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液体火箭发动机燃烧不稳定研究:数据驱动方法

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火箭推进 2025年第1期51卷 34-49页

作者：关昱安强徐冠宇汪广旭香港理工大学航空及民航工程学系中国香港999077 北京航空航天大学航空发动机研究院北京102206 清华大学航天航空学院北京100084 西安航天动力研究所陕西西安710100

燃烧不稳定依然是研发新一代液体火箭发动机亟待解决的关键问题。如何能够对其准确建模、早期预警和有效抑制,具有很高的理论研究和工程应用价值。近些年来,随着数据驱动方法在燃烧不稳定研究中的广泛应用,以往未被详细探究的复杂动力... 详细信息

燃烧不稳定依然是研发新一代液体火箭发动机亟待解决的关键问题。如何能够对其准确建模、早期预警和有效抑制,具有很高的理论研究和工程应用价值。近些年来,随着数据驱动方法在燃烧不稳定研究中的广泛应用,以往未被详细探究的复杂动力学现象和未被识别发掘的模式及特征(如复杂网络的相关属性),均被有效地提取和解读。流动-声-燃烧这三者复杂的相互作用关系在由数据驱动方法搭建的特征空间中被重新梳理,并借此提炼出相应的燃烧不稳定预示因子,为系统的设计参数和实时控制提供有效信息,有效抑制甚至完全避免燃烧不稳定问题。此外,过去几年伴随着机器学习方法的快速发展和广泛应用,相关方法被用于燃烧不稳定的早期预警研究,取得了不错的成果。针对液体火箭发动机燃烧不稳定问题,归纳总结了近期基于数据驱动方法的燃烧不稳定预测研究,尤其关注动力系统理论、复杂网络和机器学习在燃烧不稳定研究中的相关应用进展。在未来,结合日益多元化和高精度测量手段所产生的海量数据,数据驱动方法将进一步发挥其潜在价值,帮助科研和工程技术人员更深入全面地认识和理解燃烧不稳定问题,助力新型液体火箭发动机的研发。

关键词：燃烧不稳定液体火箭发动机数据驱动方法非线性动力学不稳定预示因子

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冲压发动机燃烧室内低频燃烧不稳定试验

推进技术 2011年第2期32卷 188-190页

作者：谭建国潘余王振国国防科技大学航天与材料工程学院湖南长沙410073

在高空亚燃冲压发动机研究中,燃烧不稳定是一个突出问题。为解决30km,Ma=4亚燃冲压发动机直连式试验中所出现的低频燃烧不稳定问题,分析了燃烧室的声学特性,得出了燃烧不稳定的主要特征是燃烧放热与一阶纵向声振模态相耦合。采取在燃烧... 详细信息

在高空亚燃冲压发动机研究中,燃烧不稳定是一个突出问题。为解决30km,Ma=4亚燃冲压发动机直连式试验中所出现的低频燃烧不稳定问题,分析了燃烧室的声学特性,得出了燃烧不稳定的主要特征是燃烧放热与一阶纵向声振模态相耦合。采取在燃烧室内增加后向台阶形成凹腔的方法,成功得到了较为稳定的燃烧。

关键词：亚燃冲压发动机燃烧不稳定低压声振

液体火箭发动机高频纵向燃烧不稳定现象的随机性

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航空学报 2024年第14期45卷 189-199页

作者：汪广旭杨宝娥谭永华高玉闪李斌西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室西安710100 中国航天科技集团航天推进技术研究院西安710100

围绕自燃推进剂液体火箭发动机燃烧室高频纵向燃烧不稳定现象的随机性进行了深入探讨,分析了结构振动数据在表征燃烧室压力振荡方面的有效性,对比了理论声模态和实测振型,基于蒸发过程作为速率控制的假设,对该燃烧室的稳定性进行了分析... 详细信息

围绕自燃推进剂液体火箭发动机燃烧室高频纵向燃烧不稳定现象的随机性进行了深入探讨,分析了结构振动数据在表征燃烧室压力振荡方面的有效性,对比了理论声模态和实测振型,基于蒸发过程作为速率控制的假设,对该燃烧室的稳定性进行了分析,并提出了造成不同供应系统下稳定性差异的2种假设模型。研究表明:由结构振动传感器测得的是燃烧室结构对燃气压力振荡场的响应结果,后者存在一定的频率选择性和非线性;实测突频幅值分布与该频率下的理论声模态基本吻合,确定该燃烧室发生了高频一阶纵向燃烧不稳定现象;线性模型结果表明,该燃烧室具有一定的稳定性裕度,但不能解释系统2条件下燃烧不稳定现象随机出现这一现象;系统2条件下该燃烧室的稳定性恶化或不同工况间的稳定性波动幅值增加,造成部分工况点落入非线性不稳定性区间,成为潜在的不稳定工况。

关键词：液体火箭发动机高频纵向燃烧不稳定供应系统随机性

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固体火箭发动机燃烧不稳定研究进展与展望

推进技术 2021年第9期42卷 1921-1935页

作者：刘佩进魏少娟王琢璞金秉宁杨文婧敖文吕翔西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室陕西西安710072

围绕固体火箭发动机燃烧不稳定的研究现状及未来发展趋势进行了探讨。为了深入认识固体火箭发动机中的燃烧不稳定现象,并形成对其进行准确预示和有效抑制的方法,需要解决理论、计算及实验多方面的基础问题:燃烧不稳定的物理机制,不稳定... 详细信息

围绕固体火箭发动机燃烧不稳定的研究现状及未来发展趋势进行了探讨。为了深入认识固体火箭发动机中的燃烧不稳定现象,并形成对其进行准确预示和有效抑制的方法,需要解决理论、计算及实验多方面的基础问题:燃烧不稳定的物理机制,不稳定的预示方法,发动机中各种增益和阻尼因素的特征,振荡增长过程中触发和极限环形成的机理,不稳定抑制技术及地面实验的等效分析方法。最后给出了总结与建议,明确了固体火箭发动机燃烧不稳定研究的目标和方向。

关键词：固体火箭发动机燃烧不稳定非线性动力学热-声耦合极限环

基于火焰图像诊断的模型燃烧室燃烧不稳定特性

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航空动力学报 2021年第7期36卷 1481-1488页

作者：郑丹伟刘勇张祥南京航空航天大学能源与动力学院航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室南京210016

提出了一种基于火焰图像诊断的旋流燃烧室燃烧不稳定特性研究方法。分析甲基滤镜下高速CCD(charge coupled device)拍摄的火焰面振荡图像,发现不稳定工况下的旋流火焰在以较高频率抖动的同时伴随着周期性的火焰脱落,其脱落信息可由火焰... 详细信息

提出了一种基于火焰图像诊断的旋流燃烧室燃烧不稳定特性研究方法。分析甲基滤镜下高速CCD(charge coupled device)拍摄的火焰面振荡图像,发现不稳定工况下的旋流火焰在以较高频率抖动的同时伴随着周期性的火焰脱落,其脱落信息可由火焰面轴向峰值位置体现。对CCD图像进行数字图像处理获得轮廓线,统计其边缘轴向最远处坐标作为火焰抖动峰值位置。基于图像分析确定火焰脱落阈值,获得不同工况下火焰脱落发生时的脉冲时序信号,统计得各工况火焰脱落频率。研究发现该频率分别与火焰抖动时序、CH*时序及燃烧室压力脉动时序信号各自3阶本征模态函数的傅里叶谱主峰值接近。在多工况下研究了不稳定火焰脱离频率在时序信号中的存在方式和规律,发现对于本模型燃烧室,火焰脱落频率随着油气比的降低而升高,在油气比约0.0096处到达火焰脱落频率临界点,之后呈现缓慢下降趋势。

关键词：火焰图像燃烧不稳定火焰脱落频率本征模态函数傅里叶变换

结合系统辨识方法的旋流部分预混燃烧不稳定预测及控制研究

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工程热物理学报 2023年第8期44卷 2319-2329页

作者：柯恩雷季晨振潘登朱彤同济大学机械与能源工程学院上海200092

本文研究了旋流部分预混火焰的燃烧不稳定性预测以及控制方法。利用计算流体力学方法,结合系统辨识理论得到了火焰传递函数,并通过Helmholtz求解器对系统的燃烧不稳定进行了预测分析。预测的系统振荡频率和实验偏差6%,验证了系统辨识方... 详细信息

本文研究了旋流部分预混火焰的燃烧不稳定性预测以及控制方法。利用计算流体力学方法,结合系统辨识理论得到了火焰传递函数,并通过Helmholtz求解器对系统的燃烧不稳定进行了预测分析。预测的系统振荡频率和实验偏差6%,验证了系统辨识方法用于燃烧不稳定预测的准确性。进一步,结合多孔声衬声学阻抗模型,研究了多孔声衬对燃烧不稳定性的抑制效果。结果表明引入多孔声衬后,燃烧器主导模态的增长率由0.24 rad/s降低为-0.13 rad/s,实现了对燃烧不稳定的控制。

关键词：燃烧不稳定火焰传递函数系统辨识方法热声耦合多孔声衬

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战术导弹固体发动机燃烧不稳定研究概述

固体火箭技术 2012年第4期35卷 446-449,456页

作者：刘佩进金秉宁李强西北工业大学燃烧热结构与内流场重点实验室西安710072

介绍了大长径比战术导弹用固体发动机中产生的燃烧不稳定,分析了燃烧不稳定产生的机理,总结了国外典型的实验研究情况及其主要结论,以及国内固体发动机燃烧不稳定的状况。结合最新的研究进展,对燃烧不稳定的影响因素开展了深入分析:分... 详细信息

介绍了大长径比战术导弹用固体发动机中产生的燃烧不稳定,分析了燃烧不稳定产生的机理,总结了国外典型的实验研究情况及其主要结论,以及国内固体发动机燃烧不稳定的状况。结合最新的研究进展,对燃烧不稳定的影响因素开展了深入分析:分析了声涡之间的耦合作用,重点讨论了声对涡的调制作用;分析了推进剂压强耦合对燃烧不稳定的影响,讨论了压强耦合响应函数的测试方法及其与推进剂配方之间的关系;分析了金属的分散燃烧及其凝相燃烧产物对燃烧不稳定的增益和阻尼作用。针对诸影响因素,提出了进一步的研究建议。

关键词：固体火箭发动机燃烧不稳定声涡耦合燃烧响应

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超声速燃烧不稳定的尺度效应分析

燃烧科学与技术 2021年第4期27卷 451-459页

作者：刘铭江赵国焱孙明波汤涛李亮汪洪波国防科技大学空天科学学院高超声速冲压发动机技术重点实验室长沙410073

为了研究超燃冲压发动机中燃烧不稳定现象尺度效应的规律和原理,参照超声速燃烧实验开展多种尺度条件下的二维数值仿真计算研究,系统分析了不同尺度条件下边界层厚度、燃料混合效率对燃烧不稳定现象的作用规律.进一步通过设计多组喷注... 详细信息

为了研究超燃冲压发动机中燃烧不稳定现象尺度效应的规律和原理,参照超声速燃烧实验开展多种尺度条件下的二维数值仿真计算研究,系统分析了不同尺度条件下边界层厚度、燃料混合效率对燃烧不稳定现象的作用规律.进一步通过设计多组喷注条件与凹腔构型,分析燃烧不稳定现象的敏感因素.结果表明:燃料和主流的混合效率是影响燃烧不稳定现象的关键因素,边界层相对厚度与燃料混合效率正相关,超声速燃烧尺度通过影响边界层相对厚度影响燃烧不稳定现象.超声速燃烧不稳定具体表现为燃烧振荡,火焰闪回是燃烧振荡的首个子过程,热力学喉道的形成是火焰闪回现象的必要条件.凹腔尺度通过影响凹腔、主流之间质量和热量交换程度影响火焰闪回速度.来流总温通过抑制热力学喉道的形成抑制火焰闪回现象,喷注压力和喷注方向通过影响燃料和主流的混合效率影响燃烧不稳定现象.

关键词：燃烧不稳定尺度效应火焰闪回

分层比对双旋流预混火焰结构和燃烧不稳定的影响

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燃烧科学与技术 2023年第4期29卷 444-450页

作者：刘易明谭建国高政旺刘瑶国防科技大学空天科学学院长沙410073

基于双旋流预混燃烧实验系统,采用动态压力传感器、ICCD相机等装置,研究了不同分层比对双旋流预混火焰宏观结构和燃烧不稳定的影响.研究结果表明:随着分层比增大,火焰的主释热区由主燃级下游逐渐移向火焰根部,再逐渐向预燃级下游靠近,... 详细信息

基于双旋流预混燃烧实验系统,采用动态压力传感器、ICCD相机等装置,研究了不同分层比对双旋流预混火焰宏观结构和燃烧不稳定的影响.研究结果表明:随着分层比增大,火焰的主释热区由主燃级下游逐渐移向火焰根部,再逐渐向预燃级下游靠近,旋流火焰张角随之增大,火焰中心界面结构有“W”、“V”和“多褶”3种典型结构;随着分层比增大,火焰由稳定转为不稳定,且主频都在60 Hz左右,振幅先增大再慢慢下降,且在分层比为1.25和1.50时,有明显的不稳定第二频率出现,其大小约等于2倍的不稳定主频.

关键词：双旋流预混火焰宏观结构分层比燃烧不稳定