留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

新型双旋流燃烧室热声振荡的实验研究

何祖强 王平 MeenatchideviMurugesan AntonioFerrante 李伟超 姜霖松

何祖强, 王平, MeenatchideviMurugesan, 等. 新型双旋流燃烧室热声振荡的实验研究[J]. 实验流体力学, 2021, 35(1): 44-52. doi: 10.11729/syltlx20200021
引用本文: 何祖强, 王平, MeenatchideviMurugesan, 等. 新型双旋流燃烧室热声振荡的实验研究[J]. 实验流体力学, 2021, 35(1): 44-52. doi: 10.11729/syltlx20200021
HE Zuqiang, WANG Ping, Meenatchidevi Murugesan, et al. Experimental investigation on thermoacoustic oscillation of a new dual-swirl combustor[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2021, 35(1): 44-52. doi: 10.11729/syltlx20200021
Citation: HE Zuqiang, WANG Ping, Meenatchidevi Murugesan, et al. Experimental investigation on thermoacoustic oscillation of a new dual-swirl combustor[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2021, 35(1): 44-52. doi: 10.11729/syltlx20200021

新型双旋流燃烧室热声振荡的实验研究

doi: 10.11729/syltlx20200021
基金项目: 

国家自然科学基金 91741117

国家自然科学基金 51576092

详细信息
    作者简介:

    何祖强(1996-), 男, 河南南阳人, 硕士研究生。研究方向: 旋流燃烧、热声振荡的实验研究。通信地址: 江苏省镇江市京口区学府路301号江苏大学能源研究院(212013)。E-mail: 1085092448@qq.com

    通讯作者:

    王平, E-mail: pingwang@ujs.edu.cn

  • 中图分类号: TK223.22

Experimental investigation on thermoacoustic oscillation of a new dual-swirl combustor

  • 摘要: 对一新型双旋流燃烧室开展了实验测量,研究了燃烧状态参数2种变化过程对火焰热声振荡特性的影响(过程1:保持甲烷体积流量不变,当量比从0.900逐步减小至0.725再逐步增大至0.925;过程2:保持当量比为0.850不变,逐步增大预混气的体积流量)。结果表明:在该燃烧室中存在M型和V型2种火焰结构;在过程1中,随着当量比减小,火焰由不稳定的M型转变为稳定的V型,其后,随着当量比增大,又逐渐转变为M型,存在明显的滞环现象;在过程2中,仅在初始流量下存在明显的热声振荡现象,随着流量增大,火焰变得稳定;基于压力脉动信号的功率谱特性分析和相空间重构分析,发现该双旋流燃烧室内热声振荡主频率分布于400.0和256.0 Hz左右。
  • 图  1  双旋流燃烧器结构简图

    Figure  1.  Geometric sketch of dual-swirl burner

    图  2  双级旋流器几何结构图

    Figure  2.  Geometry structure of dual swirler

    图  3  不同火焰结构

    Figure  3.  Different flame structures

    图  4  不同当量比下火焰结构变化及压力脉动幅值

    Figure  4.  Structural change of flame and pressure pulsation amplitude at different equivalence ratios

    图  5  当量比减小时的功率谱图

    Figure  5.  Power spectrum when the equivalence ratio decreases

    图  6  当量比增大时的功率谱图

    Figure  6.  Power spectrum when the equivalence ratio increases

    图  7  ϕ=0.850时内管体积流量变化下的功率谱图

    Figure  7.  Power spectrum of inner pipe with volume flow rate change at ϕ=0.850

    图  8  不同角度的V型火焰

    Figure  8.  V-shaped flames with different angles

    图  9  当量比减小过程的相空间重构图

    Figure  9.  Phase space reconstruction graph with equivalent ratio decreases

    图  10  当量比增大过程的相空间重构图

    Figure  10.  Phase space reconstruction graph with equivalent ratio increases

    图  11  ϕ=0.850时内管体积流量变化下的相空间重构图

    Figure  11.  Phase space reconstruction of inner pipe with volume flow rate change at ϕ=0.850

    表  1  Case A~H对应的当量比

    Table  1.   Equivalent ratio corresponding to Case A~H

    Case 当量比ϕ(减小) Case 当量比ϕ(增大)
    A 0.900 E 0.800
    B 0.850 F 0.850
    C 0.800 G 0.900
    D 0.725 H 0.925
    下载: 导出CSV

    表  2  Case I-L对应的内外管体积流量

    Table  2.   The Volume flow rate of inner and outer pipes corresponding to Case I-L

    Case 外管流量/(L·min-1) 内管流量/(L·min-1)
    Vf1 Va1 Vf2 Va2
    I 4.0 45.0 0.8 9.0
    J 4.0 45.0 2.8 31.0
    K 4.0 45.0 4.8 53.0
    L 4.0 45.0 5.5 62.0
    下载: 导出CSV

    表  3  各工况下的热声振荡特性及火焰结构

    Table  3.   Thermoacoustic oscillation characteristics and flame structure under corresponding working conditions

    Case 主频率/Hz 声压级/dB 稳定性 火焰结构
    I 256.0 51.59 热声振荡 V型
    J 260.0 30.02 稳定 V型
    K 260.5 22.79 稳定 V型
    L 411.0 38.02 类似不稳定 V型
    下载: 导出CSV
  • [1] HUANG Y, YANG V. Dynamics and stability of lean-premixed swirl-stabilized combustion[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2009, 35(4): 293-364. doi: 10.1016/j.pecs.2009.01.002
    [2] GUIBERTI T F, DUROX D, SCOUFLAIRE P, et al. Impact of heat loss and hydrogen enrichment on the shape of confined swirling flames[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(2): 1385-1392. doi: 10.1016/j.proci.2014.06.016
    [3] GUIBERTI T F, DUROX D, ZIMMER L, et al. Analysis of topology transitions of swirl flames interacting with the combustor side wall[J]. Combustion and Flame, 2015, 162(11): 4342-4357. doi: 10.1016/j.combustflame.2015.07.001
    [4] 房爱兵. 燃气轮机合成气燃烧室燃烧稳定性的实验研究[D]. 北京: 中国科学院研究生院(工程热物理研究所), 2007.

    FANG A B. Investigation of combustion instability in syngas combustor of gas turbine[D]. Beijing: Graduate School of the Chinese Academy of Sciences (Institute of Engineering Thermophysics), 2007.
    [5] 张昊, 朱民. 热声耦合振荡燃烧的实验研究与分析[J]. 推进技术, 2010, 31(6): 730-744. doi: 10.13675/j.cnki.tjjs.2010.06.017

    ZHANG H, ZHU M. Experimental study and analysis of thermo-acoustic instabilities in natural gas premixed flames[J]. Journal of Propulsion Technology, 2010, 31(6): 730-744. doi: 10.13675/j.cnki.tjjs.2010.06.017
    [6] 张昊, 黄铮, 朱民. 自激振荡预混燃烧的实验[J]. 航空动力学报, 2011, 26(1): 36-42. doi: 10.1007/s12182-011-0123-3

    ZHANG H, HUANG Z, ZHU M. Experimental study on self-excited oscillations in premixed combustor[J]. Journal of Aerospace Power, 2011, 26(1): 36-42. doi: 10.1007/s12182-011-0123-3
    [7] 杨甫江, 郭志辉, 任立磊. 贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性[J]. 燃烧科学与技术, 2014, 20(1): 51-57. doi: 10.11715/rskxjs.R201306009

    YANG F J, GUO Z H, REN L L. Combustion instability of lean premixed swirl flame[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2014, 20(1): 51-57. doi: 10.11715/rskxjs.R201306009
    [8] 林枫, 王威, 李名家, 等. 燃气轮机振荡燃烧特性试验研究[J]. 热能动力工程, 2017, 32(s1): 62-68, 130. doi: 10.16146/j.cnki.rndlgc.2017.YY.010

    LIN F, WANG W, LI M J, et al. Experimental study on combustion oscillating characteristics of gas turbine combustor[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2017, 32(s1): 62-68, 130. doi: 10.16146/j.cnki.rndlgc.2017.YY.010
    [9] TAAMALLAH S, LABRY Z A, SHANBHOGUE S J, et al. Thermo-acoustic instabilities in lean premixed swirl-stabilized combustion and their link to acoustically coupled and decoupled flame macrostructures[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3273-3282. doi: 10.1016/j.proci.2014.07.002
    [10] FRITSCHE D, M FVRI, BOULOUCHOSK. An experimental investigation of thermoacoustic instabilities in a premixed swirl-stabilized flame[J]. Combustion and Flame, 2007, 151(1-2): 29-36. doi: 10.1016/j.combustflame.2007.05.012
    [11] DUROX D, MOECK J P, BOURGOUIN J F, et al. Flame dynamics of a variable swirl number system and instability control[J]. Combustion and Flame, 2013, 160(9): 1729-1742. doi: 10.1016/j.combustflame.2013.03.004
    [12] KIM K T, LEE J G, LEE H J, et al. Characterization of forced flame response of swirl-stabilized turbulent lean-premixed flames in a gas turbine combustor[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power: Transactions of the ASME, 2010, 132(4): 041502-1. doi: 10.1115/1.3204532
    [13] KIM K T, HOCHGREB S. The nonlinear heat release response of stratified lean-premixed flames to acoustic velocity oscillations[J]. Combustion and Flame, 2011, 158(12): 2482-2499. doi: 10.1016/j.combustflame.2011.05.016
    [14] TERHAAR S, REICHEL T G, SCHRÖDINGER C, et al. Vortex breakdown types and global modes in swirling combustor flows with axial injection[J]. Journal of propulsion and power, 2015, 31(1): 219-229. doi: 10.2514/1.B35217
    [15] TANG H J, YANG D, ZHANG T F, et al. Characteristics of flame modes for a conical bluff body burner with a central fuel jet[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2013, 135(9): 091507. doi: 10.1115/1.4024951
    [16] TAKENS F. Detecting strange attractors in turbulence[C]//RAND D, YOUNG L S. Dynamical Systems and Turbulence, Warwick 1980. Lecture Notes in Mathematics, vol 898. Berlin, Heidelberg: Springer, 2006. doi: 10.1007/BFb0091924
    [17] ABARBANEL H D I, BROWN R, SIDOROWICH J J, et al. The analysis of observed chaotic data in physical systems[J]. Reviews of Modern Physics, 1993, 65(4): 1331-1392. doi: 10.1103/RevModPhys.65.1331
  • 加载中
图(11) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  343
  • HTML全文浏览量:  129
  • PDF下载量:  31
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-24
  • 修回日期:  2020-05-27
  • 刊出日期:  2021-02-25

目录

    /

    返回文章
    返回

    重要公告

    www.syltlx.com是《实验流体力学》期刊唯一官方网站,其他皆为仿冒。请注意识别。

    《实验流体力学》期刊不收取任何费用。如有组织或个人以我刊名义向作者、读者收取费用,皆为假冒。

    相关真实信息均印刷于《实验流体力学》纸刊。如有任何疑问,请先行致电编辑部咨询并确认,以避免损失。编辑部电话0816-2463376,2463374,2463373。

    请广大读者、作者相互转告,广为宣传!

    感谢大家对《实验流体力学》的支持与厚爱,欢迎继续关注我刊!


    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日