CN113970445B - 熵-声试验平台及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种熵‑声试验平台，包括气源、热射流发生器、燃烧通道及流动测试系统和下游喷管系统。可模拟并测量受限空间的脉冲热射流和高温反应流，实现研究火焰、熵波和间接噪声之间相互作用的物理机制，推导熵波衰减、熵致噪声和熵‑声诱发燃烧不稳定等关键问题的机理描述的功能。

Description

熵-声试验平台及其试验方法
技术领域
本发明涉及航空发动机试验系统，特别是一种熵-声试验平台及其试验方法。
背景技术
燃烧室与涡轮或喷管等出口之间的相互作用引入了有别于经典热声不稳定的燃烧振荡机制，在航空发动机、燃气轮机和冲压发动机中广泛存在，直接影响到系统稳定性，引起对燃烧室和涡轮部件极为不利的振动和热负荷。火焰区域形成的熵波趋向出口加速产生的间接噪声是燃烧噪声的主要来源，甚至超过直接噪声一个数量级。航空发动机燃烧室中，相比于火焰与声学的耦合作用，间接噪声反射到火焰形成的诱发机制对低频燃烧不稳定产生重要影响。既依赖于熵波形成及其在加速流动中的衰减，还需要考虑间接噪声的反射对火焰释热甚至系统稳定性的影响。现有试验研究设备无法一致地产生熵波加速激发燃烧不稳定现象，不足以认识熵波演化过程及燃烧室与出口之间的复杂相互作用。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，提出一种熵-声试验平台及其试验方法，该平台可产生并测量受限空间的内脉冲热射流和高温反应流，模拟燃烧熵波与出口相互作用，观测熵波加速激发燃烧不稳定现象的实验系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种熵-声试验平台，其特点在于：包括依次连接的气源、热射流发生器、燃烧通道和下游喷管系统，以及分别与所述的气源、热射流发生器、燃烧通道和下游喷管系统相连的流动测试系统；
所述的气源包括高压空气源、高压燃气源、高压氮气源和粒子布撒系统；
所述的高压空气源储存在高压空气储罐内,该高压空气储罐的出口通过不锈钢气体管路依次经高压空气出口管路调节阀和高压空气出口管路流量计与所述的热射流发生器的第一进口相连；
所述的高压燃气源储存在高压燃气储罐内，该高压燃气储罐的出口通过不锈钢气体管路依次经高压燃气出口管路调节阀和高压燃气出口管路流量计与所述的热射流发生器的第二进口相连；
所述的高压氮气源储存在高压氮气储罐内，该高压氮气储罐的出口经不锈钢气体管路依次经高压氮气出口管路调节阀和氮气高压氮气出口管路流量计与所述的热射流发生器的第三进口相连；
所述粒子布撒系统包括粒子布撒系统储罐，该粒子布撒系统储罐的进口通过不锈钢气体管路经粒子布撒系统进口管路调节阀与所述的高压氮气储罐相连，该粒子布撒系统储罐的出口通过不锈钢气体管路经粒子布撒系统出口管路调节阀与所述的热射流发生器的第四进口相连；
所述的热射流发生器，用于实现空气-燃气混合、储存和加热功能，并将高温燃气喷注入所述的燃烧通道；
所述的燃烧通道，用于点燃热射流，使混合气在密闭空间中燃烧，产生熵波加速激发燃烧不稳定现象；
所述的下游喷管系统，用于排放燃烧后的废气。
所述的流动测试系统，用于对燃烧通道内的流动和燃烧现象进行光学观测和压力脉动测量。
所述的热射流发生器包括加热器和射流发生器；所述的加热器包括耐压储罐以及设置在该耐压储罐上的安全阀和压力计；所述的射流发生器包括通过混合气管路依次连接的单向阀、高速电磁阀和喷注器，所述的混合气管路的输入端与所述的耐压储罐的出气口相连，所述的混合气管路的输出端与所述的燃烧通道的进气端相连。
所述的燃烧通道是截面为矩形的直通道，具有光学观察窗口和压力传感器。所述的直通道的两端分别为进气端和排气端，该燃烧通道的正面和背面分别设有光学窗口，上侧面为激光通路，下侧面为压力传感器安装面板，并设置一个点火器，该点火器可根据需要安装在所述的燃烧通道的进气端和/或排气端。
所述的下游喷管系统包括喷一系列具有不同构型和收敛角度的可更换的喷管和供该喷管放置的喷管底座，该喷管底座通过法兰盘与所述的燃烧通道上的高速电磁阀相连。
所述的流动测试系统为高速CMOS相机，跨帧CCD相机，sCMOS相机，ICCD相机，激光器，热线风速仪，动态压力传感器、数字同步器以及PIV粒子布撒系统中的一种或多种。
利用述的熵-声试验平台进行试验的方法，其特点在于该试验方法包括以下步骤：
1)确认所有阀门处于关闭状态；
2)开启热射流发生器高速电磁阀、燃烧通道高速电磁阀；
3)开启高压氮气出口管路调节阀调节流量到指定大小，2-3分钟后关闭高压氮气出口管路调节阀；
4)关闭热射流发生器高速电磁阀和燃烧通道高速电磁阀；
5)开启高压燃气出口管路调节阀和高压空气出口管路调节阀并调节流量到指定大小，若进行PIV试验，则还需开启粒子布撒系统的出口管路调节阀和进口管路调节阀，使携带粒子的惰性气体与空气和燃气在所述的加热器内混合；
6)开启并调节热射流发射器的电热网，等待热射流发射器的耐压储罐内混合气体加热到指定温度；
7)开启所述的热射流发生器的高速电磁阀，使混合气体通入燃烧通道后，关闭热射流发生器高速电磁阀并启动点火器执行点火，使燃烧通道内发生封闭空间内的增压燃烧，脉冲热射流燃烧形成高温反应流，诱发火焰、熵波相互作用；
8)开启燃烧通道的高速电磁阀，使燃烧完成的废气排出后，关闭燃烧通道的高速电磁阀；
9)重复步骤7)-8)使燃烧通道内实现周期性的等容燃烧过程，形成熵波加速激发燃烧现象，结束循环后，等待装置冷却，关闭所述的高压燃气出口管路调节阀和高压空气出口管路调节阀。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
可更便捷、更一致地周期性模拟并测量受限空间的脉冲热射流和高温反应流，有助于研究火焰、熵波和间接噪声之间相互作用的物理机制。
附图说明
图1为本发明熵-声试验平台的组成示意图
图2为本发明所述的热射流发生器示意图
图3为本发明所述的燃烧通道示意图
图4为本发明熵-声试验平台工作流程示意图
图5为本发明熵-声试验平台实施例的结构示意图
图6为本发明熵-声试验平台的燃烧通道主体实施例的正视图
图7为本发明熵-声试验平台实施例的燃烧通道主体的横向剖面示意图
图中：
1-气源
11-高压空气源
111-高压空气储罐
112-高压空气出口管路调节阀
113-高压空气出口管路流量计
12-高压燃气源
121-高压燃气储罐
122-高压燃气出口管路调节阀
123-高压燃气出口管路流量计
13-高压氮气源
131-高压氮气储罐
132-高压氮气出口管路调节阀
133-高压氮气出口管路流量计
14-粒子布撒系统
141-粒子布撒系统储罐
142-粒子布撒系统出口管路调节阀
143-粒子布撒系统进口管路调节阀
2-热射流发生器
21-加热器
211-耐压储罐
212-电热网
213-安全阀
214-压力计
22-射流发射器
221-单向阀
222-高速电磁阀
223-喷注器
224-混合气管路
3-燃烧通道
31-燃烧通道主体
311-燃烧通道基体
312-上面板
313-进气端面板
314-排气端面板
315-燃烧通道前后侧光学观察窗口(钢化玻璃)
316-压力传感器
317-点火器
318-螺栓
319-上侧激光通路窗口(钢化玻璃)
3110-内部空腔
32-高速电磁阀
4-下游喷管系统
41-喷管底座
42-可更换喷管
5-流动测试系统
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种熵-声试验平台，包括气源、热射流发生器、燃烧通道及流动测试系统和下游喷管系统。其基本构成如图1所示。所述的气源包括：高压空气储罐、高压燃气储罐及高压氮气储罐，其中所述的燃气储罐可以为：氢气储罐，甲烷储罐、乙烯储罐中的一种或多种。所述的高压空气储罐、高压燃气储罐及高压氮气储罐均配备流量计和调节阀。所述的高压氮气储罐还需与粒子布撒系统的管路相连接。
所述的热射流发生器包括加热器和射流发生器两部分。其中，所述的加热器主体为耐压储罐，内部包括保温层和电热网，并配置安全阀和压力计，可实现空气-燃气混合、储存和电加热功能。所述的射流发生器包括高速电磁阀，止回阀，安全阀以及喷注器，可实现将高温燃气受控喷注入燃烧通道的功能。所述的热射流发生器包含三个进气口，可连接不锈钢气体管路。其具体组成形式如附图2所示。所述的燃烧通道为直通道，截面为矩形，左右两端分别为进气端和排气端，正面和背面为两个光学窗口，上侧面为激光通路，下侧面为压力传感器安装面板，配备压力传感器安装点位。所述的燃烧通道设置一个点火器，此点火器可根据需要安装于燃烧通道的进气端或排气端的点火器安装点位。其具体组成形式如附图3所示。所述的下游喷管系统包括：喷管底座、高速电磁阀和系列具有不同构型和收敛角度的可更换喷管。所述的流动测试系统可以为高速CMOS相机，跨帧CCD相机，sCMOS相机，ICCD相机，激光器，热线风速仪，动态压力传感器、数字同步器以及PIV粒子布撒系统中的一种或多种。所述的气源为起始装置，所述的热射流发生器进气端分别通过管道连接至所述的气源的高压空气储罐、高压燃气储罐及高压氮气储罐。所述的热射流发生器的喷注器通过法兰盘连接至所述的燃烧通道的进气端。所述的燃烧通道的排气端通过法兰盘连接至下游喷管系统。所述的下游喷管系统出口连接至实验室排风装置，直通大气。
本发明熵-声试验平台实施例如图5-7所示：包括由111-高压空气储罐；121-高压燃气储罐；131-高压氮气储罐；141-粒子布撒系统储罐；112-高压空气出口管路调节阀；122-高压燃气出口管路调节阀；132-高压氮气出口管路调节阀；143-高压氮气粒子布撒系统驱动管路调节阀；142-粒子布撒系统出口管路调节阀；113-高压空气出口管路流量计；123-高压燃气出口管路流量计；133-高压氮气出口管路流量计构成的气源。
如图5所示，由211-热射流发生器所属不锈钢耐压储罐；214-热射流发生器所属压力计；212-热射流发生器所属电热网；213-热射流发生器所属安全阀；221-热射流发生器所属单向阀；222-热射流发生器所属高速电磁阀；223-热射流发生器所属喷注器构成的热射流发生器。
如图5所示，包括由31-燃烧通道主体；32-燃烧通道所属高速电磁阀构成的燃烧通道。其中，如图6-7所示，燃烧通道主体包括311-燃烧通道基体；312-燃烧通道上面板；313-燃烧通道进气端面板；314-燃烧通道排气段面板；315-燃烧通道前后侧光学观察窗口(钢化玻璃)；316-燃烧通道所属压力传感器；317-燃烧通道所属点火器；318-燃烧通道螺栓；319-燃烧通道上侧激光通路窗口(钢化玻璃)；3110-燃烧通道内部空腔。
如图5所示，由41-喷管底座和42-可更换喷管组成的下游喷管系统。
本发明熵-声试验平台实施例提供的熵-声试验平台还包括以下流动测试系统：采用PIV、磷光成像和PLIF集成系统测量速度矢量和温度分布：1台高速CMOS相机采集聚焦纹影图像，1台跨帧CCD相机记录示踪粒子图像，1台sCMOS相机采集磷光图像，1台ICCD相机采集自由基发光成像；1套热线风速仪监测关键位置温度脉动；1套动态压力传感器记录沿程压力脉动。采用2台八通道数字延时脉冲发生器DG645进行时序和同步控制。这些测量结果将用于研究火焰、熵波和间接噪声之间相互作用的物理机制，推导熵波衰减、熵致噪声和熵-声诱发燃烧不稳定等关键问题的机理描述。
图4为本发明熵-声试验平台工作流程示意图，如图所示，进行试验时，首先关闭所有阀门。
开启热射流发生器所属高速电磁阀和燃烧通道所属高速电磁阀，使热射流发生器所属不锈钢耐压储罐及下游所有容器和管路单向连通至大气。开启高压氮气出口管路调节阀并调节流量到指定大小，2分钟后关闭高压氮气出口管路调节阀。之后关闭热射流发生器所属高速电磁阀和燃烧通道所属高速电磁阀。这使热射流发生器所属不锈钢耐压储罐及下游所有容器和管路中原有的残余燃气和空气被完全排出，使后续试验过程通入燃气和空气可定量计算。
开启高压空气出口管路调节阀和高压燃气出口管路调节阀并调节流量到指定大小(根据当前实验工况下的空燃比计算得到的，并由实验人员指定并调节)，使燃料和空气通入热射流发生器所属不锈钢耐压储罐，并在热射流发生器所属不锈钢耐压储罐内混合，根据实验需求开启并调节热射流发生器所属电热网，将热射流发生器所属不锈钢耐压储罐内的混合气体加热到所需温度(根据当前实验工况对应的燃烧室进口温度，由实验人员指定并调节)。
在上述基础上，若进行PIV试验，则还需开启粒子布撒系统阀门和高压氮气储罐阀门，使携带粒子的惰性气体与空气和燃气在所述的加热器内混合。
打开热射流发生器所属高速电磁阀(本段中后称进气阀门)，混合气体在压力作用下进入燃烧通道主体，关闭进气阀门，控制燃烧通道所属点火器通电，点燃混合气，混合气燃烧完成后，打开燃烧通道所属高速电磁阀(后称排气阀门)，燃烧后的废气在压力作用下通过下游喷管系统排出到大气，然后关闭排气阀门。
再次打开进气阀门并循环进行上述步骤。通过上述过程可在燃烧通道内实现周期性的等容燃烧过程，形成可供观察的熵波加速激发燃烧现象。通过流动测试系统捕捉到的实验数据，包括：相机拍摄到的火焰传播过程影像，动态压力传感器记录的压力变化数据，热线风速仪记录到的气流速度数据，以及PIV系统获取的全流场速度分布。
以上所述的仅为本发明实施例，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种熵-声试验平台，其特征在于：包括依次连接的气源(1)、热射流发生器(2)、燃烧通道(3)和下游喷管系统(4)，以及分别与所述的气源(1)、热射流发生器(2)、燃烧通道(3)和下游喷管系统(4)相连的流动测试系统(5)；
所述的气源(1)包括高压空气源(11)、高压燃气源(12)、高压氮气源(13)和粒子布撒系统(14)；
所述的高压空气源(11)储存在高压空气储罐(111)内,该高压空气储罐(111)的出口通过不锈钢气体管路依次经高压空气出口管路调节阀(112)和高压空气出口管路流量计(113)与所述的热射流发生器(2)的第一进口相连；
所述的高压燃气源(12)储存在高压燃气储罐(121)内，该高压燃气储罐(121)的出口通过不锈钢气体管路依次经高压燃气出口管路调节阀(122)和高压燃气出口管路流量计(123)与所述的热射流发生器(2)的第二进口相连；
所述的高压氮气源(13)储存在高压氮气储罐(131)内，该高压氮气储罐(131)的出口经不锈钢气体管路依次经高压氮气出口管路调节阀(132)和氮气高压氮气出口管路流量计(133)与所述的热射流发生器(2)的第三进口相连；
所述粒子布撒系统(14)包括粒子布撒系统储罐(141)，该粒子布撒系统储罐(141)的进口通过不锈钢气体管路经粒子布撒系统进口管路调节阀(143)与所述的高压氮气储罐(131)相连，该粒子布撒系统储罐(141)的出口通过不锈钢气体管路经粒子布撒系统出口管路调节阀(142)与所述的热射流发生器(2)的第四进口相连；
所述的热射流发生器(2)，用于实现空气-燃气混合、储存和加热功能，并将高温燃气喷注入所述的燃烧通道(3)；
所述的燃烧通道(3)，用于点燃热射流，使混合气在密闭空间中燃烧，产生熵波加速激发燃烧不稳定现象；
所述的下游喷管系统(4)用于排放燃烧后的废气；
所述的流动测试系统(5)，用于对燃烧通道内的流动和燃烧现象进行光学观测和压力脉动测量；
所述的热射流发生器(2)包括加热器(21)和射流发生器(22)；所述的加热器(21)包括耐压储罐(211)以及设置在该耐压储罐(211)上的安全阀(213)和压力计(214)；所述的射流发生器(22)包括通过混合气管路(224)依次连接的单向阀(221)、高速电磁阀(222)和喷注器(223)，所述的混合气管路(224)的输入端与所述的耐压储罐(211)的出气口相连，所述的混合气管路(224)的输出端与所述的燃烧通道(3)的进气端相连；
所述的燃烧通道(3)是截面为矩形的直通道，具有光学观察窗口(315)和压力传感器(316)；
所述的直通道的两端分别为进气端和排气端，该燃烧通道(3)的正面和背面分别设有光学窗口，上侧面为激光通路(319)，下侧面为压力传感器(316)安装面板，并设置一个点火器(317)，该点火器(317)可根据需要安装在所述的燃烧通道的进气端和/或排气端；
所述的下游喷管系统(4)包括喷一系列具有不同构型和收敛角度的可更换的喷管(42)和供该喷管(42)放置的喷管底座(41)，该喷管底座(41)通过法兰盘与所述的燃烧通道(3)上的高速电磁阀(32)相连。
2.根据权利要求1所述的熵-声试验平台，其特征在于：所述的流动测试系统(5)为高速CMOS相机，跨帧CCD相机，sCMOS相机，ICCD相机，激光器，热线风速仪，动态压力传感器、数字同步器以及PIV粒子布撒系统中的一种或多种。
3.利用权利要求1-2任一所述的熵-声试验平台进行试验的方法，其特征在于该试验方法包括以下步骤：
1)确认所有阀门处于关闭状态；
2)开启热射流发生器高速电磁阀(222)、燃烧通道高速电磁阀(32)；
3)开启高压氮气出口管路调节阀(132)调节流量到指定大小，2-3分钟后关闭高压氮气出口管路调节阀(132)；
4)关闭热射流发生器高速电磁阀(222)和燃烧通道高速电磁阀(32)；
5)开启高压燃气出口管路调节阀(122)和高压空气出口管路调节阀(112)并调节流量到指定大小，若进行PIV试验，则还需开启粒子布撒系统(14)的出口管路调节阀(142)和进口管路调节阀(143)，使携带粒子的惰性气体与空气和燃气在所述的加热器(21)内混合；
6)开启并调节热射流发生器 (2)的电热网(212)，等待热射流发射器的耐压储罐(211)内混合气体加热到指定温度；
7)开启所述的热射流发生器的高速电磁阀(222)，使混合气体通入燃烧通道(3)后，关闭热射流发生器高速电磁阀(222)并启动点火器(317)执行点火，使燃烧通道内发生封闭空间内的增压燃烧，脉冲热射流燃烧形成高温反应流，诱发火焰、熵波相互作用；
8)开启燃烧通道的高速电磁阀(32)，使燃烧完成的废气排出后，关闭燃烧通道的高速电磁阀(32)；
9)重复步骤7)-8)使燃烧通道内实现周期性的等容燃烧过程，形成熵波加速激发燃烧现象，结束循环后，等待装置冷却，关闭所述的高压燃气出口管路调节阀(122)和高压空气出口管路调节阀(112)。
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