弱旋预混火焰中热声振荡多模态转换的实验与模拟研究

作     者：陆世康 季晨振 王萌铭 潘登 朱彤 LU Shikang;JI Chenzhen;WANG Mengming;PAN Deng;ZHU Tong

作者机构：同济大学机械与能源工程学院上海201800 

出 版 物：《推进技术》 (Journal of Propulsion Technology)

年 卷 期：2025年第46卷第1期

页      面：150-162页

核心收录：

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

基　　金：国家自然科学基金青年项目(52106181) 上海市科委基金面上项目(21ZR1466000) 上海市浦江人才计划项目(21PJ1412700) 

主　　题：燃气轮机燃烧室 燃烧不稳定 热声振荡 热声耦合 对流延迟时间 低阶热声网络 模态转换 

摘      要：为研究弱旋预混火焰在当量比变化过程中热声不稳定的频率迁移、模态转换特征及内在机理,通过傅里叶变换、相空间重构、OH*时序及平均火焰图像等方法对实验中出现的极限环、拍振、间歇性振荡等典型燃烧不稳定状态进行分析;结合低阶热声网络与n-τ模型,对热声振荡过程中发生的模态转换现象进行模拟,其中延迟时间τ使用了对流延迟时间进行近似,其基于未燃混合物长度计算得到。实验结果表明,在当量比φ=0.5~0.7内,随着当量比的增加,一阶振荡频率向更高频率迁移;在φ=0.8时,振荡主频从一阶模态转换到二阶模态;φ=0.9~1.2内,一阶振荡频率降低,变化幅度最高达41.48%;并且当φ=1.1时,振荡主频从二阶模态转换回一阶模态;在整个当量比区间内,二阶振荡频率变化幅度小于5%。计算结果显示,振荡频率的预测值与实验值整体吻合良好,尤其是当φ=0.8时,二阶频率的增长率大于一阶频率的增长率,对应实验中发生的一阶模态到二阶模态的转换。同时在部分工况下,预测的振荡频率与实验值也有偏移,其原因是增益的增加导致偏离增大,一阶频率的最大误差为26.4%,二阶频率的最大误差小于12%。本研究表明,对流延迟时间与振荡主频的分布存在反比关系,对流延迟时间的缩短会使得一阶频率向高频迁移,过程中振荡模态会由一阶转换到二阶模态。