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低温氢输送管路Taconis热声振荡数值模拟研究

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低温工程 2025年第1期 36-42页

作者：张淇栋厉彦忠马原王磊艾立强吴胜宝西安交通大学制冷与低温工程系西安710049 中国运载火箭技术研究院研究发展中心北京100076

针对低温氢输送管路构建二维半开口半封闭管仿真模型,通过初始温度梯度与瞬态初始压力扰动加载,计算获得了低温氢Taconis热声振荡基本特性,并对比研究了温度梯度β、热冷端温度比α、热冷端长度比ξ、管径和管长5个因素对热声振荡压力... 详细信息

针对低温氢输送管路构建二维半开口半封闭管仿真模型,通过初始温度梯度与瞬态初始压力扰动加载,计算获得了低温氢Taconis热声振荡基本特性,并对比研究了温度梯度β、热冷端温度比α、热冷端长度比ξ、管径和管长5个因素对热声振荡压力振幅和频率的影响规律。结果表明:低温氢管路系统存在临界温度梯度和临界热冷端温度比,超过临界值系统会振荡。热冷端长度比存在两个临界值,在振荡区内,频率随ξ的增加而增大,振幅在ξ=1处达到最大值,而在ξ=1两侧逐渐衰减。振荡特性受α、β、ξ及管路几何结构的影响,实际工程中建议通过调整温度、管径和管长等来抑制振荡。

关键词： Taconis 热声振荡低温氢管路压力振荡幅值影响因素数值模拟

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热声振荡的格子气模拟

华中科技大学学报（自然科学版） 2007年第7期35卷 85-88页

作者：张晓青蒋华胡兴华柳玉林华中科技大学能源与动力工程学院湖北武汉430074

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... 详细信息

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.

关键词：热声振荡格子气二维九速模型碰撞规则板叠

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Rijke管热声振荡的稳定性切换行为研究

物理学报 2018年第13期67卷 318-327页

作者：党南南张正元张家忠西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

采用数值方法模拟了强弱两种阻尼条件下传热迟滞时间对一维Rijke管热声系统稳定性的影响,发现Rijke管系统存在稳定性切换现象.在推导了无量纲形式的管内声波动量方程和能量方程之后,利用Galerkin方法对控制方程进行展开并在时间域内数... 详细信息

采用数值方法模拟了强弱两种阻尼条件下传热迟滞时间对一维Rijke管热声系统稳定性的影响,发现Rijke管系统存在稳定性切换现象.在推导了无量纲形式的管内声波动量方程和能量方程之后,利用Galerkin方法对控制方程进行展开并在时间域内数值求解.分析了强阻尼和弱阻尼条件下,给定热源的Rijke管热声振荡的稳定性与传热迟滞时间的关系.结果显示:在两类阻尼条件下,持续增大传热与速度的迟滞时间,系统均呈现出稳定性切换现象,即系统在稳定和不稳定两个状态间持续转变;但弱阻尼系统的不稳定区域宽于强阻尼系统的不稳定区域,系统最大振幅相对增大,且系统热声振荡的主模态在不同模态之间发生转换.最后,通过求解系统各阶模态极限环幅值随传热迟滞时间的变化,发现Rijke管热声振荡稳定性切换现象与迟滞时间存在近似周期性关系.

关键词：热声振荡 Rijke管稳定性切换

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燃气轮机燃烧场热声振荡的测试研究进展

光谱学与光谱分析 2024年第11期44卷 3008-3019页

作者：刘艳杨小帆熊燕郭沐林成泽牧邵卫卫徐祥中国科学院工程热物理研究所先进能源动力重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 江苏海洋大学机械工程学院江苏连云港222005

氢燃料燃气轮机是目前最具有前景的研究方向,氢燃料特别是绿氢能源能够减少温室气体排放、提高能源利用率,但由于氢能燃烧化学反应速率较快、燃烧速度高,容易引发热声振荡现象。热声振荡是声波与热释放在相位差小于90°时耦合作用的结果... 详细信息

氢燃料燃气轮机是目前最具有前景的研究方向,氢燃料特别是绿氢能源能够减少温室气体排放、提高能源利用率,但由于氢能燃烧化学反应速率较快、燃烧速度高,容易引发热声振荡现象。热声振荡是声波与热释放在相位差小于90°时耦合作用的结果,该现象会对燃气轮机造成疲劳损伤,甚至损坏部件,热声振荡的诱因包括火焰热释放波动、声压脉动、燃烧室内流场波动等,对这些参量的耦合研究可加深对热声振荡的认识,为预测热声振荡提供理论基础。热声振荡研究涉及到的测试参量包括动态压力、火焰热释放、温度、当量比、速度,对应的测试手段应具备高频测量的能力。动态压力的测试手段主要包括压力传感器和麦克风,由于压力的时域响应快,动态特征明显,是热声耦合作用的关键参量,研究最为广泛。火焰热释放主要使用OH*化学发光或者荧光信号来进行表征,测试手段包括图像增强型高速相机(ICCD)、光电倍增管(PMT)、平面激光诱导荧光(PLIF)等。温度测量除了常用的热电偶,光学诊断技术有可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、PLIF、拉曼光谱(RS)等。当量比作为对燃烧有直接影响的参量,烟气分析仪等传统手段难以进行动态测量,早期使用当量比波动方程来进行评估,后来发展的TDLAS、PLIF、激光诱导击穿光谱(LIBS)等光学测试技术都具备获得当量比动态波动的能力。速度脉动是直接作用于热声振荡的参量,测试技术包括一维的双麦克风测速、热线风速仪、激光多普勒测速(LDV),以及多维的粒子图像测速(PIV)、纹影等。至今为止,关于热声振荡测量的大部分技术发展较为成熟,列举了这些燃烧诊断技术的原理以及在热声振荡或不稳定燃烧现象中的应用,并且总结了热声振荡测试的发展与展望。

关键词：燃气轮机热声振荡吸收光谱辐射光谱散射光谱

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预混火焰诱导里克管热声振荡实验

航空动力学报 2022年第11期37卷 2553-2559页

作者：罗列朝李挺邓江革赵润洲王晋魁北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

为了探究热声振荡现象中各物理量的变化规律,采用单端可调谐激光吸收光谱技术对火焰的温度进行了测量,测量频率为5 kHz,揭示了热声振荡中温度的变化规律。在里克管中,温度以大约230 Hz的频率规律性变化,变化频率与里克管的本征频率接近... 详细信息

为了探究热声振荡现象中各物理量的变化规律,采用单端可调谐激光吸收光谱技术对火焰的温度进行了测量,测量频率为5 kHz,揭示了热声振荡中温度的变化规律。在里克管中,温度以大约230 Hz的频率规律性变化,变化频率与里克管的本征频率接近。里克管出口处的静压监测表明静压与温度在同一频率变化。此外,采用高速相机对火焰化学自发光进行了测量,火焰化学发光强度及发光面积在静压的影响下,也在周期性波动。温度、静压、化学发光强度三者波动频率保持一致。

关键词：激光吸收光谱热声振荡温度测量熵波化学发光强度

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Rijke管自激热声振荡的数值模拟

声学学报 2015年第1期40卷 82-89页

作者：初敏徐旭北京航空航天大学宇航学院北京100191

为了对热声不稳定的发生及控制机理进行研究,对Rijke管内的自激热声振荡现象进行了数值模拟。采用具有低频散低耗散特点的计算气动声学方法,对带有非线性热源项的声波方程进行数值求解,并比较了不同的热源模型及边界条件对非线性效应的... 详细信息

为了对热声不稳定的发生及控制机理进行研究,对Rijke管内的自激热声振荡现象进行了数值模拟。采用具有低频散低耗散特点的计算气动声学方法,对带有非线性热源项的声波方程进行数值求解,并比较了不同的热源模型及边界条件对非线性效应的影响。结果表明,计算气动声学方法可以成功捕捉到Rijke管内压力的起振过程,而且在速度扰动达到平均流速度的1/3时,振荡会由线性增长转为非线性增长,最终达到有限幅值极限循环。相比热源项,考虑管口辐射耗散的非线性边界条件在振荡幅值和频谱方面对结果的影响都比较小。数值模拟得到的结果与实验符合较好,表明计算气动声学方法适合于热声振荡问题的研究。

关键词：热声振荡数值模拟 Rijke管自激非线性边界条件非线性效应声学方法管内压力

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加力燃烧室热声振荡纵向传播特性及控制

航空动力学报 2010年第2期25卷 278-283页

作者：张澄宇李磊孙晓峰北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

建立了管道声传播与不稳定热释放耦合的热声振荡理论模型,并用来对复杂的航空发动机加力燃烧室中的纵向传播的振荡特征频率及稳定性进行分析和预测.利用二维定常计算流体动力学(CFD)模拟结果获得流动平均参数,在此基础上讨论了加力燃烧... 详细信息

建立了管道声传播与不稳定热释放耦合的热声振荡理论模型,并用来对复杂的航空发动机加力燃烧室中的纵向传播的振荡特征频率及稳定性进行分析和预测.利用二维定常计算流体动力学(CFD)模拟结果获得流动平均参数,在此基础上讨论了加力燃烧室内热释放位置、隔热屏穿孔率等结构的变化对热声振荡特性的影响,表明该模型能够方便地应用于对加力燃烧室热声振荡影响因素的研究并揭示某些控制规律.

关键词：加力燃烧室热声振荡纵向传播特征频率不稳定控制

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内燃机燃烧过程的热声振荡现象研究

内燃机学报 2007年第6期25卷 519-526页

作者：卫海桥舒歌群韦静思范国琛天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072 天津大学内燃机研究所天津300072

以经过改装的火花点火式发动机作为研究对象,首先进行不考虑燃烧室声场影响的内燃机燃烧三维模型燃烧模拟,并将模拟结果同燃烧过程高速摄影结果比较分析;然后进行燃烧室声激励下的压力场研究和考虑燃烧室声场影响的准维模型的燃烧模拟... 详细信息

以经过改装的火花点火式发动机作为研究对象,首先进行不考虑燃烧室声场影响的内燃机燃烧三维模型燃烧模拟,并将模拟结果同燃烧过程高速摄影结果比较分析;然后进行燃烧室声激励下的压力场研究和考虑燃烧室声场影响的准维模型的燃烧模拟计算。不考虑燃烧室声学影响的燃烧模拟结果与实际的燃烧试验结果存在较大的差异;闭式燃烧室内考虑声学影响时,由于燃烧激励使得燃烧室的压力场存在着波动。结果表明,燃烧室的声学特性对燃烧过程中压力的变化存在显著的影响。

关键词：热声振荡燃烧模拟声学

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出口收缩对分层旋流火焰和热声振荡的影响

工程热物理学报 2020年第9期41卷 2279-2284页

作者：宋恒林宇震韩啸张弛王欣尧韩猛北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室先进航空发动机协同创新中心北京100083

在中心分级燃烧器中实验研究了火焰筒出口收缩比对分层旋流预混火焰释热分布和热声振荡的影响。实验过程中保持总空气流量和总当量比不变,使用具有不同直径的出口结构实现收缩比(出口面积与火焰筒面积的比值)的变化。实验结果表明,随着... 详细信息

在中心分级燃烧器中实验研究了火焰筒出口收缩比对分层旋流预混火焰释热分布和热声振荡的影响。实验过程中保持总空气流量和总当量比不变,使用具有不同直径的出口结构实现收缩比(出口面积与火焰筒面积的比值)的变化。实验结果表明,随着火焰筒出口收缩比的减小,分层旋流预混燃烧压力脉动振幅先下降后上升再减小,出口收缩比最小时可认为未发生热声振荡;而压力脉动频率随着出口收缩比的减小单调减小,但变化范围不超过19Hz,表明声模态并未发生变化。进一步研究发现,减小出口收缩比,有助于火焰在预燃级出口的稳定燃烧,同时使得释热区在轴向和径向上分布范围更加广泛,从而减小了火焰筒中的压力脉动。

关键词：分层旋流火焰预混火焰出口收缩热声振荡