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航空发动机加力燃烧室不稳定燃烧机理与控制方法研究

作　者: 张澄宇
导　师: 孙晓峰
学　校: 北京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 加力燃烧室热声振荡数值模拟主被动控制
分类号: V231.2
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

航空发动机加力燃烧室中的振荡燃烧一直以来都是研究者们关注的问题,引起燃烧不稳定的详细机理和激励过程到目前为止还不十分清楚,如何发展有效的手段来抑制燃烧室中不稳定的发生也仍然是需要研究的问题。本文围绕某型航空发动机加力蜂鸣问题,利用模型燃烧室预混燃烧及Rijke管热声振荡的一系列实验研究,探讨引起燃烧不稳定的机理、影响因素和抑制方法,并建立了能够适用于航空发动机加力燃烧室的热声振荡理论模型,在CFD数值模拟研究的基础上,对该型发动机加力燃烧室中热声振荡现象及其控制规律进行机理性的研究和分析,并试图找出一种主被动相结合的控制热声振荡新方法。首先是在已有的三维圆管热声振荡理论模型的基础上,发展了一个适合于航空发动机加力燃烧室的不稳定燃烧预测模型。该模型利用了模态匹配的方法来处理变截面、声衬(隔热屏)加入等复杂问题,并考虑了热源、边界条件等因素的影响。该模型的建立为预测航空发动机加力燃烧室振荡燃烧特性及控制规律提供了一种理论探索途径。其次为研究航空发动机加力燃烧室燃烧不稳定激励及控制方法,开展了Rijke管热声振荡研究及模型燃烧室预混燃烧不稳定性研究系列实验等基础工作。在Rijke管实验中,对热源位置、穿孔板穿孔率、声衬长度、偏流等因素对热声振荡特性的影响进行了研究,结果表明:热源位置、声衬长度、穿孔率以及偏流等因素的改变能够引起Rijke管中的有效声压、振荡频率及不稳定区域的变化。并能够从中找到抑制热声振荡的控制方法和规律。对模型燃烧室预混燃烧不稳定性研究实验中,着重研究了当量比、旋流和扩张段结构等对于振荡燃烧的影响,实验表明燃烧室发生的是纵向自激式振荡。振荡模式是燃烧室与预混段之间的耦合的共振现象,振荡频率由整个系统决定,预混段的振荡是由燃烧室引起的受迫振荡。另外当量比对燃烧的稳定性有重要影响,扩张段结构会与旋流会共同影响燃烧不稳定频率和脉动压力。这些工作为进一步研究影响热声振荡特性的诸因素及其控制规律,同时也为航空发动机加力燃烧室的振荡燃烧控制积累了有价值的经验。第三是利用CFD方法对模型燃烧室及某型航空发动机加力燃烧室中的不稳定燃烧进行了数值模拟。对模型燃烧室预混燃烧的数值模拟解释了实验中的现象,并发现在燃烧室进口突扩面处形成以中心回流区和角回流区与混气射流形成的内外两个剪切层决定火焰的结构和运动。应用不同的数值模型对航空发动机加力燃烧室在最大加力状态时出现的振荡燃烧的数值模拟表明:火焰稳定器后的涡脱落现象是引起加力蜂鸣的重要原因,而燃油分布、雾化等因素会影响到火焰稳定器唇口附近的剪切层形态,从而对火焰面的脉动产生影响。数值模拟的结果还表明采用的数值方法对对勾画燃烧室中的涡系结构、燃烧形态以及对振荡燃烧的判断有很大的影响,因此对模型的选择仍然是利用CFD方法研究燃烧室流场的难点之一。通过CFD的模拟得到了加力燃烧室的平均流动参数,为圆管热声振荡理论模型在加力燃烧室中的具体应用提供了条件。非定常数值模拟的结果也从一个侧面考察了加力燃烧室中发生振荡燃烧的机理和影响因素。第四是利用圆管热声振荡理论模型计算了航空发动机加力燃烧室中的热声振荡现象,并探讨抑制热声振荡的机理及控制规律。这项工作的结果表明该模型在研究这类问题时的适用性,预测结果具用一定的准确性。同样对Rijke管的计算结果也证明了偏流的引入对于主被动结合控制热声振荡方法的重要性。在对航空发动机加力燃烧室中的热源位置、隔热屏等结构的模拟研究中,揭示了这些结构对热声振荡的影响规律,从而为发现新的控制方法提供理论依据和思路。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-20
第一章绪论  20-34
  1.1 研究背景和意义  20-21
  1.2 热声不稳定机理简介  21-23
  1.3 国内外热声振荡及燃烧不稳定问题的研究进展  23-30
    1.3.1 燃烧过程方面的研究  23-26
    1.3.2 热声相互作用方面的研究  26-28
    1.3.3 燃烧不稳定的数值仿真研究  28-29
    1.3.4 热声不稳定控制技术研究  29-30
  1.4 本文的工作思路及主要研究内容  30-34
第二章圆管热声振荡三维理论模型  34-63
  2.1 热声振荡理论模型概述  34
  2.2 热声不稳定性三维理论模型  34-46
    2.2.1 基本方程及其解  34-38
    2.2.2 模型的匹配方法  38-44
    2.2.3 特征方程组的封闭  44-45
    2.2.4 只有一个分界面的模型  45-46
  2.3 对声衬处理的模态匹配法  46-62
    2.3.1 模型中的一些假定  47
    2.3.2 软壁面的阻抗方程  47-48
    2.3.3 穿孔板的阻抗模型  48-49
    2.3.4 等价分布源与积分变换思想  49-52
    2.3.5 散射波和入射波的关系  52-54
    2.3.6 传递单元方法  54-57
    2.3.7 匹配条件  57
    2.3.8 声衬段与光壁界面间的匹配  57-62
  2.4 本章结论  62-63
第三章 Rijke管热声振荡实验与控制方法  63-81
  3.1 Rijke管研究简介及本章主要工作  63-66
    3.1.1 Rijke管热声振荡理论简介  63-65
    3.1.2 本章工作内容  65-66
  3.2 实验装置以及数据采集系统  66-67
    3.2.1 实验装置  66-67
    3.2.2 数据采集系统  67
  3.3 实验过程及结果分析  67-77
    3.3.1 温度测量过程  67-68
    3.3.2 硬壁结果与分析  68-70
    3.3.3 声衬结构及壁面通气孔对热声振荡的影响  70-74
    3.3.4 声衬控制规律的讨论  74-76
    3.3.5 实验结果综述  76-77
  3.4 理论计算与实验结果的对比  77-80
    3.4.1 硬壁面的计算结果  77-78
    3.4.2 带声衬结构的Rijke管计算结果  78-80
  3.5 本章结论  80-81
第四章贫预混燃烧的不稳定性实验研究及数值模拟  81-125
  4.1 贫油预混燃烧不稳定性简介及本章工作  81-83
    4.1.1 贫油预混燃烧不稳定性机理简介  81-83
    4.1.2 本章主要工作  83
  4.2 实验系统简介  83-87
    4.2.1 实验台结构  83-84
    4.2.2 数据采集系统  84-86
    4.2.3 实验方案  86-87
  4.3 实验结果分析  87-100
    4.3.1 SN=0.83 时基准结构燃烧室的实验结果  87-93
    4.3.2 旋流对于燃烧稳定性的影响  93-97
    4.3.3 扩张段结构对于燃烧稳定性的影响  97-100
  4.4 数值模拟结果分析  100-123
    4.4.1 网格的生成  100-101
    4.4.2 SN=0.83 时基准结构燃烧室内各参数的数值模拟  101-105
    4.4.3 旋流对于燃烧稳定性的影响  105-111
    4.4.4 扩张段结构对于燃烧稳定性的影响  111-123
  4.5 本章结论  123-125
    4.5.1 实验结论  123-124
    4.5.2 数值模拟结论  124-125
第五章发动机加力燃烧室流场与振荡燃烧数值模拟  125-177
  5.1 引言  125-129
    5.1.1 发动机燃烧过程数值模拟简介  125-126
    5.1.2 发动机加力燃烧室中的振荡燃烧  126-129
    5.1.3 本章的主要工作内容  129
  5.2 数值模拟方法和模型  129-148
    5.2.1 模拟对象  129-130
    5.2.2 燃烧与流动的数值模拟模型  130-148
  5.3 加力燃烧室流场模拟结果  148-175
    5.3.1 边界条件设置  148-149
    5.3.2 模型和网格结构  149-151
    5.3.3 二维定常数值模拟结果  151-160
    5.3.4 二维非定常数值模拟结果  160-168
    5.3.5 三维流场数值模拟结果  168-175
  5.4 本章结论  175-177
第六章发动机加力燃烧室热声振荡特性及控制规律研究  177-190
  6.1 加力燃烧室热声振荡控制方法研究思路及本章主要工作  177-179
    6.1.1 加力燃烧室热声振荡控制方法的研究思路  177
    6.1.2 热声振荡控制方法简介  177-178
    6.1.3 本章主要工作  178-179
  6.2 热声振荡理论方法的边界条件及热释放模型  179-183
    6.2.1 边界条件  179-182
    6.2.2 不稳定热释放模型  182-183
  6.3 加力燃烧室热声振荡不稳定性分析及变化规律  183-189
    6.3.1 系统的热声计算简化模型  183-184
    6.3.2 热声振荡模型的计算结果  184-188
    6.3.3 计算结果的对比  188-189
  6.4 本章结论  189-190
结论  190-192
  研究总结  190-191
  工作展望  191-192
参考文献  192-204
攻读博士学位期间发表的论文  204-205
致谢  205-206
作者简介  206

航空发动机加力燃烧室不稳定燃烧机理与控制方法研究

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