结合系统辨识的甲烷掺氢预混火焰热声稳定性研究

为了研究甲烷掺氢燃料对燃气轮机燃烧室热声振荡特性的影响，利用计算流体动力学结合系统辨识(CFD-SI)的方法对某旋流预混燃烧室进行了数值研究。在非定常CFD模拟中提取上游速度与火焰整体热释放率波动的时间序列，并通过相关性分析进行系统辨识，获取了不同甲烷掺氢比下的火焰传递函数(FTF),并结合低阶网络模型对燃烧室热声不稳定性进行了分析。结果表明，随着体积掺氢比的提高，火焰逐渐由“V”形变为“M”形，燃烧器出口处的涡结构先形成后消失，这导致了燃烧室热声振荡特性的改变。在体积掺氢比低于30%时，火焰响应不发生较大变化，燃烧室振荡频率小幅提高；当掺氢比在30%～60%时，火焰对低频的响应逐渐增强，对高频响应先增强后减弱，燃烧室在200 Hz附近热声模态的振荡消失，火焰稳定性增强，但高频纯声学模态被激发；而当掺氢比达到60%时，燃烧室内重新出现热声模态的振荡。对于以天然气作为燃料的燃气轮机，适当的掺氢比能改善燃烧室内的热声不稳定性，但氢气加入会更容易激发燃烧室的高频纯声学模态，使其在高频范围内出现振荡。     

热声谐振管的有源热声网络模型研究

根据流体力学基本方程组建立了采用平行板叠结构回热器的热声谱管的有源网络模型,为为热声谐振管与制冷机的优化匹配了一种有效的理论工具。     

热声谐振管的有源热声网络模型研究

根据流体力学基本方程组建立了采用平行板叠结构回热器的热声谐振管的有源热声网络模型,为热声谐振管与制冷机的优化匹配提供了一种有效的理论工具     

热声热机结构动力学分析

利用商业软件ANSYS建立热声热机模型,从结构动力学角度进行模拟研究,对其进行结构静力、模态和谐响应分析。在热声系统的关键位置布置监测点,得到热声系统内部位移、应力和应变等参数随压力和频率的变化关系。研究结果表明:随着充气压力的提升,应力应变基本呈现线性增大的趋势,且峰值点一一对应。随着结构模态的提高,热声热机的应力和应变因位置的不同而存在差异;热声系统的3阶和4阶模态下固有频率接近气体介质的振荡频率;由谐振管内表面布置的监测点所得结果可知,高密度的气体介质的振荡会在回热器中产生振动激励和声激励,并作用于谐振管,使声波和固体介质产生共振和耦合。     

热声板叠式回热器结构动力学分析

分别利用Solidworks和ANSYS软件对热声系统中回热器的热声机理从结构动力学角度进行模拟研究.建立三维板叠式回热器的物理模型,得到在0.5,0.6和0.7 MPa充气压力作用下和在系统内谐振动作用下回热器的各动力学参数的响应及其分布.从模拟结果得出:回热器在热声系统振动中存在多种模态;在低频段各点应力-应变基本吻合,高频段各点差异逐渐增大;在一阶固有频率3 300 Hz附近,回热器内各点的应力和应变达到最大值.     

光学支声子模对谱线热增宽的影响

本文研究发现光学支声子模对谱线热增宽有一定影响。尤其随着温度升高，光不支对热增宽贡献愈加明显。本文从理论上推导出光学支项的计算公式，然后全面考虑多学支和光学支对ＭｇＯ２：Ｃｒ＾３＋Ｒ线热增宽的贡献，并进行拟合计算，计算结果与实验结果符合很好。     

钝体及开缝钝体燃烧器火焰稳定性对比分析

基于回流区中煤粉挥发分释热点燃主气流实现火焰稳定的集总分析模型，导出使煤粉气流火焰稳定的最小口流区长度、最大允许的主气流流速及极限最大可用挥发分释热量的表达式，并以此为准则对钝体及开缝钝体燃烧器的火焰稳定性能进行了对比分析．研究表明，在相同条件下开缝钝体燃烧器有优于钝体的火焰稳定性能．同时在通道流场燃烧器上对几种煤粉进行了两种燃烧器的燃烧性能实验，其结果与理论分析一致．     

异型回热器热声热机结构动力学分析

利用商业软件ANSYS从结构动力学角度模拟分析了回热器结构的改变对热声热机的影响.在之前研究的基础上,改造了普通板叠回热器的结构,建立针束、肋片板、微坑板异形回热器模型,对包含各回热器的热声整机模型进行了结构动力学分析.分析得出,普通板叠回热器热声热机在150Hz附近谐振,而异型板叠回热器热机由于结构的改变,共振频率发生变化,在高阶模态应变到达峰值,说明了回热器的结构优化是提高热声热机性能的有效手段.     

声空化泡动力学及其测量

在评述当前声空化研究领域的最新进展基础上, 报道在声空化泡动力学理论和实验方面的研究结果. 首先, 考虑了实际非球对称声场驱动下的空化泡运动, 提出了一个非球形气泡动力学模型, 数值计算给出一种新的稳定的非球形振荡解. 然后, 设计了双路Mie散射系统, 对空化泡运动的球对称性进行了实验检测, 发现在低声压驱动的大气泡中存在明显的不同方向的非同步振荡. 作为一个推论, 得到了空化泡非球形振荡的证据. 并且完成了非球形振荡和驱动参数、液体参数的相关性测量, 具体参数包括驱动超声的幅度、频率, 液体的表面张力系数、黏度、含气量等. 最后, 介绍了数字移相频闪照明拍摄技术, 实现对稳态声空化泡的直接拍摄测量, 时间分辨率提升到20 ns, 相比已有的200 ns的时间分辨率, 提高了一个量级.     

热边界条件对平板狭缝中火焰形状的影响

模拟了预混乙炔—空气火焰在平板狭缝中的传播,对不同热边界条件和点火条件下火焰形状的变化进行了研究。结果显示:在绝热边界条件下,当采用平面点火时,会形成并始终保持为郁金香状火焰;当采用火花点火时,则更倾向于形成蘑菇状火焰;在等温边界条件下,当采用平面点火时,火焰有一个由郁金香形状向蘑菇形状的转变过程,而采用火花点火时恰好相反。不同的转变过程说明,壁面散热对郁金香状火焰的形成具有双重作用。当壁面散热对燃烧影响较大时,会抑制郁金香状火焰的形成;而当壁面对流场流动影响较大时,火焰又会促进郁金香状火焰的形成。     

Rijke热声管的热声特性研究

根据 G.W.Swift的著作 ,进一步推导出了相应的热声理论公式 .通过实验 ,分析了典型 Rijke热声管的发声特性 ,并首次涉及了该问题的某些非线性内容     

热声振荡的格子气模拟

采用二维九速的格子气模型模拟热声振荡,建立了完备的多体碰撞规则,提供了粘性和热边界的处理方法.对不同热源温度的热声振荡起振特性进行了模拟,同时也数值模拟研究了板叠两端温度随时间的响应过程.研究结果显示,碰撞规则完善与否会影响格子气的模拟结果,系统中的温度场对板叠温差的扰动存在响应滞后,温差直接影响热声振荡的起振特性.此外,低温热源对格子气模型噪声的影响更为敏感.     

过冷沸腾中热声振荡驻波自激形成的实验研究

借助工程信号处理的时间和频域方法，详细分析了竖直管内过冷沸腾中声振荡特性，获得了热声振荡驻波自激成形主流过冷真的关系。     

用钝体稳定劣质煤粉火焰的实验研究

本文以劣质煤粉钝体燃烧器的成功开发为背景,在单角燃烧实验炉上进行了大量实验研究,实测了冷态速度场和热态温度场.结果表明,采用钝体燃烧器使煤粉着火提前,燃烧稳定和强化.     

燃烧振荡声学抑制器的机理分析与设计优化

燃烧振荡是发展低排放燃气轮机燃烧室需要解决的关键问题之一，未来燃气轮机燃烧室运行温度更高、具有更宽的工况运行范围及更复杂的几何结构(如轴向分级、环形燃烧室等),燃烧振荡存在高振幅、多振荡频率、多振荡频率时变和多热声模态共存等特点。采用声学抑制器被动控制燃烧振荡具有抑制器结构简单、可靠性高、成本较低等优势。针对未来的燃烧室，现有抑制器方案将面临很大挑战，因此，亟需开展宽吸声带宽、可控制多模态的声学抑制器及系统级燃烧室多声学抑制器设计优化研究。该文概述了国内外声学抑制器机理和设计优化的研究进展，着重总结了作者近年来在常规及多频段声学抑制器机理、抑制效果分析计算和复杂热声系统参数对声学抑制器特性影响，以及基于伴随方法的多声学抑制器多参数快速优化等方面的研究工作，并对未来燃烧室声学抑制器的发展方向进行了讨论。     

高频热声制冷机中的压电驱动器

为了研究压电驱动器与热声谐振腔间的耦合特性,建立了压电驱动系统的网络模拟模型。根据压电片的简支和固定两种边界条件,对压电驱动器及(热)声谐振腔声负荷系统的频率和电压特性进行了模拟计算。研究结果显示在高频时系统元件间的耦合特性较低频时好,具有简支边界的压电片产生的声压级比固定边界的要大得多,声压级随输入电压的变化特性计算与实验是相一致的。该模型可用于热声制冷机中压电驱动系统的特性分析。     

Rijke管内热声振荡机理的一种新解释

根据气体的密度、粘度和导热系数等物性参数随温度变化的规律,提出了Rijke管内热声振荡机理的一种新解释,由于气体密度随温度增加而减小,动力粘度和导热系数随温度增加而增加,故在一定的加热条件下,加热管内会形成压力与流量关系的奇异性,产生不稳定性,从而导致热声振荡,这一研究结果从另一个角度揭示了热声现象的机理,对进一步认识该现象具有一定的意义。     

过冷沸腾中热声振荡驻波自激形成的实验研究

借助工程信号处理的时域和频域方法,详细分析了竖直管内过冷沸腾中热声振荡特性,获得了热声振荡驻波自激形成与主流过冷度的关系．实验表明,当主流过冷度较大时,过冷沸腾声振荡具有多频性;随着过冷度的下降,多频的声振荡逐渐在管道长度方向上发展为具有单一高频的热声驻波;当过冷度下降到致使加热面接近饱和沸腾时,空泡群脉动所致低频压力波动将取代高频热声振荡驻波．在此基础上,提出了验证热声振荡驻波形成与否的相关判断原则,它可方便地应用于过冷沸腾传热工况的诊断之中．     

协流温度对喷射起升火焰燃烧稳定性的影响

利用活化热氛围燃烧器提供的稳定热氛围场,分析了中央喷射液体燃料的起升火焰的基部高度变化,研究不同协流温度对起升火焰燃烧稳定性的影响。研究表明,协流热氛围中液体燃料喷射起升火焰基部的跳变是自燃现象作用的结果。不同协流温度时,中央喷射起升火焰的稳定机理不同。存在一个火焰基部稳定的临界温度,低于此温度时起升火焰的稳定受控于燃料的自燃现象,而高于此温度时起升高度的稳定受火焰传播主导;火焰跳变频率及跳变长度与协流温度有关;温度越低,火焰基部跳变越频繁;跳变长度随温度的增加而减小。