高压扩散火焰的脉冲不稳定性研究

不稳定火焰产生的释热速率振荡和室内声场耦合，使得燃烧室内出现燃烧不稳定现象。而火焰脉冲不稳定性，是引起初始释热速率振荡的一个重要机制。因此，对火焰脉冲不稳定性的研究，对揭示燃烧不稳定性机理，具有重要的意义和价值。特别是液体火箭发动机内的燃烧不稳定性，对其机理还没有统一的认识，同时目前尚缺乏关于高压扩散火焰脉冲不稳定性的研究。针对于此，本项目基于详细的化学反应机理和传递性质，展开对高压下球形扩散火焰和对冲扩散火焰脉冲不稳定性的数值模拟研究。拟得到从稳定转变为不稳定火焰的临界点，及非稳态振荡导致灭火的灭火极限随压力的变化规律。进一步本项目也将研究在高压条件下辐射热损失、火焰拉伸率和不同燃料等因素对脉冲不稳定性的影响规律和机制，并研究高压下火焰振荡模式的特征和演化机制。这些研究为进一步揭示火箭发动机内燃烧不稳定性的初始引发机制奠定基础。

火焰脉冲不稳定性是燃烧室内燃烧不稳定性的重要初始引发机制，同时其对可燃极限、质量燃烧速率，以及拉伸诱导的灭火极限也有显著的影响。本研究项目就是基于详细化学反应和输运过程，对同时包含扩散火焰和预混火焰的部分预混火焰脉冲不稳定性进行数值模拟研究。部分预混火焰广泛存在于实际燃烧系统中，如燃气轮机，火花点火发动机以及柴油机中。因此，对其火焰脉冲不稳定性的研究，为揭示发动机内燃烧不稳定性机制有重要意义。首先，本研究对氢气/空气部分预混火焰，低拉伸率下的火焰结构进行了研究。研究发现，拉伸率和当量比这两个重要参数控制着部分预混火焰结构，以及扩散火焰和预混火焰之间的耦合关系。在非稳态研究中计算得到了部分预混火焰脉冲不稳定现象。对其机理研究发现，在火焰振荡过程中预混火焰强度随氧气浓度变化，且不依赖于当地温度。其中，大活化能和慢速的氧气扩散过程引发了火焰脉冲不稳定性。另一方面，扩散火焰经历了受迫振荡，其是由来自预混火焰区振荡的氢气扩散通量引起的。进一步，本研究给出了氢气/空气部分预混火焰其由稳定燃烧状态转变为脉冲不稳定燃烧状态的过渡边界，并发现大拉伸率或大当量比都会抑制脉冲不稳定性的发生。通过敏感性分析本研究揭示了其抑制脉冲不稳定火焰的机理。另外，本研究还进行了高压、燃料化学、索雷特扩散等效应，对部分预混火焰的影响机制的研究。发现上述效应都会通过改变火焰结构，以及火焰间耦合关系，而影响火焰脉冲不稳定性的发生。本项目除了对上述燃烧不稳定现象的重要引发机制，即火焰脉冲不稳定性的研究外，还进一步研究了燃烧不稳定现象的维持和增益机制。基于详细化学反应与CFD的结合，本研究在高压受限空间内研究了压力波和火焰间的耦合作用，发现压力波对扩散区温度的扰动缩短了当地点火延迟时间从而引起自燃；自燃过程的迅速释热增益了压力波，从而形成了自激振荡过程。进一步，通过改变未燃混气温度，本研究识别出了多种高压受限空间内燃烧不稳定模式。