免费论文：贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性的实验研究和数值模拟

本文结合实验和数值模拟，研究了贫燃预混旋流火焰的不稳定性。设计不同的工况参数，和旋流器与燃烧室结构，以振荡模态，流场结构变化及火焰面的脉动为切入点，研究当量比，旋流数和扩张段结构对于燃烧不稳定性的影响。实验部分通过动态压力测量系统采集预混段及燃烧室内的动态压力，得到实验工况下，四个结构方案中的压力脉动和振荡频率。结果表明，模型燃烧室发生的燃烧不稳定性是纵向自激式振荡，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。当量比对燃烧的稳定性具有重要影响，随着当量比的提高，燃烧经历了稳定-间歇脉动-不稳定，振荡的频率变化不大，而脉动压力幅值显著增大，最终达到有限循环状态。在不稳定性的发展过程中，激发了多个频率，喷嘴和旋流器起到了频率选择的作用。基准结构中，旋流强度增大会导致压力脉动增加。旋流数越大，扩张段的加长越容易抑制压力的脉动。而对于0.271的小旋流数，结构只能控制40%左右的压力脉动。数值模拟将实验中得到的各工况下采集点的压力脉动和振荡频率作为边界条件，采用非稳态雷诺平均Navier Stokes(URANS)方法和 湍流模型以及预混(Premixed)燃烧模型，应用Fluent软件多核并行模拟火焰的动态行为，研究流场的时域变化以及火焰和流场之间的相互作用。研究结果表明，发生不稳定燃烧时，在燃烧室进口突扩面处形成以中心回流区和角回流区为特征的复杂流场结构，二者分别与混气射流形成内外两个剪切层，它们决定火焰的结构和运动。中心回流区和角回流区在空间和时间上脉动，形成强湍流和温度脉动区域，该区域火焰大尺度脉动，反应剧烈区域，火焰速度大，是维持振荡的原因之一。旋流强度增大导致射流两侧正负速度差增大，剪切层内剪切应力的增加和温度脉动的增大，导致其对不稳定燃烧的激励逐渐增强。强旋流导致入口处的火焰更加靠近壁面，径向上更加紧密，由此加强湍流强度，并增加火焰的传播速度，为不稳定燃烧现象的发生和维持提供了条件。扩张段结构对入口射流和火焰面的脉动在空间上存在明显的控制作用，使中心回流区轴向拉长，角回流区的轴向长度变小，导致二者发生作用，共同影响射流的区域也随之变小。随着扩张段的加长，中心回流区内的逆向速度增加，而旋转射流的正向速度在回流区的逆向冲击下减小，两者速度差的减小，导致剪切层区域的剪切应力和能量也越来越小，该区域可为振荡燃烧提供的激励也越来越少。强旋流时入口射流和火焰都沿该结构进入燃烧室内，得到空间上的稳定。

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