果看，在火焰面内侧由于射流剪切层的开尔文-亥母霍兹不稳定性形成了较小尺度的涡，在火焰面外侧由于流场中的浮升力形成了较大尺度的涡，且在流动不稳定性中起主导作用。在外加扰动作用下，在下游出现了火焰的掐断。非预混火焰具有低通特性，即火焰对低频扰动更为敏感。同时，相比于轴对称的情况，平面反应流中的掺混和卷吸更强，涡的尺寸更大，分布也更宽，但是其动力学特性与轴对称时的也类似。结果表明，尽管模型是基于一系列假设，但与实验测量数值模拟的结果定性上都能吻合较好。通过多方面验证了分布式非预混火焰传递函数理论模型的有效性和适用范围，这些结果对于掌握非预混燃烧不稳定性的相关机理，发展相应的控制方法都具有重要意义。