[发明专利]一种基于声学激励的脉动式钝体绕流燃烧装置

说明书

本发明提出一种基于声学激励的脉动式钝体绕流燃烧装置，所用部件包括：空气流量计，燃气流量计，低音炮扬声器，声波收集器，预混管，锥形钝体。该方法包括以下步骤：将锥形钝体与预混管出口齐平放置于预混管出口中心处；燃料与空气经过流量计进入钝体燃烧器；低音炮音箱以特定频率及声压输出激励声波；激励声波经声波收集器进入预混管内激励预混燃气，受激励的预混燃气绕过钝体在钝体后脉动的燃烧。本发明结构简单，操作方便，对扬声器要求低，火焰脉动效果好，脉动式燃烧效率高，能够满足研究声波对于钝体绕流火焰影响机理的需求，在燃烧实验研究以及工业锅炉、航空推进器等领域有广泛的应用前景。

(一)技术领域

本发明涉及一种基于声学激励的脉动式钝体绕流燃烧装置，具体涉及空气与燃气经流量计后进入燃烧器预混管预混，置于燃烧器底部的低音炮扬声器产生附加声波经锥形声波收集器进入预混管内激励气流的脉动频率与幅度，周期性脉动的气流绕过锥形钝体后脉动地燃烧，满足了研究声波对于钝体绕流火焰影响机理的需求。

(二)背景技术

在燃烧装置中，要求燃料着火后，在不同的工作条件下能保证燃烧稳定地继续下去而不熄灭，在高速气流中，当气流速度大于火焰传播速度便不能形成稳定的点火源，导致火焰不稳定甚至熄火，为了保证在航空涡轮喷气发动机、冲压发动机、锅炉等高速燃烧装置中稳定地燃烧，钝体绕流火焰得到了广泛的应用。钝体稳定火焰的机理是基于低速回流区，由流体力学知识可以知道，当空气与燃料绕过钝体障碍物时，气流便会在钝体下游产生绕流脱落现象，在障碍物后形成一个稳定的低速回流区，下游已燃高温气体进入回流区内与新鲜未燃混合气体进行热量与质量交换，提供新鲜可燃混合气需要的能量，从而使火焰稳定的燃烧。随着现代航空技术的发展，对飞行器提出更高的飞行速度，更低的污染物排放水平等要求，未来的发动机燃烧室内工作环境将会更加恶劣，要求火焰稳定器的稳定边界更宽，因而未来火焰稳定器的研制必然需要对钝体绕流火焰的不稳定机理进行深入的研究。

不稳定的燃烧由于震荡会产生声波，声波在燃烧器壁面表面反射会与燃烧过程相互作用导致进一步的流动与混合过程的扰动，这样形成一个反馈闭环，导致火焰不稳定性加强，当不稳定的燃烧过程与声波相互耦合时，就会产生自激的振动，这种震动严重影响燃烧室的性能以及排放特性，严重时可能破坏燃烧室导致严重的事故。因此研究声波对于火焰的影响机制对于研究更高性能的火焰稳定器是非常必要的。

为了研究声波对于火焰不稳定性的影响，国内外相关人员做了大量的工作。中国科学院工程热物理研究所曹红加博士在燃料进入燃烧器之前使用扬声器对燃料进行激励，使燃料周期性脉动地进入预混射流燃烧器，实现了射流火焰脉动燃烧(曹红加.预混火焰燃烧不稳定性及其主动控制.中国科学院工程热物理研究所，2004.)。然而对于未进入燃烧器的燃料进行激励，要实现明显的火焰激励，需要高能量的声音来激励，导致实验环境变差，此外，射流火焰的脉动规律并不适用于钝体绕流火焰。加利福尼亚大学Karagozian教授将扬声器置于火焰侧部，直接激励液体扩散射流火焰，实现了液体扩散射流火焰脉动地燃烧(S.Dattarajan,A.Lutomirski,R.Lobbia,O.I.Smith,A.R.Karagozian.Acousticexcitation of droplet combustion in microgravity and normalgravity.Combustion and Flame,2006,144:299-317.)，然而这种激励方式没有激励到燃料的出口速度，而且这种火焰的脉动规律并不适用于钝体绕流火焰。因此，现有的装置都不能满足研究声波对于钝体绕流火焰影响机制的研究，为了研究这种机制，满足发展更高性能的火焰稳定器，亟待一种可以研究声波影响钝体绕流火焰机制的新方法及装置。

本发明利用低音炮扬声器激励钝体燃烧器中的燃料与空气混合气，实现钝体火焰脉动的燃烧，首先空气与燃气经流量计后进入燃烧器预混管预混，置于燃烧器底部的低音炮扬声器产生附加声波经锥形声波收集器进入预混管内激励气流的脉动频率与幅度，周期性脉动的气流绕过锥形钝体后实现脉动地燃烧。

(三)发明内容