一种研究热声不稳定纵向和切向模态耦合机理的实验装置及方法

1.本发明涉及一种新型的热声不稳定纵向和切向模态耦合机理的实验方法，主要用于各类发动机燃烧室或其他领域燃烧装置中出现的热声不稳定模态耦合现象的研究。


背景技术：

2.在航空航天发动机尤其是贫油预混发动机中，存在着有害的热声不稳定问题。热声不稳定产生于非定常热释放与声学扰动的耦合，容易引起推力振荡、机械振动和过大的热力载荷，影响燃烧系统的操作性和可靠性，最终使系统失效。在现代燃气轮机中，为了提供轴向较短的燃烧室和更均匀的涡轮进口温度分布，通常采用环形燃烧室。在许多情况下，燃烧室的轴向长度与它的周向长度保持相同的量级，可能导致热声不稳定纵向和周向模态(或称切向模态)之间出现耦合现象，具体表现为模态切换、共存和相互作用等。在火箭发动机燃烧室中由于较大的径向尺寸，也可能出现纵向和切向模态耦合的热声不稳定现象。但目前热声不稳定的模态耦合的机理仍未完全掌握，热声相互作用的机制还需深入研究，所以，需要采取更有效的方法对模态耦合现象开展研究，其研究成果也将为发动机规避热声不稳定效应提供理论指导。
3.已有的研究纵向和切向模态耦合的装置主要是实验室规模的多喷嘴环形燃烧室，直径一般在10至40cm之间。这种燃烧室参考了真实发动机的结构，一般由配气室、旋流喷嘴和燃烧室组成，在实际工作中，气体燃料与空气经过预先混合后再由多个配气管道进入配气室，最后经旋流喷嘴进入燃烧室。通过改变燃料的当量比、流量、喷嘴间距等参数，利用压力传感器和光电倍增管等工具进行振动信号测量，进行相应的信号处理后可以研究模态耦合的机理。但是这种实验装置由于结构复杂，成本高，尺寸在装置制成后就不能改变，很难用于多结构参数、多工况的研究，从而难以揭示环形燃烧室各种复杂的纵向、切向模态耦合机理，因此需要一种结构简单、价格低廉，且易改变结构参数的实验装置。


技术实现要素：

4.针对上诉背景描述的目前研究热声不稳定纵向和切向模态耦合机理的实验方法的不足，本发明提出一种结构简单且成本低廉的实验方法。不同于多喷嘴环形燃烧室，本研究装置对真实燃烧室进行了合理简化，采用可变尺寸的单热源十字形燃烧室，排除了环形燃烧室的周向闭合特征及热源间的相互作用，采用功率容易控制的电加热器，通过增减管段数和移动活塞改变燃烧室的纵向和切向结构尺寸，从而实现不同共振频率下的切向和纵向模态耦合，结合测量手段和分析方法可以研究热声不稳定纵向和切向模态耦合的机理。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.用于研究热声不稳定纵向和切向模态耦合的实验装置主要包括十字形燃烧室。图1为实验装置示意图。十字形燃烧室11主要由一长一短的纵向方管5、等长的两段切向圆管4和一个中心十字形管7连接组成。两个纵向方管的长度不同是因为要保证热源处于距燃烧
室进口约1/4纵向管长处。燃烧室纵向两侧均为开口边界，空气从左侧进入，而且纵向长度可以通过增减管段进行有级调节；切向使用圆管是为了方便使用活塞2密封，形成闭口边界同时实现切向长度的无级调节。实验热源采用电加热器6，安放在中心十字形管7的交汇处，其功率可以通过改变供电电源的电压电流大小进行调节。
7.测量装置还包括了热电偶3和压力传感器1。热电偶3安装在中心十字形管7上，用于测量热源温度。在纵向方管5和切向圆管4的上下游可以布置2-3支压力传感器1，用于测量声压信号。
8.研究纵向和切向模态耦合的方法可以分为以下几步：
9.步骤一：基于压力传感器采集的声压数据和多麦克风方法，计算各个分支管内声波在热源前端的速度扰动。
10.步骤二：基于声波阶跃方程，可以获得热源的热释放率扰动。
11.步骤三：基于声压数据，进行功率谱密度计算、信号滤波、短时傅里叶变换等操作，获得各个模态信号的瞬态复杂变化过程，观察模态转换、模态诱发等现象。
12.步骤四：结合速度扰动和热源的热释放率扰动数据及模态耦合特征，研究不同燃烧室长度状态、工况下的模态耦合机理。
13.本发明的优点及有益效果在于：
14.1、通过调节燃烧室的纵向和切向长度，较易实现燃烧室的纵向和切向热声不稳定频率的定量调节，有助于研究低、中、高热声不稳定纵向和切向耦合机理。
15.2、通过调节纵向、切向上下游的长度，实现对热源在纵向和切向声学模态位置的定量调节(如使火焰处于波节或波腹位置)，方便研究不同纵、切相位耦合的热声不稳定机理。
16.3、电加热功率较易控制，且无火焰复杂的反应机理和湍流特征，因此较易排除其他复杂因素的影响，方便研究热源与声的耦合机理。
17.4、本发明所采用的方法基于声学原理，实现热声不稳定中的声学扰动和热扰动的定量测量，由于声学方法是一种非接触测量方法，不影响流场，且无需光学窗口，因此可用于真实发动机的热声不稳定测量；
18.5、本发明只需一个热源，即实现了对多种工况的研究，结构简单、加工方便，成本较低，方便一般实验室教学和研究。
附图说明
19.图1是本发明实验装置示意图。
20.图2是本发明用于热声不稳定纵向和切向模态耦合研究的示意图。
21.图3是十字形燃烧室声场示意图。
22.图4(a)、(b)、(c)、(d)是声压数据和功率谱密度结果。
23.图中标号说明如下：
24.1、压力传感器；2、活塞；3、热电偶；4、切向圆管；5、纵向方管；6、电加热器；7、中心十字形管；8、空压机；9、气体质量流量计；10、整流室；11、十字形燃烧室；12、直流稳压电源；13、计算机。
具体实施方式：
25.本实施例中，搭建了热声不稳定纵向和切向模态耦合研究的实验平台，如图2所示，空压机8输出的气体经过气体质量流量计9和整流室10后输入到十字形燃烧室11，燃烧室中的电加热器6由直流稳压电源12供电，压力传感器1的数据最终汇总到计算机13上。通过改变切向活塞2的位置和增加纵向方管5实现不同燃烧室长度状态，通过改变空气平均流速和电加热器功率，进行热声不稳定纵向和切向模态耦合机理的研究。
26.本实施例中纵向方管内外管壁截面分别为68
×
68和80
×
80的正方形，切向圆管内外管壁截面分别为直径为62和68的圆形。尺寸单位均为mm。中心十字形管纵向长度为230，切向长度为280。纵向两管长度分别为200和560，实验还准备了长度为200和400的拓展管段，可以让燃烧室纵向长度增加200、400或600。切向两圆管的长度均为600，内部都安装活塞，配合耐高温硅脂使用，可以提高活塞的密封性并实现润滑。
27.实验开始前，需要根据实验工况先将切向活塞调整到相应位置和增减纵向管段。在检查燃烧室气密性良好后，开启空压机气阀供气。通过气体质量流量计控制气体平均流速并保持气体流量稳定，从流量计流出的气体经过整流室整流，最后以层流平均流的形式进入燃烧室。
28.燃烧室热源采用电加热器，由镍铬合金电阻丝、云母板、铜片等加工装配而成，由直流稳压电源进行供电。在开始通气一段时间气流平稳后，从零开始调节电源输出电压和电流至大约200到400w的输出功率。记录热声不稳定状态、电源功率和热电偶测量的热源温度。压力传感器所测声压信号通过数据采集卡存储到计算机中，用于后续实验数据处理，本实验中采用的压力传感器是北京声望科技公司的mpa201型号传声器，灵敏度是50mv/pa。
29.数据处理和分析研究可分为以下四步：
30.步骤一：基于压力传感器采集的声压数据和多麦克风方法，计算各个分支管内声波在热源前端的速度扰动。
31.压力传感器采集的是压强信号，可表示成：
[0032][0033]
其中，为测得的压强信号幅值，j为虚数单位，ω为角频率，t为时间。
[0034]
多麦克风测速度扰动方法是通过利用布置在热源上游或下游的2-3支压力传感器测量的声压信号以计算速度扰动。热源上、下游的压力波认为是由入射波和反射波的叠加，假设热源所处的位置为xf，压力波表示为：
[0035][0036]
其中，和分别是声速和气体的平均流速；a
+i
和a-i
分别是向上传播和向下传播的声波的幅值。下标i表示不同管段区域，i＝1、2、3、4分别表示纵向左管段、纵向右管段、切向上管段、切向下管段。管段标号和声场特征如图3所示。
[0037]
以采用3支压力传感器测量管段1中的压强信号为例；各压力传感器测量的压强信号幅值可以表示为：
[0038][0039]
根据该矩阵表达式即可求出同理，可以计算出
[0040]
而里开管热源前端的速度扰动计算公式为：
[0041][0042]
因此，可以计算出热源前端的速度扰动u1′
,u
′2,u3′
,u
′4。
[0043]
步骤二：基于声波阶跃方程，可以获得热源的热释放率扰动。
[0044]
声波阶跃方程为：
[0045]
稳态方程：
[0046]
(质量守恒)
[0047]
(动量守恒)
[0048]
(能量方程)
[0049]
扰动方程：
[0050]
(质量守恒)
[0051]
p1′
＝p
′2；p3′
＝p
′4(动量守恒)
[0052]
(能量方程)
[0053]
其中，为气体平均压强，为气体平均密度，为气体平均流速，为气体平均温度，φ为切向圆管和纵向圆管的内截面面积的比值，为热源的热释放率扰动。
[0054]
将理想气体状态方程和稳态动量方程带入扰动能量方程，得：
[0055][0056]
再将稳态动量守恒、两管连接处压强相等条件(即)代入上式，获得热源的热释放率扰动计算公式：
[0057][0058]
其中，γ为比热比。
[0059]
步骤三：基于声压数据，进行功率谱密度计算、信号滤波、短时傅里叶变换等操作，获得各个模态信号的瞬态复杂变化过程，观察模态转换、模态诱发等现象。
[0060]
功率谱密度的计算公式是：
[0061][0062]
其中，x(k)是长度为n的有限长序列x(n)的离散傅里叶变换结果，x(n)可以通过对所测声压数据进行采样获得。x(n)到x(k)的计算公式为：
[0063][0064]
具体的声压数据和功率谱密度结果可如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示。其中，图4(a)、图4(b)是在工况x1＝0.3m、x2＝0.7m、x3＝0.3m、x4＝0.7m下的声压及其功率谱密度结果；图4(c)、图4(d)是在工况x1＝0.3m、x2＝0.7m、x3＝0.5m、x4＝0.5m下的声压及其功率谱密度结果。可以看出，两个工况下的振荡频率明显不同，体现了在不同切向结构尺寸下的热声振荡特性。
[0065]
根据功率谱密度计算结果，通过信号滤波可以提取有关模态频率的声压信号，去除高频噪声信号，滤波器可以选择零相巴特沃斯滤波器。
[0066]
对声压信号进行短时傅里叶变换，可以观察模态转换和模态诱发等过程。短时傅里叶变化公式为：
[0067]
gf(ω,u)＝∫f(t)g(t-u)e
jωt
dt
[0068]
gf(ω,u)是变换结果，f(t)在本例中是声压信号，g(t)是窗函数，用来截取信号，一般采用矩形窗函数，u是进行短时傅里叶变换的时刻，f(t)g(t-u)表示u时刻附近的声压信号。短时傅里叶变换可以显示某个时刻附近的主导模态。
[0069]
步骤四：结合速度扰动和热源的热释放率扰动数据及模态耦合特征，研究不同燃烧室长度状态、工况下的模态耦合机理。
[0070]
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的实验方法、实验系统或实施例，均属本发明保护范围。