声音信号在贫油预混预蒸发振荡燃烧分析中的应用

张自来， 杜世强， 葛 冰， 孙培锋, 臧述升

(1.上海交通大学 机械与动力工程学院,叶轮机械研究所，上海 200240；2.中国船舶重工集团第七一一研究所，上海 201108)

在当今社会，环境保护越来越成为现代工业考虑的主要问题.因此，排放标准需进一步提高.贫油预混预蒸发燃烧是航空发动机上最具发展潜力的低NOx燃烧技术.在预混燃烧系统中，燃烧工况远偏离化学恰当比，使得空气过剩，火焰的温度显著降低，NOx的生成量大幅度减少.但预混火焰的稳定性较差，对流场参数变化、化学当量比的波动和外加干扰十分敏感.火焰不稳定就会产生声音的振荡[1]，在燃烧室内产生的声音会受到边界的反射，进而与燃烧过程中的火焰相互作用，产生燃烧热声耦合振荡[2].Cohen等[3]对贫燃预混燃烧室进行了研究，发现化学当量比接近贫燃极限时，在燃烧室轴向上流体漩涡会发生周期性脱落，当涡脱落频率与声波振型同向时，涡和声学振荡之间交换能量，会加剧燃烧的不稳定性.Lieuwen[4]通过建立简单的直管道火焰模型，描述了声波、涡旋和熵波与燃烧过程间的火焰相互作用以及声波和火焰之间的相互影响.韩飞等[5]给出了引起热声振荡的非线性效应因素.徐艳英等[6]研究了燃烧室内的压力振荡特性，分析了尾管结构参数、热负荷和过量空气系数对燃烧室内压力振幅的影响.Schneider等[7]发现燃烧振荡与燃烧室的声学模态有关，其模态不仅影响燃烧噪声，也会调制燃烧速度.

虽然针对声音信号在振荡燃烧火焰中的作用有较多研究，但均集中在气体预混燃烧火焰方面，关于声音信号在贫油预混预蒸发振荡火焰中的作用研究较少.为此，笔者设计并搭建了贫油预混预蒸发燃烧试验台，并进行了振荡燃烧试验，分析了在振荡状态和过渡状态(点火工况、稳定到振荡燃烧工况、振荡到稳定燃烧工况和熄火工况)下燃烧室声音信号的特征，并探讨了燃烧装置的声学模态，总结出贫油预混预蒸发振荡燃烧的声场特征.

1 试验设备及测量系统

1.1 试验台结构及试验件

贫油预混预蒸发振荡燃烧试验系统如图1所示.试验系统主要包括燃料供应系统、空气供应系统和燃烧试验台.空气供应系统中压缩空气由空气压缩机供出后，经过减压阀减压至0.3 MPa，再经欧司朗电加热器加热至500 K后供向燃烧试验台.由图1可以看出，旋流器的叶片旋流角为55°，整个预混预蒸发段长度为265 mm，喷嘴为Spring公司的LN 1.0喷嘴，采用供油泵对主喷嘴进行供油.预热空气与燃料混合后通过整流格栅，再经过旋流器进入燃烧室，并点火燃烧.

图1 贫油预混预蒸发振荡燃烧试验系统图

1.2 测量系统

采用2个PCB公司生产的麦克风传感器对预混室和燃烧室内的声音信号进行采集.预混室的声音测点为预混预蒸发末端上游165 mm处；在燃烧室的上游距离端部50 mm处设置一个麦克风传感器和一个Kulite动态压力传感器.

1.3 试验工况及分析方法

测试的燃烧室特征频率小于500 Hz，采样率设为2 500 Sa/s.燃烧室振荡信号的分析方法主要有2种，即功率谱分析和短时傅里叶变换(STFT).在稳定燃烧工况下，燃烧室的信号为平稳信号，可采用功率谱分析方法研究信号的特征频率.在过渡状态下燃烧室的信号为非平稳信号，需把时域分析与频域分析结合起来，STFT可实现这一要求.STFT给非平稳信号p′(t)施加一个滑动窗函数w(t-τ)，随着移位因子τ的改变，滑动窗函数可连续截取信号，再对每小段信号作傅里叶变换，从而可得到信号的联合时频分布：

(1)

式中：τ为移位因子；f为频率；t为时间；e为自然对数的底;j为虚数符号.

滑动窗的宽度越小，时域分辨率越好，局部平稳性的假设也越成立.

分别以入口空气流速不变和燃油质量流量不变为前提设计了8个工况，具体参数如表1所示.工况1～工况4中保持入口空气流速为31 m/s，燃油质量流量由5.3 kg/h增加至6.5 kg/h.工况5～工况8中保持燃油质量流量为5.7 kg/h，入口空气流速由25 m/s增大至43 m/s.

表1 试验工况

2 试验结果及分析

当压力脉动的幅值超过5%时，认为发生燃烧振荡[8]，因此可以通过压力信号的脉动分析来判断工况的燃烧状态，结果如表2所示.从燃烧室压力信号的幅值可以看出，工况1～工况6为振荡燃烧工况，工况7存在主频，且压力幅值仅略低5%，因此可认为工况7为振荡燃烧工况，工况8为稳定燃烧工况.

2.1 预混室与燃烧室的声音信号

由表2可以看出，预混室和燃烧室的声音信号主频一致.为研究预混室与燃烧室的声音信号特性，选择工况1进行分析，试验中燃烧室和预混室的声压波动和功率谱如图2和图3所示.由图2和图3可以看出，燃烧室和预混室声场的相位是一致的；在特征频率附近燃烧室和预混室的声场频谱几乎重叠，说明预混室内的声场特征对燃烧室内的声场波动有直接影响，燃烧室内的声场波动也对预混室内的声场波动产生反作用，二者相互耦合，声场趋于同频同相；在高频声场区域(大于1 000 Hz)，燃烧室和预混室的功率谱具有较大差异，说明在此区域内二者之间不存在相互耦合关系；在特征频率点上，预混室的声压功率密度小于燃烧室的声压功率密度，这是因为火焰热释放的脉动与燃烧室的声场振动之间产生相互耦合作用，从而导致燃烧室内的声压振荡相应加强.

表2 试验结果

图2 工况1的声压时域

图3 工况1的声压功率谱

2.2 振荡燃烧工况的声音信号分析

在相同入口空气流速(31 m/s)下燃油质量流量对燃烧振荡的影响如图4所示.在相同燃油质量流量(5.7 kg/h)下入口空气流速对燃烧振荡的影响如图5所示，由于工况8为稳定燃烧工况，因此不分析其结果.

由图4可以看出，在相同入口空气流速(31 m/s)下，随着燃油质量流量的增加，燃烧室的振荡主频逐渐增强，声音信号幅值先增大，在工况3时达到最大值，再逐渐下降.由图5可知，在相同燃油质量流量(5.7 kg/h)下，燃烧室的振荡主频不随化学当量比的变化而改变，随着入口空气流速的增大,声音信号幅值先增大，在工况6时达到最大值，再逐渐下降.这说明燃烧室的主频仅与燃油质量流量有关，与入口空气流速相关性不大，因为燃油质量流量影响燃烧室的热释放，而热释放与燃烧室内声压振动发生激振时，就会形成热声耦合振荡，进而影响燃烧室的振荡主频.

(a) 振荡主频随燃油质量流量的变化

(b) 声音信号幅值随燃油质量流量的变化

(a) 振荡主频随入口空气流速的变化

(b) 声音信号幅值随入口空气流速的变化

2.3 过渡状态的声音信号分析

为研究过渡状态下声音信号在燃烧振荡中的应用，共设计了4种过渡状态，依次为点火工况、稳定到振荡燃烧工况、振荡到稳定燃烧工况和熄火工况.图6为燃烧室的点火过程，图6(a)为燃料的时间历程曲线，图6(b)为燃烧室声音信号的STFT云图.由图6(a)可以看出，保持入口空气质量流量不变，在0.8 s时打开燃油路阀，进行点火.由图6(b)可知，0.8 s后燃烧室点火成功，因此燃烧室的声压脉动能量明显增加，但声压脉动压力强度较小，为稳定燃烧，未进入振荡燃烧工况.

(a) 点火工况的稳态参数时间曲线

(b) 燃烧室的动态声压STFT云图

由图7(a)可知，保持入口空气质量流量不变，6 s开始增加燃料路的燃油质量流量，在9 s左右从稳定燃烧工况进入振荡燃烧工况.由图7(b)可知，燃油质量流量开始增加时，135 Hz附近的主频能量开始增强，并且出现倍频和3倍频.在燃料进入振荡燃烧工况后，主频、倍频和3倍频稳定存在，进入振荡燃烧阶段.

由图8(a)可以看出，保持燃油质量流量不变，从30 s开始增加入口空气质量流量，在40 s左右燃烧从振荡燃烧工况进入稳定燃烧工况.由图8(b)可知，当入口空气质量流量增加时，135 Hz附近的主频能量逐渐减弱，而倍频的衰减更明显，40 s后主频与倍频消失，燃烧进入稳定燃烧工况.

(a) 稳定到振荡燃烧工况的稳态参数时间曲线

(b) 燃烧室的动态声压STFT图

(a) 振荡到稳定燃烧工况的稳态参数时间曲线

(b) 燃烧室的动态声压STFT图

由图9(a)可知，2.2 s后关闭燃料路的阀门，同时保持入口空气质量流量不变，燃烧进入熄火阶段.由图9(b)可以看出，进入熄火阶段后，声压的能量在400 Hz附近先衰减，并逐步向低频区发展，并在2.5 s后进入彻底熄火状态.

(a) 熄火工况的稳态参数时间曲线

(b) 燃烧室的动态声压STFT图

从上述结果可以看出，声音信号能很好地反映燃烧的变化过程，也可用来分析和预测贫油预混预蒸发燃烧振荡的趋势.

3 试验装置的声学模态分析

模态是指物体结构的固有振动特性，模态分析[9]可用于确定设计结构的振动特性，是结构设计中的重要参数.在燃烧反应过程中，燃烧室内的漩涡形成、脱落和破碎过程与燃烧室声学模态具有相互耦合作用，会激发特定频率和振型的压力振荡，从而引发自激振荡燃烧，因此模态分析也是振荡燃烧分析中常用的手段.

为更好地了解试验台架本身结构对燃烧的影响，采用Ansys Apdl软件分析了试验装置固有的声学模态.整个试验装置分为3个区域，计算入口为上游堵塞的缩孔板，排气端为开口边界条件，具体部件尺寸见图10.

3个区域的物性参数如表3所示.因燃烧室中激励的振荡燃烧为低频振荡燃烧，故重点分析了试验装置的轴向声学模态，并得到了前4阶轴向声学模态，如表4所示.计算得到燃烧室的第2阶固有轴向模态频率为139 Hz，这与试验时动态压力传感器测得的135～145 Hz振荡主频基本吻合.因此，可认为燃烧室激发的振荡燃烧属于2阶轴向振荡模态.

图10 贫油预混预蒸发燃烧试验装置的声学模态分析示意图

Fig.10 Schematic diagram for acoustic analysis of the experimental LPP combustor

表3燃烧装置声学模态分析物性参数

Tab.3PhysicalparametersforacousticanalysisoftheLPPcombustor

参数区域(1)区域(2)区域(3)温度/K5001200700压力/Pa1.1×1051.1×1051.1×105密度/(kg·m-3)0.7060.2940.504声速/(m·s-1)449695531

表4 燃烧试验装置的声学模态分析

4 结 论

(1) 在振荡燃烧工况下，燃烧室与预混室的声音信号振荡主频一致，二者的相位也一致，即二者为同频同相的信号，存在耦合关系.在特征频率点上，预混室的声压功率密度小于燃烧室的声压功率密度.因此在振荡燃烧工况下，可利用预混室的声音信号来反映燃烧室的声音特征.

(2) 在相同入口空气流速下，燃烧室的主频随燃油质量流量的增加而增强，声音信号的幅值随燃油质量流量的增加而增大，但达到最大值后开始减弱；在相同燃油质量流量下，燃烧室的主频不随入口空气流速的变化而改变，声音信号的幅值随入口空气流速的增加而增强，但达到最大值后开始减弱.

(3) 在点火工况下，点火后声音信号的脉动能量明显增强；在燃烧从稳定到振荡的过程中，随着工况的变化，声音信号的主频能量逐渐增强，且在达到振荡燃烧工况后出现倍频和3倍频；在燃烧从振荡到稳定的过程中，声音信号的倍频开始衰减，然后主频能量也衰减，最后进入稳定燃烧工况，主频与倍频消失；在熄火工况下，随着燃料路阀的关闭，声音信号的脉动能量从400 Hz开始衰减，并逐步向低频区发展.

(4) 通过对燃烧装置声学模态的分析，发现试验中测得的声音信号主频为2阶轴向振荡模态.

[1] YANG V, WICKER J M, YOON M W. Acoustic waves in combustion chambers[C]//ProgressinAstronauticsandAeronautics. Washington, D C, USA: AIAA, 1995.

[2] 黄玉辉. 液体火箭发动机燃烧稳定性理论、数值模拟和实验研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2001.

[3] COHEN J M, ANDERSON T J. Experimental investigation of near-blowout instabilities in a lean, premixed step combustor[C]//34thAerospaceSciencesMeetingandExhibit. Reno, Nevada, USA: AIAA, 1996.

[4] LIEUWEN T. Modeling premixed combustion-acoustic wave interactions: a review[J].JournalofPropulsionandPower, 2003, 19(5): 765-781.

[5] 韩飞, 岳国森,沙家正. Rijke热声振荡的非线性效应[J].声学学报, 1997, 22(3): 249-254.

HAN Fei, YUE Guosen, SHA Jiazheng. Nonlinear effect of Rijke thermoacoustic oscillation[J].ActaAcustica, 1997, 22(3): 249-254.

[6] 徐艳英, 翟明, 董芃, 等. 弯尾管Helmholtz型无阀自激脉动燃烧器压力特性[J].动力工程学报, 2014, 34(11): 856-861.

XU Yanying, ZHAI Ming, DONG Peng, et al. Pressure characteristics of helmholtz-type valveless self-excitedpulse combustor with bend tail tube[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2014, 34(11): 856-861.

[7] SCHNEIDER M, SCHMILLEN K, PISCHINGER F. Regularities of cylinder pressure oscillations and their effects on the combustion process and noise[R]. Michigan, USA: SAE International Truck and Bus Meeting and Exposition, 1987.

[8] 王海连. 贫燃预混旋流燃烧不稳定性大涡模拟[D]. 大连:大连理工大学, 2014.

[9] 宋纯龙. 微型油燃烧室火焰燃烧不稳定性研究[D]. 大连:大连理工大学, 2012.