環(huán)形模型燃燒室燃燒不穩(wěn)定模態(tài)實(shí)驗(yàn)研究

柳偉杰，薛然然，張 良，蘇 賀，楊 謙，王慧汝

(中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院基礎(chǔ)與應(yīng)用研究中心，北京 101304)

為了降低污染物排放，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室通常采用燃料/空氣貧預(yù)混燃燒.然而，在貧預(yù)混狀態(tài)下燃燒室易于發(fā)生燃燒不穩(wěn)定性現(xiàn)象[1].燃燒不穩(wěn)定性將會(huì)縮小發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍，影響燃燒室性能，甚至對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件造成結(jié)構(gòu)破壞[2].開展燃燒不穩(wěn)定性研究，掌握燃燒不穩(wěn)定性熱聲耦合機(jī)理，實(shí)現(xiàn)在燃燒室早期設(shè)計(jì)階段就從燃燒不穩(wěn)定性的角度對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，對(duì)于研制先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室具有重要意義.

由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的復(fù)雜性，大部分燃燒不穩(wěn)定性研究主要集中于簡(jiǎn)單的層流火焰或單旋流火焰.這些研究揭示了引起熱聲耦合的不同誘因，包括速度波動(dòng)[3]、旋渦脫落[4]、旋流波動(dòng)[5]、當(dāng)量比波動(dòng)[6]和火焰不穩(wěn)定拉伸[7]等.然而，通常情況下這些單噴嘴火焰只發(fā)生縱向模態(tài)的熱聲耦合，與環(huán)形燃燒室有很大區(qū)別[8].這種區(qū)別主要體現(xiàn)在：第一，環(huán)形燃燒室?guī)缀翁卣髋c單噴嘴燃燒室不同.從聲學(xué)角度上來看，環(huán)形燃燒室的周向尺寸是主導(dǎo)尺寸，低階諧波是沿燃燒室周向分布的，即發(fā)生周向燃燒不穩(wěn)定性；第二，環(huán)形燃燒室周向方向上存在多點(diǎn)火焰熱釋放，導(dǎo)致環(huán)形燃燒室內(nèi)的模態(tài)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜；第三，環(huán)形燃燒室內(nèi)相鄰火焰之間存在相互作用，會(huì)對(duì)火焰的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性產(chǎn)生影響.

劍橋大學(xué)Worth 和Dawson[9]最早開展了環(huán)形燃燒室周向燃燒不穩(wěn)定性火焰動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究.通過動(dòng)態(tài)壓力和高速火焰熒光測(cè)量發(fā)現(xiàn)了環(huán)形燃燒室內(nèi)的周向旋轉(zhuǎn)和駐波模態(tài)，且發(fā)現(xiàn)這兩種模態(tài)發(fā)生連續(xù)的相互轉(zhuǎn)變[10].進(jìn)一步的研究還表明駐波模態(tài)下壓力波腹下脈動(dòng)幅值最大，波節(jié)位置脈動(dòng)最?。恍D(zhuǎn)模態(tài)下環(huán)形燃燒室周向火焰熱釋放不對(duì)稱[11-12].Bourgouin 等[13]通過實(shí)驗(yàn)也觀測(cè)到了環(huán)形燃燒室的周向駐波模態(tài)和旋轉(zhuǎn)模態(tài)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了環(huán)形燃燒室內(nèi)的縱向模態(tài).Durox 等[14]研究了環(huán)形燃燒室流量、當(dāng)量比、噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)形燃燒室燃燒不穩(wěn)定性的影響，研究表明相鄰火焰之間的相互作用導(dǎo)致火焰形態(tài)發(fā)生改變，在特定工況下模態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變.Prieur 等[15]發(fā)現(xiàn)環(huán)形燃燒室不僅存在縱向模態(tài)、旋轉(zhuǎn)模態(tài)、駐波模態(tài)和傾斜模態(tài)，還存在間歇模態(tài)及雙模態(tài)區(qū).

上述研究發(fā)現(xiàn)了環(huán)形燃燒室內(nèi)周向主導(dǎo)的壓力脈動(dòng)形式及模態(tài)分布特點(diǎn).在此基礎(chǔ)上，本文針對(duì)環(huán)形模型燃燒室的燃燒不穩(wěn)定模態(tài)開展實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究，對(duì)燃燒室內(nèi)的壓力脈動(dòng)規(guī)律及不穩(wěn)定模態(tài)進(jìn)行識(shí)別分析，探討了當(dāng)量比和周向火焰熱釋放對(duì)燃燒不穩(wěn)定模態(tài)及模態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律的影響，以期為環(huán)形燃燒室燃燒不穩(wěn)定性抑制及相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型校驗(yàn)提供一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)及數(shù)據(jù)支撐.

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量系統(tǒng)

1.1 環(huán)形模型燃燒室實(shí)驗(yàn)裝置

環(huán)形模型燃燒室實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示.該實(shí)驗(yàn)裝置主要包括空氣入口段、空氣腔室、預(yù)混旋流噴嘴和環(huán)形模型燃燒室.高壓空氣經(jīng)穩(wěn)壓、減壓后從實(shí)驗(yàn)裝置底部供給環(huán)形燃燒室實(shí)驗(yàn)臺(tái).為了避免上游空氣擾動(dòng)與燃燒室內(nèi)壓力脈動(dòng)的相互影響，在燃燒室入口段安裝了縮口孔板.空氣流量采用孔板流量計(jì)計(jì)量，測(cè)量精度為1%.空氣經(jīng)勻流多孔板整流后由空氣腔室平均分配給16 個(gè)旋流預(yù)混噴嘴.16 個(gè)預(yù)混旋流噴嘴具有相同的結(jié)構(gòu)，沿環(huán)形燃燒室周向均勻分布.甲烷經(jīng)燃料總管和支管平均分配給16 個(gè)預(yù)混旋流噴嘴.在每根燃料支管上安裝了燃料閥，可以通過燃料閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)噴嘴工作與否.甲烷流量由質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)控制，流量控制精度為1%.空氣與燃料在預(yù)混旋流噴嘴內(nèi)發(fā)生充分混合形成預(yù)混旋流氣.預(yù)混旋流氣進(jìn)入環(huán)形模型燃燒室充分燃燒，燃燒后的高溫燃?xì)馀畔颦h(huán)境大氣.環(huán)形模型燃燒室由內(nèi)外兩個(gè)同心石英玻璃管組成，燃燒室外徑為340 mm，內(nèi)徑為200 mm，平均直徑為270 mm.內(nèi)外石英玻璃管的長(zhǎng)度分別為200 mm 和300 mm.

單個(gè)預(yù)混旋流噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖2 所示.該噴嘴由燃料預(yù)混器、預(yù)混段和軸向旋流器組成.噴嘴的出口直徑為28 mm.燃料預(yù)混器由兩排4 個(gè)相互垂直的燃料噴射柱組成.兩排噴射柱錯(cuò)位安裝，位于旋流器上游100 mm 處.燃料通過噴射孔高速噴出與來流空氣發(fā)生充分摻混，在預(yù)混段內(nèi)形成充分混合的預(yù)混氣.旋流器由環(huán)形旋流通道和中心通道組成，安裝在距離噴嘴出口30 mm 上游處.環(huán)形旋流通道由8 個(gè)旋流葉片組成，旋流器葉片的安裝角度為37°.在旋流器中心通道下方安裝了一片多孔板，多孔板上開設(shè)若干直徑為1.4 mm 的小孔，用于控制旋流氣和中心非旋流氣的比例.經(jīng)計(jì)算該旋流器的旋流數(shù)為0.55.該預(yù)混旋流噴嘴詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)可詳見文獻(xiàn)[16].

圖2 單個(gè)預(yù)混旋流噴嘴結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)Fig.2 Schematic of the structure of a single premixed swirling nozzle(unit：mm)

1.2 測(cè)量采集系統(tǒng)

環(huán)形模型燃燒室實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量采集系統(tǒng)主要包括脈動(dòng)壓力測(cè)量和多噴嘴火焰結(jié)構(gòu)測(cè)量.對(duì)于脈動(dòng)壓力測(cè)量，在環(huán)形模型燃燒室周向4 個(gè)預(yù)混旋流噴嘴上各布置了兩個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器PA和PB(Kulite XTEL-190M)，如圖1(a)所示.這兩個(gè)壓力傳感器與內(nèi)壁齊平安裝，兩者之間的軸向距離為60 mm.為了監(jiān)測(cè)環(huán)形模型燃燒室內(nèi)的壓力脈動(dòng)，在燃燒室端部沿周向安裝了4 個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器PC(Kulite XTEL-190M).采用半無限長(zhǎng)引壓管測(cè)量燃燒室壓力脈動(dòng).引壓管的長(zhǎng)度為25 m，內(nèi)徑為4 mm.

采用高速相機(jī)(Phantom VEO 710L)和像增強(qiáng)器(Invisible Vision UVi 1850B-10)捕獲環(huán)形燃燒室多噴嘴火焰整體結(jié)構(gòu)脈動(dòng)過程.像增強(qiáng)器前安裝了(307±10)nm 的窄帶濾光片用于接收火焰OH*信號(hào).用火焰自發(fā)OH*化學(xué)熒光強(qiáng)度表征火焰釋熱率[17].高速相機(jī)的分辨率為 1 280×800，拍攝頻率為7 500 Hz.高速相機(jī)通過外置信號(hào)觸發(fā)，每組工況高速相機(jī)記錄的瞬態(tài)火焰圖片為6 216 張.采用NI PXI模塊(NI PXIe-4 303)對(duì)所有脈動(dòng)壓力和高速相機(jī)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行高速同步采集.采樣頻率為20 kHz，每組工況采樣時(shí)長(zhǎng)為10 s.

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)過程中，保證噴嘴出口平均速度 9.5 m/s(Re≈19 800)不變，改變環(huán)形燃燒室整體當(dāng)量比和周向火焰?zhèn)€數(shù).當(dāng)量比的變化范圍為0.66～0.80.在討論周向火焰?zhèn)€數(shù)對(duì)燃燒室不穩(wěn)定性影響時(shí)，通過環(huán)形燃燒室周向16 個(gè)燃料閥門的開關(guān)組合控制相應(yīng)噴嘴的開啟或關(guān)閉，形成3 種不同的周向火焰?zhèn)€數(shù)：①所有噴嘴全部開啟，周向上具有16 個(gè)預(yù)混旋流火焰；②每隔3 個(gè)噴嘴關(guān)閉一個(gè)燃料閥，形成12 個(gè)火焰；③每隔一個(gè)噴嘴關(guān)閉一個(gè)燃料閥，周向上為8 個(gè)火焰，3 種不同火焰熱釋放方案示意如圖3 所示.方案切換過程中，保證3 種方案下工作中的單個(gè)火焰當(dāng)量比為0.80 不變.N 分別為16、12 和8 的3 種方案下燃燒室整體當(dāng)量比分別為0.80、0.59 和0.42，相應(yīng)的燃燒室熱負(fù)荷分別為260 kW、195 kW 和130 kW.

圖3 環(huán)形燃燒室不同周向火焰熱釋放示意Fig.3 Schematic of flame heat release in the annular combustor with different flame numbers

2 環(huán)形燃燒室周向聲波動(dòng)簡(jiǎn)化分析模型

環(huán)形燃燒室周向聲波動(dòng)可以分解為兩個(gè)反向的行波，如圖4 所示.由于環(huán)形燃燒室噴嘴氣流的旋流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致燃燒室氣流具有整體的周向平均流動(dòng)，該周向平均氣流流速為vθ.將傳播方向與周向平均流動(dòng)方向一致的波稱為正行波，方向相反的波稱為反行波.周向平均流動(dòng)的存在導(dǎo)致兩個(gè)反向聲波傳播速度不一樣，正行波沿周向的傳播速度為c +vθ，而反行波的傳播速度為c -vθ，c 為燃燒室環(huán)腔內(nèi)的平均聲速.

圖4 環(huán)形燃燒室周向聲波動(dòng)示意Fig.4 Schematic of wave propagation in the annular model combustor

這樣，環(huán)形燃燒室周向位置θk處的壓力脈動(dòng)可以表示為

式中：A+和A-分別是正行波和反行波的壓力脈動(dòng)幅值；R 是環(huán)形燃燒室平均半徑；ω是角頻率.由于氣流周向平均速度vθ相比于聲速c 很小，總體上看，環(huán)形燃燒室周向模態(tài)頻率是以c/2πR 為基頻，同時(shí)受到vθ/2πR 低頻調(diào)制的脈動(dòng).當(dāng)|A+|=|A-|且vθ=0時(shí)，為駐波模態(tài)；當(dāng)|A+|=0或|A-|=0且vθ=0時(shí)，為反向旋轉(zhuǎn)或正向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)模態(tài)；當(dāng)|A+|=|A-|且νθ≠ 0時(shí)，為緩旋模態(tài).駐波模態(tài)下環(huán)形燃燒室周向壓力波腹和波節(jié)的位置保持不變；旋轉(zhuǎn)模態(tài)下模態(tài)結(jié)構(gòu)保持不變，壓力波腹和波節(jié)以聲速沿燃燒室周向旋轉(zhuǎn)；緩旋模態(tài)下壓力波腹和波節(jié)沿著周向以速度vθ緩慢旋轉(zhuǎn).

針對(duì)環(huán)形燃燒室周向模態(tài)識(shí)別，Bourgouin 等[18]提出采用旋轉(zhuǎn)比RS來判斷環(huán)形燃燒室內(nèi)的模態(tài)：

當(dāng)RS＝0 時(shí)，為純駐波模態(tài)；當(dāng)RS＝1 時(shí)，為正向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)模態(tài)；當(dāng)RS＝-1 時(shí)，為反向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)模態(tài).

由于氣流平均切向速度vθ相比于聲速c 很小，所以可以在很短的時(shí)間內(nèi)(通常為幾個(gè)聲脈動(dòng)周期)認(rèn)為聲脈動(dòng)波形是不變的，該波形只是在流動(dòng)時(shí)間尺度內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn).基于這個(gè)假設(shè)，為了求解A+、A-和νθt/R，Wolf 等[19]提出將環(huán)形燃燒室內(nèi)不同周向位置上動(dòng)態(tài)壓力傳感器采集的脈動(dòng)壓力相加構(gòu)建模態(tài)因子 C (t)：

相應(yīng)地，在本文中將燃燒室周向位置Pc1、Pc2、Pc3和Pc4處測(cè)量的時(shí)域脈動(dòng)壓力信號(hào)通過式(3)構(gòu)建模態(tài)因子 C (t) .然后采用最小二乘法對(duì)局部 C (t) 進(jìn)行擬合，確定出A+、A-和νθt/R .這樣就可以通過式(2)計(jì)算出旋轉(zhuǎn)比，進(jìn)而確定出環(huán)形燃燒室內(nèi)周向脈動(dòng)模態(tài)類型.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 燃燒不穩(wěn)定模態(tài)識(shí)別分析

本文首先基于脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)形模型燃燒室所有噴嘴均工作(N＝16)時(shí)的燃燒不穩(wěn)定模態(tài)進(jìn)行識(shí)別及分析.在處理脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)時(shí)，首先將10 s 內(nèi)采集的數(shù)據(jù)分為10 等分?jǐn)?shù)據(jù)段，然后對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)段內(nèi)的脈動(dòng)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行快速傅里葉變換，最后對(duì)所有數(shù)據(jù)段的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，獲取相應(yīng)的脈動(dòng)壓力頻譜.

圖5 為當(dāng)量比為0.80 時(shí)預(yù)混旋流噴嘴和環(huán)形燃燒室內(nèi)脈動(dòng)壓力頻譜.從圖5(a)燃燒室壓力脈動(dòng)頻譜上可以看出，不同周向位置上(PC1、PC2、PC3和PC4)均存在兩個(gè)明顯的脈動(dòng)主頻：692 Hz 和1 126 Hz，平均脈動(dòng)幅值分別為11.2 Pa 和4.6 Pa.通過前面周向聲波動(dòng)分析可以知道，環(huán)形燃燒室周向模態(tài)脈動(dòng)頻率可以用 f=c/2πR 估計(jì).假設(shè)當(dāng)量比0.80 下燃燒室內(nèi)平均溫度為2 000 K，平均聲速為900 m/s，則預(yù)估環(huán)形模型燃燒室一階周向模態(tài)頻率 f=c/πdm=1061 Hz，與實(shí)際測(cè)得的1 126 Hz 十分接近.通過后面的分析，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)頻率其實(shí)就是環(huán)形燃燒室系統(tǒng)的縱向脈動(dòng)模態(tài)和周向脈動(dòng)模態(tài)頻率.圖5(b)為預(yù)混旋流噴嘴內(nèi)PB的壓力脈動(dòng)頻譜.從圖中看出，不同周向位置上的預(yù)混旋流噴嘴只存在一個(gè)與環(huán)形燃燒室縱向模態(tài)一致的脈動(dòng)頻率，不存在周向的脈動(dòng)頻率，且脈動(dòng)幅值比環(huán)形燃燒室內(nèi)的壓力脈動(dòng)幅值小.

圖5 當(dāng)量比為0.80 時(shí)環(huán)形燃燒室和預(yù)混旋流噴嘴內(nèi)壓力脈動(dòng)頻譜Fig.5 Pressure spectra in the annular combustor and premixed swirling nozzle when equivalence ratio is 0.80

為了進(jìn)一步識(shí)別環(huán)形模型燃燒室系統(tǒng)內(nèi)的壓力脈動(dòng)模態(tài)，基于圖5 壓力脈動(dòng)頻譜對(duì)692 Hz 和1 126 Hz 兩個(gè)典型脈動(dòng)頻率下的時(shí)域壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了提取分析.圖6 為提取的脈動(dòng)頻率為692 Hz的兩個(gè)不同時(shí)刻PA2、PB2、PC2處壓力脈動(dòng)時(shí)序.從圖中可以看出預(yù)混旋流噴嘴出口的壓力脈動(dòng)(PC2)總是落后PB2一定相位，而PA2和PB2存在一個(gè)微弱的相位差，兩者之間的相位差有時(shí)為正，有時(shí)為負(fù)值，表明692 Hz 下預(yù)混旋流噴嘴處于縱向脈動(dòng)中.

圖6 環(huán)形模型燃燒室系統(tǒng)PA2、PB2、PC2 處壓力脈動(dòng)時(shí)序Fig.6 Temporal sequence of pressure fluctuations at PA2，PB2，PC2 in the annular model combustor

圖7 為環(huán)形模型燃燒室內(nèi)不同周向位置上提取的692 Hz 和1 126 Hz 壓力脈動(dòng)時(shí)序.其中(a)和(b)為兩個(gè)不同時(shí)刻 692 Hz 脈動(dòng)曲線，(c)和(d)為1 126 Hz 壓力脈動(dòng)時(shí)域曲線.可以看出，在692 Hz下，兩個(gè)不同時(shí)刻的環(huán)形燃燒室周向不同位置上的壓力脈動(dòng)均處于同步脈動(dòng)中，即縱向脈動(dòng)模態(tài).1 126 Hz 下不同時(shí)刻表現(xiàn)出了不同的脈動(dòng)模態(tài).從圖7(c)中可以看出，此時(shí)PC1和PC2處于同步脈動(dòng)，PC3和PC4處于同步脈動(dòng)，而PC1、PC2和PC3、PC4處于反相脈動(dòng)，表明此時(shí)環(huán)形燃燒室處于周向駐波脈動(dòng)模態(tài).從脈動(dòng)壓力曲線上可以判斷出此時(shí)駐波模態(tài)的脈動(dòng)波腹位于PC1和PC2、PC3和PC4之間，波節(jié)位于PC2和PC3、PC1和PC4之間.從圖7(d)中可以看出，此時(shí)不同周向位置上的壓力脈動(dòng)順序相差π/4 相位脈動(dòng)，表明此時(shí)環(huán)形燃燒室處于周向旋轉(zhuǎn)脈動(dòng)中，且為正向旋轉(zhuǎn)行波.以上分析表明，環(huán)形燃燒室同時(shí)存在縱向脈動(dòng)模態(tài)和多種周向模態(tài)，且周向脈動(dòng)模態(tài)不是固定不變的，而是在不同脈動(dòng)模態(tài)之間相互轉(zhuǎn)變的，這也和之前Bourgouin 等[13]和Durox 等[14]的研究結(jié)論類似.

圖7 環(huán)形模型燃燒室692 Hz和1 126 Hz壓力脈動(dòng)時(shí)序Fig.7 Temporal sequence of pressure fluctuations for 692 Hz and 1 126 Hz in the annular model combustor

圖8 為不同當(dāng)量比下燃燒室周向聲波脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)比概率密度分布.可以看出當(dāng)量比對(duì)環(huán)形燃燒室內(nèi)的周向主導(dǎo)模態(tài)有明顯的影響.當(dāng)量比為0.66 時(shí)，旋轉(zhuǎn)比主要集中于零值兩側(cè)，且以正值為主導(dǎo)，表明環(huán)形燃燒室主要表現(xiàn)為周向駐波模態(tài)，且是在周向平均氣流調(diào)制下的緩旋駐波模態(tài).當(dāng)量比為0.72 時(shí)，可以觀察到明顯的駐波模態(tài)和負(fù)向的旋轉(zhuǎn)模態(tài).隨著當(dāng)量比的增加，當(dāng)量比為0.75 和0.80 時(shí)，環(huán)形燃燒室又轉(zhuǎn)變?yōu)橛神v波模態(tài)主導(dǎo)的脈動(dòng).

圖8 不同當(dāng)量比下燃燒室周向聲波脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)比概率密度分布Fig.8 Probability density distribution of spin ratios in the annular model combustor with different equivalence ratios

3.2 周向火焰?zhèn)€數(shù)對(duì)不穩(wěn)定模態(tài)的影響

圖9 為不同周向火焰?zhèn)€數(shù)下環(huán)形模型燃燒室多噴嘴時(shí)均火焰，其中左側(cè)為可見光火焰圖像，右側(cè)為火焰OH*熒光信號(hào)圖像.當(dāng)所有噴嘴全開(N＝16)時(shí)，可以清晰地觀察到環(huán)形燃燒室周向上的多噴嘴火焰，單個(gè)火焰懸浮于噴嘴上方，呈現(xiàn)出圓形碗狀結(jié)構(gòu).從火焰OH*熒光圖像上看出，相鄰噴嘴火焰相互沖刷，在相鄰噴嘴相互作用區(qū)域形成了較高的熱釋放區(qū)域.當(dāng)N＝12 時(shí)，仍可觀察到火焰推舉及相鄰火焰相互作用等特征.當(dāng)N＝8 時(shí)，由于相鄰噴嘴之間為冷態(tài)旋流空氣，相鄰火焰沒有發(fā)生直接相互作用，可以觀察到獨(dú)立的單個(gè)火焰結(jié)構(gòu).不過由于受到相鄰旋流氣流的旋流扭曲作用，單個(gè)旋流火焰形態(tài)并不是軸對(duì)稱的，而是發(fā)生了一定程度的扭曲.

圖9 不同周向火焰?zhèn)€數(shù)下環(huán)形模型燃燒室多噴嘴時(shí)均火焰Fig.9 Mean flame structures in the annular model combustor with different flame numbers

圖10 為不同周向火焰?zhèn)€數(shù)下環(huán)形模型燃燒室火焰脈動(dòng)強(qiáng)度分布.可以看出，N＝16 時(shí)，多噴嘴火焰脈動(dòng)主要集中于火焰的頭部和尾部.在相鄰火焰相互作用區(qū)域內(nèi)，火焰熒光信號(hào)的脈動(dòng)量反而小.對(duì)于N＝12 時(shí)，火焰脈動(dòng)呈現(xiàn)出與N＝16 時(shí)類似效果，火焰脈動(dòng)主要集中在火焰頭部和尾部，這可能與整個(gè)燃燒系統(tǒng)處于縱向脈動(dòng)模態(tài)有關(guān).當(dāng)N＝8 時(shí)，脈動(dòng)主要集中在火焰輪廓外側(cè)，對(duì)應(yīng)于單個(gè)預(yù)混旋流火焰的旋流剪切層位置，這和單個(gè)旋流火焰的脈動(dòng)特性是一致的[20].

圖10 不同周向火焰?zhèn)€數(shù)下環(huán)形模型燃燒室火焰脈動(dòng)強(qiáng)度分布Fig.10 Distributions of RMS flame intensity in the annular model combustor with different flame numbers

圖11 為不同周向火焰?zhèn)€數(shù)下燃燒室脈動(dòng)壓力頻譜，該壓力脈動(dòng)頻譜為周向4 個(gè)位置上脈動(dòng)壓力頻譜的平均結(jié)果.可以看出，隨著周向火焰?zhèn)€數(shù)的減少，環(huán)形燃燒室縱向模態(tài)和周向模態(tài)頻率均逐漸降低.這是因?yàn)殡S著周向火焰?zhèn)€數(shù)降低，燃燒室整體當(dāng)量比減小，燃燒室內(nèi)溫度降低，平均聲速下降，進(jìn)而導(dǎo)致脈動(dòng)頻率下降.隨著周向火焰?zhèn)€數(shù)的減少，周向脈動(dòng)幅值逐漸增加，縱向脈動(dòng)幅值有降低的趨勢(shì).這表明隨著周向火焰?zhèn)€數(shù)的減少，環(huán)形燃燒室內(nèi)縱向脈動(dòng)強(qiáng)度減弱，周向模態(tài)脈動(dòng)得到加強(qiáng).

圖11 不同周向火焰?zhèn)€數(shù)下燃燒室脈動(dòng)壓力頻譜Fig.11 Pressure spectra in the annular combustor with different flame numbers

圖12 為不同周向火焰?zhèn)€數(shù)下燃燒室周向聲波脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)比概率密度分布.可以看出，不同火焰熱釋放下環(huán)形燃燒室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)比均集中在零值兩側(cè)附近，且以正值為主，表明環(huán)形燃燒室內(nèi)出現(xiàn)的是以駐波模態(tài)為主導(dǎo)的脈動(dòng)，且該脈動(dòng)受到周向平均氣流的調(diào)制.對(duì)比不同火焰?zhèn)€數(shù)下的旋轉(zhuǎn)比概率密度分布形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)形燃燒室周向火焰?zhèn)€數(shù)對(duì)周向脈動(dòng)主導(dǎo)模態(tài)類型的影響很小.

圖12 不同周向火焰?zhèn)€數(shù)下燃燒室旋轉(zhuǎn)比概率密度分布Fig.12 Probability density distribution of spin ratios in the annular model combustor with different flame numbers

4 結(jié)論

針對(duì)環(huán)形模型燃燒室的燃燒不穩(wěn)定模態(tài)開展實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究，探討了當(dāng)量比和周向火焰?zhèn)€數(shù)對(duì)燃燒不穩(wěn)定模態(tài)和模態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律的影響，獲得的結(jié)論如下：

(1)環(huán)形模型燃燒室所有噴嘴均工作時(shí)，燃燒室內(nèi)同時(shí)存在縱向模態(tài)和周向模態(tài)，且周向模態(tài)在駐波模態(tài)和旋轉(zhuǎn)模態(tài)之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)變.

(2)當(dāng)量比對(duì)環(huán)形燃燒室周向模態(tài)有明顯影響.當(dāng)量比為0.72 時(shí)燃燒室周向主導(dǎo)模態(tài)為負(fù)向旋轉(zhuǎn)模態(tài)，其他當(dāng)量比下周向主導(dǎo)模態(tài)為周向平均氣流調(diào)制下的駐波模態(tài).

(3)隨著周向火焰?zhèn)€數(shù)的減少，環(huán)形模型燃燒室周向模態(tài)脈動(dòng)幅值增加，脈動(dòng)頻率降低.不過周向火焰?zhèn)€數(shù)對(duì)周向脈動(dòng)主導(dǎo)模態(tài)類型影響很小.