高壓擴散火焰的脈衝不穩定性研究

《高壓擴散火焰的脈衝不穩定性研究》是依託清華大學，由楊帆擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高壓擴散火焰的脈衝不穩定性研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：楊帆
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

不穩定火焰產生的釋熱速率振盪和室內聲場耦合，使得燃燒室內出現燃燒不穩定現象。而火焰脈衝不穩定性，是引起初始釋熱速率振盪的一個重要機制。因此，對火焰脈衝不穩定性的研究，對揭示燃燒不穩定性機理，具有重要的意義和價值。特別是液體火箭發動機內的燃燒不穩定性，對其機理還沒有統一的認識，同時目前尚缺乏關於高壓擴散火焰脈衝不穩定性的研究。針對於此，本項目基於詳細的化學反應機理和傳遞性質，展開對高壓下球形擴散火焰和對沖擴散火焰脈衝不穩定性的數值模擬研究。擬得到從穩定轉變為不穩定火焰的臨界點，及非穩態振盪導致滅火的滅火極限隨壓力的變化規律。進一步本項目也將研究在高壓條件下輻射熱損失、火焰拉伸率和不同燃料等因素對脈衝不穩定性的影響規律和機制，並研究高壓下火焰振盪模式的特徵和演化機制。這些研究為進一步揭示火箭發動機內燃燒不穩定性的初始引發機制奠定基礎。

結題摘要

火焰脈衝不穩定性是燃燒室內燃燒不穩定性的重要初始引發機制，同時其對可燃極限、質量燃燒速率，以及拉伸誘導的滅火極限也有顯著的影響。本研究項目就是基於詳細化學反應和輸運過程，對同時包含擴散火焰和預混火焰的部分預混火焰脈衝不穩定性進行數值模擬研究。部分預混火焰廣泛存在於實際燃燒系統中，如燃氣輪機，火花點火發動機以及柴油機中。因此，對其火焰脈衝不穩定性的研究，為揭示發動機內燃燒不穩定性機制有重要意義。首先，本研究對氫氣/空氣部分預混火焰，低拉伸率下的火焰結構進行了研究。研究發現，拉伸率和當量比這兩個重要參數控制著部分預混火焰結構，以及擴散火焰和預混火焰之間的耦合關係。在非穩態研究中計算得到了部分預混火焰脈衝不穩定現象。對其機理研究發現，在火焰振盪過程中預混火焰強度隨氧氣濃度變化，且不依賴於當地溫度。其中，大活化能和慢速的氧氣擴散過程引發了火焰脈衝不穩定性。另一方面，擴散火焰經歷了受迫振盪，其是由來自預混火焰區振盪的氫氣擴散通量引起的。進一步，本研究給出了氫氣/空氣部分預混火焰其由穩定燃燒狀態轉變為脈衝不穩定燃燒狀態的過渡邊界，並發現大拉伸率或大當量比都會抑制脈衝不穩定性的發生。通過敏感性分析本研究揭示了其抑制脈衝不穩定火焰的機理。另外，本研究還進行了高壓、燃料化學、索雷特擴散等效應，對部分預混火焰的影響機制的研究。發現上述效應都會通過改變火焰結構，以及火焰間耦合關係，而影響火焰脈衝不穩定性的發生。本項目除了對上述燃燒不穩定現象的重要引發機制，即火焰脈衝不穩定性的研究外，還進一步研究了燃燒不穩定現象的維持和增益機制。基於詳細化學反應與CFD的結合，本研究在高壓受限空間內研究了壓力波和火焰間的耦合作用，發現壓力波對擴散區溫度的擾動縮短了當地點火延遲時間從而引起自燃；自燃過程的迅速釋熱增益了壓力波，從而形成了自激振盪過程。進一步，通過改變未燃混氣溫度，本研究識別出了多種高壓受限空間內燃燒不穩定模式。