CN112326730A - 一种采用多麦克风测量热释放率脉动的实验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用多麦克风测量热释放率脉动的实验方法及装置，用于航空航天发动机燃烧不稳定性测量的研究。基于多麦克风方法测量燃烧室中热源前后的声场压强，通过热源处的阶跃函数推导得到热源的热释放率脉动。实验装置由安装于热源上下游的多麦克风测压系统和安装在热源上游的声源组成。常规测量方法主要为光学方法，当热源为火焰时，通过测量燃烧产生的中间产物浓度来实现间接测量，局限于预混火焰；当热源不为火焰时，尚无测量方法。本发明提出的声学测量方法是通过测量系统内压力波动计算得到热释放率脉动，因此适用于各种热源的热释放率测量，且具有成本低、结构简单、调节方便等优点，有助于对航空航天发动机燃烧不稳定性测量的研究。

Description

一种采用多麦克风测量热释放率脉动的实验方法及装置

技术领域

本发明涉及一种采用多麦克风测量热释放率脉动的实验方法及装置，主要应用于航空航天发动机燃烧不稳定性测量的研究。

背景技术

在燃气轮机、航空航天发动机工作过程中，燃烧室内不稳定的热释放和声学系统的耦合作用，会产生燃烧不稳定性问题。根据瑞利准则，当燃烧热释放和声波压强之间的相位差小于90度时，声波持续获得能量，产生剧烈的压力振荡。燃烧不稳定危害巨大，会引起极高的燃烧速率和传热速率，对燃烧室壁面热防护带来极大挑战，剧烈的压力振荡甚至会造成发动机结构的损坏，严重影响动力系统的正常工作。

在对燃烧不稳定性问题的研究中，对热释放率脉动的测量是至关重要的。目前对不稳定燃烧热释放率脉动的测量方法主要是化学发光法和激光诱导荧光法。但光学测量方法无法测得瞬时热释放率脉动，只能获得测量光路上的平均信息，且缺乏足够的空间分辨率。光学测量方法常需要光学测量窗口，测量光路复杂，装置价格昂贵，对实验环境和实验人员的操作能力均有极高的要求。本发明提供一种声学测量方法，具有结构简单、成本低、操作方便等优点，不需要光学测量窗口，适用于各种热源的热释放率测量，对深入研究燃烧不稳定性问题具有重要意义。

发明内容

针对上述背景，本发明提供一种采用多麦克风测量热释放率脉动的实验方法及装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种采用多麦克风方法测量热释放率脉动的实验装置，该装置主要由安装在热源上游和下游的多麦克风实验装置和产生热释放率脉动的实验装置两部分组成。为了进一步提高测量精度，在热源上游和下游分别安装热电偶，用来测量热源上下游的温度，及用来修正测量原理中的部分系数。

以图1为例，此产生热释放率脉动的实验装置包括采用电阻丝加热为热源的里开管系统和产生扰动声信号的声源系统。在里开管系统内，先是由空气压缩机为整个系统提供气体平均流，气体质量流量调节计与空气压缩机连接，用以调节得到稳定的气体平均流。气体由空气压缩机产生，经气体质量流量调节计后流入整流室，之后进入带有热源的里开管内。在声源系统内，计算机内的正弦信号经功率放大器放大后，由放置在整流室两侧的两个扬声器，产生稳定的正弦声扰动信号。在多麦克风实验装置中，在热源上游、下游的里开管管壁上各放置3支麦克风，测量上下游各个位置的声压，以计算得到声学平面波的正向和反向传播波。从而求得热源上下游区域的气体流动扰动速度，再由热源处阶跃函数求得热释放率脉动。

利用上述实验装置，本发明提出一种采用多麦克风测量热释放率脉动的实验方法，内容如下：

1.声压平面波入射波和反射波的计算。

热释放率脉动的计算：在热源的上游区域，x₁～x₃的三个位置，和热源的下游区域，x₄～x₆的三个位置处，共放置六支麦克风，且测得对应位置的压强信号为p₁～p₆。压强信号可以表示为：

其中，

为测得的压强信号幅值，j为虚数单位，ω为角频率，t为时间。

本实验装置主要测量纵向扰动的热源，故热源上、下游的压力波可认为是由向上传播的声波和向下传播的声波的叠加，假设热源所处的位置为x_f，压力波可表示为：

其中，

和

分别是声速和气体的平均流速。A⁺和A^-分别是向上传播和向下传播的声波的幅值。下标i表示上下游区域，i＝1时为上游，i＝2代表下游。

根据双麦克风方法，在热源上下游两个区域内，各放置两支麦克风，利用两个麦克风测量一个区域的压强波动，即可以测得两个区域内各自的声压平面波的入射波

和反射波A_i ^-。为了提高测量精度，降低系统误差，需要增加麦克风的数量以提高测量精度。但麦克风个体之间结构尺寸及声阻抗的差异，也使得增加麦克风数量同样也会增大系统误差。因此，本发明中，共使用六支麦克风，分别采用三支麦克风测量一个区域内的压强波动情况。因此，对应热源上下游区域的向上传播的声波和向下传播的声波的计算公式为：

和

2.热源前后气体扰动速度的计算

根据上述矩阵表达式，可以求解得到热源上、下游的向上传播的声波和向下传播的声波

则里开管内热源前后两侧的

上游的气体流动扰动速度为：

其中

是空气平均密度。下标1代表热源上游区域，同理以下标2代表热源下游区域。

3.不稳定热释放率脉动的计算

根据热源处的阶跃函数，热源不稳定热释放率脉动

的计算公式为：

其中，γ为比热比，S为燃烧室横截面积。

该实验方法可以通过如图1的里开管实验装置进行验证，里开管内热源形式为电阻丝，以直流电源为电阻丝加热。保持直流电源功率恒定，通过改变实验过程中施加的扰动信号频率和气体流速等工况来实现实验方法标定、验证。当气体平均流速不同时，扰动幅值不同，热释放率脉动也不同。在不同工况下，如图2a、2b，图3a、3b，图4a、4b所示，在气体平均流速分别为0.1m/s、0.5m/s、1m/s时，通过扬声器产生不同频率的压力扰动，通过热源上下游的6个麦克风测量，可得到开管内的声压波动情况，通过后处理这些压力信号，即可得热释放率脉动。

本发明其优点及功效在于：采用多麦克风方法测量燃烧热释放率脉动，是一种声学测量方法，区别于常见的光学测量方法，结构简单、实验装置操作及调节方便、成本低。

附图说明

图1是实验测量装置示意图。

图2a、2b是气体流速0.1m/s时施加100Hz、200Hz频率的声扰动时系统内压强波动情况。

图3a、3b是气体流速0.5m/s时施加100Hz、200Hz频率的声扰动时系统内压强波动情况。

图4a、4b是气体流速1m/s时施加100Hz、200Hz频率的声扰动时系统内压强波动情况。

图中标号说明如下：

a为空气压缩机，b为气体质量流量计，c为整流室，d为扬声器，e为里开管，g为麦克风，h为计算机及数据采集装置，k为功率放大器，m为函数信号发生器。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明进行详细描述。在本实施例中，搭建了多麦克风方法测量燃烧热释放率脉动的实验平台，如图1所示，通过改变气体的平均流速和声扰动信号的频率，测得不同工况下里开管内的压强波动和燃烧热释放率脉动，具体实施说明如下：

在本实施例中，里开管内的热源是镍铬合金电阻丝，采用直流电源加热电阻丝，模拟燃烧场。通过调节直流电源的电压、电流达到调节热源功率的作用。镍铬合金电阻丝直径0.4mm，绕成线圈直径5mm，长度约50mm的线圈。将5根电阻丝线圈固定在方形热源骨架上，放置于里开管内热源段区域。热源骨架材料为二苯醚耐温绝热材料。里开管内的气体平均流是由空气压缩机提供，采用气体质量流量计调节气体流速并保证气体流量稳定。最后，气体经过整流室后以稳定的层流平均流的形式进入里开管。

声扰动信号由安装在整流室相对应两侧的扬声器产生。先是由信号发生器产生特定幅值、频率的谐波信号，该信号经功率放大器放大后，传输到扬声器，再由扬声器产生具有特定振幅和频率的声扰动信号，传播到里开管内。实验中使用的功率放大器是雅马哈公司的XM4080型号，具有体积小、操作便捷等优点。扬声器是HiVi-M5N型号，额定功率35W，具有失真度低、操作方便、良好的刚度等优点。

里开管内的压强振荡情况由安装在里开管上下游的六支麦克风测量。实验中使用的是北京声望电科技有限公司生产的MP201电压式麦克风。其额定工作频率为6.3～2000Hz，灵敏度为50mV/Pa。麦克风将测得的压强信号转变为电压信号，输入数据采集卡，并将实验数据储存在计算机中，便于后续实验数据处理。实验中使用的数据采集卡是北京中科泛华测控技术有限公司生产的PCI-3366型号数据采集卡。实验中设定的数据采样率为50KHz,足以捕捉400～2000Hz的声信号。

本实施例中，气体流速分别为0.1m/s,0.5m/s,1m/s。扬声器产生的声扰动频率为100Hz,200Hz,500Hz,1000Hz。在上述实验工况下，保持热源功率恒定，六支麦克风测得里开管内的压强信号，通过对实验数据的处理，得到燃烧热释放率脉动。

以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

Claims (5)

1.一种采用多麦克风方法测量热释放率脉动的实验装置，其特征在于：该装置由安装在热源上游和下游的多麦克风实验装置和产生热释放率脉动的实验装置两部分组成；

产生热释放率脉动的实验装置包括采用电阻丝加热为热源的里开管系统和产生扰动声信号的声源系统；在里开管系统内，先是由空气压缩机为整个系统提供气体平均流，气体质量流量调节计与空气压缩机连接，用以调节得到稳定的气体平均流；气体由空气压缩机产生，经气体质量流量调节计后流入整流室，之后进入带有热源的里开管内；在声源系统内，计算机内的正弦信号经功率放大器放大后，由放置在整流室两侧的两个扬声器，产生稳定的正弦声扰动信号。

2.根据权利要求1所述的一种采用多麦克风方法测量热释放率脉动的实验装置，其特征在于：在热源上游和下游分别安装热电偶，用来测量热源上下游的温度及用来修正测量原理中的部分系数。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用多麦克风方法测量热释放率脉动的实验装置，其特征在于：在热源上游、下游的里开管管壁上各放置3支麦克风，测量上下游各个位置的声压，以计算得到声学平面波的正向和反向传播波；从而求得热源上下游区域的气体流动扰动速度，再由热源处阶跃函数求得热释放率脉动。

4.一种利用权利要求1采用多麦克风方法测量热释放率脉动的实验装置的实验方法，步骤如下：

步骤一：声压平面波入射波和反射波的计算；

热释放率脉动的计算：在热源的上游区域，x₁～x₃的三个位置，和热源的下游区域，x₄～x₆的三个位置处，共放置6支麦克风，且测得对应位置的压强信号为p₁～p₆；压强信号表示为：

其中，

为测得的压强信号幅值，j为虚数单位，ω为角频率，t为时间；

测量纵向扰动的热源，故热源上、下游的压力波认为是由向上传播的声波和向下传播的声波的叠加，假设热源所处的位置为x_f，压力波表示为：

其中，

和

分别是声速和气体的平均流速；A⁺和A^-分别是向上传播和向下传播的声波的幅值；下标i表示上下游区域，i＝1时为上游，i＝2代表下游；

使用六支麦克风，分别采用三支麦克风测量一个区域内的压强波动情况；因此，对应热源上下游区域的向上传播的声波和向下传播的声波的计算公式为：

和

步骤二：热源前后气体扰动速度的计算

根据上述矩阵表达式，求解得到热源上、下游的向上传播的声波和向下传播的声波

则里开管内热源前后两侧的

上游的气体流动扰动速度为：

其中

是空气平均密度；下标1代表热源上游区域，同理以下标2代表热源下游区域；

步骤三：不稳定热释放率脉动的计算

根据热源处的阶跃函数，热源不稳定热释放率脉动

的计算公式为：

其中，γ为比热比，S为燃烧室横截面积。

5.根据权利要求4所述的采用多麦克风方法测量热释放率脉动的实验装置的实验方法，其特征在于：里开管内热源形式为电阻丝，以直流电源为电阻丝加热；保持直流电源功率恒定，通过改变实验过程中施加的扰动信号频率和气体流速来实现实验方法的标定、验证；当气体平均流速不同时，扰动幅值不同，热释放率脉动也不同。

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