湍流燃烧与燃烧不稳定性
- 旋流火焰的声激励与熵波产生机制
在燃烧器中，熵波（也称为热斑）是由不稳定燃烧与流动之间的不稳定热交换导致的温度波动，在间接燃烧噪声和热声不稳定性的产生中起着重要作用。本工作研究了声激励下的预混甲烷/空气旋流燃烧，采用红外成像和可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS)进行温度测量，以研究该燃烧器中产生的熵波。红外成像技术提供熵波分布、传播和耗散的定性图像，而TDLAS 技术提供温度波动的定量测量。实验表明熵波在外部声激励下可以从预混旋流火焰产生。当熵波向下游传播时，衰减的温度波动和红外辐射强度表明熵波具有明显的衰减和耗散。此外高速红外成像和粒子图像测速测量揭示了温度不均匀性是由周期性涡环的卷起和混合造成的。
- 旋流火焰与涡的相互作用
旋流火焰和涡环之间的相互作用对于理解更复杂的热声不稳定性至关重要。本工作利用50kHz高速粒子图像测速法研究了旋转冷流和火焰中周期性激发涡环的动力学特征。发现周期性上游扰动在火焰表面内外的剪切层中引起相干涡环。我们发现外涡环 (OVR)在调节火焰动力学和热释放方面起主导作用，而内涡环 (IVR) 与中心再循环区 (CRZ) 的形成有关，并且受到更强的耗散。定量分析了核心的旋度、环量、轨迹和对流速度的演变，结果表明OVR 的生长和脱落受入口剪切层以及入口速度和加速度的变化控制。此外，旋流形成过程中的环量增长和脱离后的对流速度均可被现有的涡模型定性捕获，表明涡动力学在理解一般旋流-火焰相互作用问题中有广泛的前景。
- 分级旋流火焰的螺旋不稳定性
中心分级旋流火焰是现代航空发动机燃烧室中常用的燃烧组织方式。在一定条件下，预燃级中固有的螺旋模态会与热声模态发生相互作用与叠加，导致独特的热声振荡现象。本工作利用20 kHz激光诊断系统，同步测量了中心分级旋流火焰形态及内部流场。利用火焰的CH*化学自发光图像序列作为相位参考信号，对同步测量到的CH*化学自发光图像及二维速度场进行相平均处理。基于螺旋模态的旋转不变性和切比雪夫-泽尼克多项式方法，重构出了预燃级下游螺旋涡和释热率扰动场的三维形态。通过对预燃级下游各涡核截面进行连续地追踪和提取，揭示了漩涡演化对当地释热率波动的具体贡献，定量地证明了旋进涡核（PVC）是预燃级下游释热波动的主要源项。
- 贫预混旋流燃烧固有热声不稳定性
最近的理论研究工作发现了一种独特的热声振荡模态，即固有热声模态(Intrinsic Thermo-Acoustic mode, ITA)，其独立于燃烧室特征声学模态，主要由火焰局部耦合机制所驱动。本工作针对单级轴向旋流预混燃烧室，基于实验和低阶模型方法，通过改变燃烧室长度识别了ITA模态和燃烧室腔体声学模态。利用声衬的吸声的特性，通过增大声衬偏流马赫数提高声衬的吸声系数，降低火焰下游的声波反射，从而增强ITA模态不稳定性。实验结果还表明，增大声衬偏流不仅可以增强ITA模态的不稳定性，还可以在稳定燃烧状态下触发ITA模态的不稳定性。
