旋流燃烧中旋进涡核运动规律与热声不稳定的相关性研究

旋流燃烧中的热声不稳定直接影响到燃料的利用效率和污染物排放水平。本项目采用PIV/PLIF激光测量系统以及多通道高速动态压力测量系统等实验研究手段和基于复杂化学反应动力学的大涡数值模拟方法，探索旋流燃烧器中旋进涡核在不同旋流强度和化学当量比下的运动特征、三维结构和脉动特征，构建旋进涡核的结构和运动参数（长度、体积、脉动频率）影响燃烧热声不稳定的振幅和共振频率的传递函数，揭示旋进涡核运动引起的火焰锋面局部区域的频繁熄火和点燃过程对燃烧反应的热释放脉动的贡献度，进而研究燃烧过程的热释放脉动与热声不稳定相互耦合的内在物理机理，探明旋进涡核运动规律与燃烧热声不稳定的相关性。同时，在实验研究的支撑下构建一个能准确考虑旋进涡核运动与燃烧动态过程的亚格子模型和基于详细化学反应机理的燃烧模型，为低NOX旋流燃烧器的设计开发提供依据和参考。

旋流燃烧器中的热声不稳定问题是当前旋流燃烧方式亟需解决的技术难题之一，这一问题直接影响到燃料的利用效率和污染物排放水平。在项目研究期内，课题组综合采用了非接触式激光测量、接触式点测量、有限差分和格子玻尔兹曼等方法，研究了旋流强度、化学当量比、燃烧功率和燃烧器结构等系统参数对旋流流动的冷态流场、热态流场、旋进涡核演化规律以及与热声不稳定激发的相关性等方面的影响和传递规律，揭示了旋流燃烧器内燃烧时旋进涡核的运动模态及其燃烧稳定性的相关性，这为如何有效控制旋流燃烧器热声不稳定提供了理论依据。同时，该项目的研究工作也提出了一种行之有效的干预方法，即横向射流方法，项目研究了横向射流的湍流拟序结构、射流轨迹和扩展宽度，为采用横向射流进行燃烧控制、强化混合和传热提供了实验数据指导。首先，通过近百个实验工况的研究发现，旋流燃烧器燃烧诱发的热声不稳定存在一个临界旋流强度，随着旋流强度的增加或减小，燃烧热声不稳定的强度都将增强；此外，实验研究发现对于不同的燃烧功率，其激发最大热声不稳定的化学当量比是不同的；然后，通过对双调风旋流燃烧器燃烧诱发热声不稳定的多工况实验研究和数值模拟发现，旋流燃烧的中心回流区的包络面并非轴对称，而是带有旋转的；旋进涡核诱发的热释放不稳定不一定诱发热声不稳定，当斯德努哈尔数在某狭小的范围内才能激发热声不稳定，此时燃烧的热释放脉动与旋流燃烧器的燃烧室的声场的相位一致，满足瑞利准则。其次，采用了横向射流干预旋进涡核，从而控制旋流燃烧器热声不稳定，研究表明，横向射流能够大幅度降低旋流燃烧器的热声不稳定强度，采用了三维PIV测量了横向射流的射流中心轨迹和扩展宽度，深入探索横向射流控制旋进涡核的内在机理。最后，采用经典的G方程研究了锥形预混层流火焰对声音扰动的线性和非线性响应函数，火焰的热释放不稳定是由其表面面积的变化所致，而这种变化来源于火焰锋面的脉动，进而构建了火焰表面扭曲的时间演化函数；当声波扰动的振幅较大时，应采用非线性传递函数Hammerstein–Wiener (HW)模型进行描述，以更有效预测自激热声不稳定的激发。