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燃烧热释放模型研究取得进展
发稿时间:2016-01-11         作者:王昆          来源:工业燃气轮机实验室     【字号:

  贫预混燃烧具有传统扩散燃烧无法比拟的低污染排放优势,然而该燃烧方式对声波极其敏感,极易与声波耦合共振导致“热声振荡”现象。日前,中国科学院工程热物理研究所工业燃气轮机实验室在燃烧热释放模型研究方面取得进展。研究人员通过经典的燃烧理论推导了燃烧热膨胀速度的表达式,再通过G方程方法,建立了一个全面的考虑了密度比和湍流燃烧速度等参数的燃烧热释放模型,随后从火焰面波动机理的角度,阐明了密度比、湍流燃烧速度和几何尺寸等各个参数对热声振荡的影响途径和相对大小。 

  研究对象为一个二维中心体稳定的长方形管道燃烧室。如图1所示,该燃烧室管道高度为H,利用高度为h的中心体稳定火焰。得到的热释放模型如下: 

 

  由上式可知,来流速度U0,火焰前沿传播速度ST,燃烧室宽度与中心体高度之差和密度膨胀率μ是影响热释放波动与速度波动之间的无量纲传递函数的主要因素。 

 

  1 二维平面火焰及燃烧室原理图 

  2所示为式1中不同湍流火焰传播速度对应的传递函数的幅频特性和相频特性曲线。由图可知以下规律: 

  1.随着频率的增大,传递函数的振幅逐渐的减小。即火焰面对高频声波的响应较小,相当于一个“低通滤波器”。 

  2.随着频率的增大,传递函数的相位呈现线性周期性振荡的规律。相位在0-180度之间变化。  

  3.当湍流火焰传播速度较小时,密度膨胀比µ对振幅的影响几乎可以忽略不计;当湍流火焰传播速度较大时,密度膨胀比µ对振幅的变化开始变大; 

  4.密度膨胀比µ对相位无任何影响,相位只是湍流火焰传播速度的函数。 

  5.湍流火焰传播速度能够同时影响传递函数的幅值和相位。 

  2 传递函数的幅频特性和相频特性曲线 

 

  以上结论指出了湍流火焰传播速度ST、密度膨胀比µ和频率等参数对热声振荡的影响途径和相对大小,从而解决了目前声波-火焰面波动领域对各个参数影响热声振荡的途径和大小不清的问题。相关研究成果已发表在《航空动力学报》。 

 
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