亥姆霍兹共振器抑制振荡燃烧理论分析.pdfVIP

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：084266 亥姆霍兹共振器抑制振荡燃烧理论分析 高 原， 朱 民 清华大学热能工程系，热科学与动力工程教育部重点实验室，100084 (Tel: 010 Email: zhumin@tsinghua.edu.cn) 摘要：燃烧室燃烧过程的关键技术之一是如何避免和抑制振荡燃烧现象。本文简要阐述了发生振荡燃 烧的机理以及亥姆霍兹共振器抑制振荡燃烧的声学分析，并且通过线性分析 CFD 计算相结合的研究方 法对燃烧系统的燃烧稳定性进行计算。同时分析了共振器共振频率和安装位置对燃烧稳定性的影响， 得出在不同因素影响下，系统的稳定性和模态。这些分析有助于我们在设计和运行燃烧系统时，实现 燃烧系统的安全、高效和清洁运行。 关键词：振荡燃烧 亥姆霍兹共振器 线性分析 CFD 计算 0 前言 实现低NO 预混燃烧的关键技术之一是如何避免和抑制振荡燃烧现象。燃气轮机燃 x 烧室振荡燃烧主要是由燃烧放热的脉动与燃料流量的脉动、燃烧室内周期性的涡脱落或 混合当量比的脉动等过程相互耦合引起的[1,2]。振荡燃烧现象在工业实际中所造成的危 害小到干扰燃烧过程，产生机械振荡和噪音，使污染控制失效，大到减少部件工作寿命， 损坏燃烧部件，更严重的会导致事故。因此要实现安全、高效和清洁运行燃气轮机，需 要掌握振荡燃烧的机理和控制方法，在理论上和设计中都尽量避免或抑制振荡燃烧现象。 目前，抑制振荡燃烧的方法主要有主动控制和被动控制。被动控制主要通过改变几何形 状、尺寸等方法增加系统的声学阻抗、减小燃烧对扰动的灵敏度，达到抑制振荡燃烧的 目的。被动控制方法结构简单，不需要复杂控制系统，因此被广泛应用。亥姆霍兹共振 器是通过被动控制抑制振荡燃烧的典型装置。 亥姆霍兹共振器的一般形式是一个刚性共振腔通过短管连接到主管。当声波在主管 中传播到共振腔上的小孔与主管道的交叉处时，由于声阻抗突变，使一部分声能反射回 去；一部分声能传入小孔和共振腔，共振腔的声阻抗会对声波起阻尼作用，从而消耗振 动能量，达到了抑制振荡的目的。目前，Iain和Dowling[3]对共振器在燃烧室中的应用进 行了理论分析和实验研究。Howe[4]对声波传导的详细过程进行了深入探讨。 本文运用线性分析与 CFD 计算相结合的研究方法，发展和预测用亥姆霍兹共振器 抑制振荡燃烧的有效方法。下一节将主要介绍研究对象和对其进行稳定性分析；第三节 将对理论模型进行详细推导；在第四节将对计算结果进行讨论；最后将对本文工作进行 总结。 资助项目：国家重点基础研究发展计划（973 计划）(No.2007CB210106) 1 研究对象及稳定性分析 研究对象如图1所示[5]。其中1处为空气声速缩口，空气通过直管段经燃烧喷嘴进入 下游通向大气的直管燃烧室。亥姆霍兹共振器将安装在空气进入燃烧室前的直管段。这 一节将讨论没有共振器时该系统的稳定性，共振器的影响在下节讨论。 图 1 燃烧系统示意图 图2 无共振器的共振频率及模态 线性分析通过对流体方程沿燃烧段截面进行积分得到一维方程组进行分析[6]。考虑 方便，将方程组表示为通量形式，如质量、动量和能量通量可分别为： ˆ ˆ ˆ m S u u (ρ +ρ ) ⑴ 2 ˆ