火焰面波动激发漩涡脱落的热声振荡机理研究

发布时间：2017-11-21 04:28

  本文关键词：火焰面波动激发漩涡脱落的热声振荡机理研究

  更多相关文章： 热声振荡 热致发声 火焰面波动 漩涡脱落 模态分析 声压振型

【摘要】：贫预混燃烧技术由于具有污染物排放水平低的优势,最近几十年在工业燃气轮机领域得到了广泛的应用,被誉为最具有前途的低污染燃烧技术,但是该技术却始终无法回避热声振荡问题的困扰。虽然各国学者发展了很多著名的发生机理试图解释热声振荡现象,但是由于热声振荡问题极其复杂,目前热声振荡的发生机理依然不明。针对热声振荡发生机理不明的现状,本文在综合前人火焰面波动机理和漩涡脱落机理的成果的基础上,提出了火焰面波动激发漩涡脱落的热声振荡发生机理假说,并尝试通过理论推导、数值模拟和实验验证相结合的方法检验该发生机理的准确性。理论推导方面发展了火焰面波动对应的燃烧热释放模型,得到了影响燃烧热释放波动的主要因素和影响规律；数值模拟方面验证了模态分析方法对热声振荡研究的有效性,从频域方面得到了本文模型燃烧室声场的固有频率、声压振型和振幅增长率随温度和当量比的变化规律,时域方面得到了火焰面波动热声振荡稳定区间和非稳定区间；实验部分通过研究热释放与声压波动的规律,确认了漩涡脱落是热声振荡的发生机理,但是火焰面波动却不是激发漩涡脱落的直接原因,并且通过总结归纳,发现了声压振荡从非热致发声—低频热致发声-高频热致发声-热声振荡的变化规律,解释了出现以上变化的原因。本文主要结论如下：—燃烧热释放模型推导方面：1燃烧热膨胀效应对热释放函数的幅频特性具有重要影响,但是对相频特性不构成影响,不同的燃烧热膨胀条件下的相频特性完全相同。2燃烧室高度、中心体高度、平均速度对火焰面波动热释放规律具有重要影响,并且不同的热膨胀参数下对幅频和相频的影响规律各不相同。3火焰传播速度是影响火焰面波动热释放的关键参数,能够强烈地影响声压波动与热释放波动之间的时间延迟。二数值模拟方面：1模态分析是热声振荡研究的有效方法,能够预测热声振荡的频率、振型和振幅增长率等参数。2热声振荡的各阶频率随着当量比的增加而增加,相同阶的热声振荡频率的对应的振型相同,只有热声振荡的频率和振型都正确时,才能判定热声振荡已经发生。3当量比和燃烧温度对火焰面波动激发的热声振荡的振幅增长率具有重要影响,不同阶频率对应的振幅增长率敏感区间随当量比和温度的增加变化规律相差巨大。4不同流量下,火焰面波动在不同当量比下激发热声振荡的能力不同,存在着不同的热声振荡发生区间。三实验方面：1虽然漩涡脱落是导致热声振荡的原因,但是漩涡脱落并非由火焰面波动所激发。2实验过程存在非热致发声、低频热致发声和高频热致发声3种不同的现象,时间延迟不同是3种实验现象之间的最显著区别。3时间延迟是导致热致发生的最重要因素,当能量高的模态的时间延迟满足瑞利准则时,将导致大强度的热致发声现象,当能量低的模态的实验延迟满足瑞利准则时,将导致低强度的热致发声现象。4热声振荡是热致发声的极端情况,当热致发声的频率等于燃烧室固有频率时,热声振荡将会发生。综上所述,本文最终证实了漩涡脱落是热声振荡的发生机理,但是火焰面波动不是漩涡脱落的直接原因。热声振荡现象是本文高频热致发声的极端情况,是由于高频热致发声的频率与燃烧室固有频率接近导致共振现象所导致。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK16

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