包含温度与流动影响的燃烧不稳定性瞬时增长特性研究

Combustion instability most often arises due to the coupling of unsteady heat release from combustion and acoustic perturbations in combustors. Classical linear stability prediction methods are widely applied, in which the combustor stability is assessed by calculating its eigenvalues. However it is not enough to predict such system’s transient stability behaviors, since the system is generally non-normal and associated with non-orthogonal eigenmodes. In such non-normal systems, transient energy growth of flow disturbances can occur. If the transient growth is large enough, nonlinear combustion instability can be triggered even in a linearly stable system. Previous studies assume that combustion systems are associated with no mean temperature gradient, vanishingly small-amplitude background noise or negligible mean flow present. However, these assumptions are not applicable to practical combustion systems. Neither is mathematically justified. To gain insight on the transient stability behaviors of combustion systems, the proposed project focuses on studying 1), the effects of the mean flow Mach number and the mean temperature ratio on the combustion system non-orthogonality; 2), the effects of the mean flow Mach number and temperature ratio on the transient energy growth of flow disturbances; 3), the choice of energy norms of flow disturbances with the mean flow and non-homogenous boundaries present; 4), the different types of added noises on triggering nonlinear Rijke-type combustion instability and the measurement of transient growth rate.

燃烧不稳定性是由于非定常热释放和声波相互耦合放大而导致的一种不稳定现象。常发生于各种推进系统的燃烧室之中。目前，除了针对线性不稳定性问题的经典特征值求解方式，诱发系统非线性不稳定性的瞬时增长特性也正在逐渐的为人们所关注。瞬时增长是由于系统内不同模态的非正交特性所引起。这种瞬时增长是触发非线性的燃烧不稳定性的关键机制，因此研究其特性有着十分重要的意义。而之前人们在燃烧不稳定性瞬时增长的研究中，对于流动和温度梯度等很多关键因素的作用还不是很清楚，通常是忽略掉。因此，本项目申请主要针对有流动和温度梯度影响的燃烧不稳定性瞬时增长特性展开理论和实验研究，探索以下几个问题：1，平均流动速度和温度梯度对模态非正交特性的影响；2，平均流动速度和温度梯度对不稳定性瞬时增长特性的影响；3，有流动影响的扰动能量的定义和使用条件；4，不同类型激励扰动（噪声）对Rijke类型燃烧器不稳定性瞬时增长特性的影响

燃烧室是现代推进系统的核心部件，其性能对系统整体特性起到关键性的影响。而燃烧不稳定性问题是由于燃烧产生的非定常热释放和声波相互耦合放大而导致的一种不稳定现象，常常发生于航空发动机燃烧室以及加力燃烧室，火箭发动机推力室，以及冲压发动机燃烧室当中。其表现就是大幅度的压力脉动，直接或间接的造成结构的破坏。目前，除了针对线性不稳定性问题的经典特征值求解方式，诱发系统非线性不稳定性的瞬时增长特性也正在逐渐的为人们所关注。瞬时增长是由于系统内不同模态的非正交特性所引起。这种瞬时增长是触发非线性的燃烧不稳定性的关键机制，因此研究其特性有着十分重要的意义。而之前人们在燃烧不稳定性瞬时增长的研究中，对于流动和温度梯度等很多关键因素的作用还不是很清楚，通常是忽略掉。因此，本项目申请主要针对有流动和温度梯度影响的燃烧不稳定性瞬时增长特性展开理论和实验研究，探索以下几个问题：1，平均流动速度和温度梯度对模态非正交特性的影响；2，平均流动速度和温度梯度对不稳定性瞬时增长特性的影响；3，有流动影响的扰动能量的定义和使用条件；4，不同类型激励扰动（噪声）对Rijke类型燃烧器不稳定性瞬时增长特性的影响. 此科研极大加强对燃烧不稳定性机理理解，尤其是瞬时增长和非正交特性。极大帮助设计稳定的燃烧器。