CN114543984B - 一种Rijke管边界耗散的定量调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种Rijke管边界耗散的定量调节装置及方法，涉及热声不稳定技术领域，该装置包括：连通部件和阻抗调整部件，两者为同轴安装的环形圆盘体；其中，所述连通部件用于实现Rijke管内外空气的连通；所述阻抗调整部件用于调整Rijke管内外空气连通区域的大小；所述连通部件的内环处设置一个中空圆柱；环形圆盘面被均匀划分为6个扇面，其中间隔的三个扇面处分别设置一个大小相同的扇形空腔，所述扇形空腔的内弧在中空圆柱的外表面上，所述扇形空腔的外弧在环形圆盘的外环内。本申请实施例的装置能够定量调整Rijke管的边界条件，在振荡强烈时可增大耗散使火焰得以维持，振荡微弱时可增大边界反射系数使火焰更易振荡。

Description

一种Rijke管边界耗散的定量调节装置及方法

技术领域

本申请涉及热声不稳定技术领域，尤其是涉及一种Rijke管边界耗散的定量调节装置及方法。

背景技术

燃烧不稳定是一种燃烧系统热与声相互作用的现象，瑞利准则对于该现象做出了解释，瑞利准则认为：对封闭气体进行周期性的加热和放热，则封闭气体压力也会产生周期性振荡，振荡成都取决于压力振荡和热传递之间的相位关系。如果二者同相位，即压力最大时吸热或者压力最小时放热，压力振荡将会加剧；反之，如果二者反相位，即压力最大时放热或者压力最小时吸热，压力振荡将会减小。

Rijke管是典型的热声不稳定系统，也是研究燃烧与声场相互作用机理及控制的基础，由于其结构简单的特点，许多研究都是针对Rijke管来开展的。学者们针对Rijke管开展了关于燃烧不稳定特性、起振、驱动机理、燃烧不稳定控制等的研究，这些研究中部分是通过数值模拟开展的，也有一大部分是通过实验进行研究。

实验中，一般的Rijke管模型为其施加了特定热源，部分研究中通过改变热源与Rijke管的位置来进行实验，部分研究改变Rijke热源的热释放，但缺乏改变Rijke管边界条件的实验手段。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种Rijke管边界耗散的定量调节装置及方法，以解决Rijke管实验中缺乏边界条件调节装置的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种Rijke管边界耗散的定量调节装置，包括：连通部件和阻抗调整部件，两者为同轴安装的环形圆盘体；其中，所述连通部件用于实现Rijke管内外空气的连通；所述阻抗调整部件用于调整Rijke管内外空气连通区域的大小；

所述连通部件的内环处设置一个中空圆柱；环形圆盘面被均匀划分为6个扇面，其中间隔的三个扇面处分别设置一个大小相同的扇形空腔，所述扇形空腔的内弧在中空圆柱的外表面上，所述扇形空腔的外弧在环形圆盘的外环内。

进一步的，所述阻抗调整部件的圆盘面的内环向外处等间隔设置三个60度的扇形凸台，所述扇形凸台的内弧面在内环面上；在任意两个扇形凸台之间的圆盘上等间距设置多个第一通孔，在每个第一圆孔沿着直径向外的方向上设置一个第二通孔，所述第二通孔和第一通孔的距离小于所述扇面空腔的外弧和内弧的距离，当Rijke管插入所述装置，所述第二通孔位于Rijke管的外部。

进一步的，所述连通部件的外边缘处设置第一调整杆，用于旋转连通部件；所述阻抗调整部件的外边缘设置第二调整杆，用于旋转阻抗调整环。

进一步的，所述阻抗调整部件的三个扇形凸台的内弧面与所述底部环形圆盘的中空圆柱接触，所述阻抗调整部件的三个扇形凸台的外弧面与Rijke管的内表面接触。

进一步的，所述第一通孔的大小由Rijke管的边界阻抗的调节精度确定，所述第一通孔的数量由Rijke管的边界阻抗的调节范围确定。

第二方面，本申请实施例提供了一种Rijke管边界耗散的定量调节方法，应用于本申请实施例的Rijke管边界耗散的定量调节装置，包括：

将阻抗调整部件与连通部件同轴装配，使阻抗调整部件的所有通孔均在连通部件三个扇形空腔的上方；

将点火后的圆形Rijke管插入阻抗调整部件上；

调整Rijke管内与外界连通的第一通孔的数量，对Rijke管的边界阻抗进行定量调节。

进一步的，当所述第一调整杆和第二调整杆对齐时，所述装置处于全通模式， 该模式下Rijke管内的耗散系数最大，边界反射系数最小。

进一步的，当所述第一调整杆和第二调整杆的夹角为60度，所述装置处于闭口模式，获取该模式下Rijke管内的边界反射系数R _r ，则边界阻抗Z为：

式中，ρ是局部密度，c是局部声速。

进一步的，调整Rijke管内与外界连通的第一通孔的数量，实现Rijke管的边界阻抗的调节，包括：

通过标定实验，获取Rijke管的边界阻抗和与外界连通的第一通孔的数量的线性函数的参数a和b；

旋转第一调整杆或第二调整杆，使与外界连通的第一通孔的数量为x，则Rijke管的边界阻抗Z为：

Z＝ax+b

其中，x≥1。

本申请实施例的装置能够定量调整Rijke管的边界阻抗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的Rijke管边界耗散的定量调节装置的整体结构示意图；

图2是本申请实施例提供的Rijke管边界耗散的定量调节装置俯视示意图；

图3是本申请实施例提供的连通部件示意图；

图4是本申请实施例提供的阻抗调整部件示意图；

图5是本申请实施例提供的Rijke管边界耗散的定量调节方法的流程图；

图6是本申请实施例提供实验测量的不同工作模式的反射系数幅值；

图7是本申请实施例提供实验测量的不同工作模式的反射系数相位。

图标：101-连通部件，102-阻抗调整部件，103-Rijke管。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

首先对本申请实施例的设计思想进行简单介绍。

为了解决Rijke管实验中缺乏边界条件的改变方法这一现状，拓宽Rijke管实验的研究内容，本申请提出一种Rijke管边界耗散的定量调节装置，安装在Rijke管的一端，通过调节Rijke管内外空气连通区域的大小，从而实现Rijke管边界阻抗大小的定量调节。

本申请的装置包括底部的连通部件和上方的阻抗调节部件，两者为同轴安装的环形圆盘体；在连通部件设置空腔，在阻抗调节部件设置多个通孔；当Rijke管插入装置后，通过调节Rijke管内与外界流通的通孔的数量，实现Rijke管边界阻抗的定量可调，便于在实验中调整Rijke管的边界条件以拓宽实验范围。

本申请实施例的装置能够定量调整Rijke管的边界阻抗，在振荡强烈时可增大耗散使火焰得以维持，振荡微弱时可增大边界反射系数使火焰更易振荡。

在介绍了本申请实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本申请实施例提供的技术方案进行说明。

如图1和图2所示，本申请实施例提供了一种Rijke管边界耗散的定量调节装置，包括同轴安装的连通部件101和阻抗调整部件102，其中，两者均为环形圆盘体，连通部件101在阻抗调整部件102的下方。

如图3所示，连通部件101的内环处设置一个中空圆柱，保证Rijke管内外具有足够的连接空间以保证最大耗散。环形圆盘面被均匀划分为6个扇面，其中间隔的三个扇面处分别设置一个大小相同的扇形空腔，所述扇形空腔的内弧在中空圆柱的外表面上，所述扇形空腔的外弧在环形圆盘的外环内；扇形空腔用于与阻抗调整部件102配合实现Rijke管内外环境的连通。在圆盘的外边缘处设置一个第一调整杆，用于旋转连通部件101。

如图4所示，所述阻抗调整部件102为环形圆盘体，在圆盘面的内环向外处等间隔设置三个60度的扇形凸台，所述扇形凸台的内弧面在内环面上；在任意两个扇形凸台之间的圆盘上等间距设置6个第一通孔，在每个第一圆孔沿着直径向外的方向上设置一个第二通孔，所述第二通孔和第一通孔的距离小于所述扇面空腔的外弧和内弧的距离。第一通孔的大小由Rijke管的边界阻抗的调节精度确定，第一通孔的数量由Rijke管的边界阻抗的调节范围确定。

所述阻抗调整部件的三个扇形凸台的内弧面卡住所述底部环形圆盘的中空圆柱，所述三个扇形凸台的外弧面固定Rijke管。所述阻抗调整部件的外边缘设置第二调整杆，用于旋转阻抗调整部件102。

所述连通部件101和阻抗调整部件102均由金属材料制成。连通部件101的上表面和阻抗调整部件102的下表面需保证表面粗糙度以实现紧密贴合。

Rijke管103为50cm长石英管，内径40mm，外径50mm。三个凸台的外弧半径略小于40mm，当Rijke管103插入本实施例的装置，第二通孔位于Rijke管103的外部。

基于上述实施例的装置，如图5所示，本申请实施例提供了一种Rijke管边界耗散的定量调节方法，包括如下步骤：

步骤201：将阻抗调整部件与连通部件同轴装配，使阻抗调整部件的所有通孔均在连通部件三个扇形空腔的上方；

步骤202：将点火后的圆形Rijke管插入阻抗调整部件上；

步骤203：调整Rijke管内与外界连通的第一通孔的数量，对Rijke管的边界阻抗进行定量调节。

所述装置的工作模式包括闭口模式、全通模式和可调模式。其中，闭口模式为阻抗调整部件102上所有的第一通孔均被三个扇形凸台遮住。全通模式为阻抗调整部件102上所有的第一通孔均未被三个扇形凸台遮住，Rijke管内外连通面积最大，Rijke管内的耗散系数最大，边界反射系数最小。当第一调整杆和第二调整杆对齐时装置处于全通模式，当二者成60度时装置处于闭口模式。

旋转第一调整杆或第二调整杆，将该装置在所述闭口模式和所述全通模式之间调节，通过调整阻抗调整部件上与外界连通的第一通孔的数量，可以实现Rijke管边界阻抗的定量可调。

当所述第一调整杆和第二调整杆对齐时，所述装置处于全通模式， 该模式下Rijke管内的耗散系数R _d 最大，边界反射系数R _r 最小，其中，R _d ＋R _r ＝1。

当所述第一调整杆和第二调整杆的夹角为60度，所述装置处于闭口模式，获取该模式下Rijke管内的边界反射系数R _r ，则边界阻抗Z为：

式中，ρ是局部密度，c是局部声速。

在本实施例中，调整Rijke管内与外界连通的第一通孔的数量，实现Rijke管的边界阻抗的调节，包括：

通过标定实验，获取Rijke管的边界阻抗和与外界连通的第一通孔的数量的线性函数的参数a和b；

旋转第一调整杆或第二调整杆，使与外界连通的第一通孔的数量为x，则Rijke管的边界阻抗Z为：

Z＝ax+b

其中，x≥1。

本申请实施例中，装置的操作步骤为：

将连通部件101和阻抗调整部件102配合安装完成，调整装置至全通模式；

点燃Rijke管中心的预混气体，将Rijke管插入阻抗调整部件102；

旋转第一调整杆或第二调整杆，使Rijke管内火焰稳定振荡。

对本申请实施例的Rijke管边界耗散的定量调节装置进行实验，该装置从闭口模式、可调模式到全通模式，实验结果如图6和图7所示，根据测量结果可以看出，本实施例的装置能够实现边界反射系数的定量调节，便于实现复杂实验的边界条件需求。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本申请方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种Rijke管边界耗散的定量调节装置，其特征在于，包括：连通部件和阻抗调整部件，两者为同轴安装的环形圆盘体；其中，所述连通部件用于实现Rijke管内外空气的连通；所述阻抗调整部件用于调整Rijke管内外空气连通区域的大小；

所述连通部件的内环处设置一个中空圆柱；环形圆盘面被均匀划分为6个扇面，其中间隔的三个扇面处分别设置一个大小相同的扇形空腔，所述扇形空腔的内弧在中空圆柱的外表面上，所述扇形空腔的外弧在环形圆盘的外环内；

所述阻抗调整部件的圆盘面的内环向外处等间隔设置三个60度的扇形凸台，所述扇形凸台的内弧面在内环面上；在任意两个扇形凸台之间的圆盘上等间距设置多个第一通孔，在每个第一圆孔沿着直径向外的方向上设置一个第二通孔，所述第二通孔和第一通孔的距离小于所述扇形空腔的外弧和内弧的距离，当Rijke管插入所述装置，所述第二通孔位于Rijke管的外部；

所述连通部件的外边缘处设置第一调整杆，用于旋转连通部件；所述阻抗调整部件的外边缘设置第二调整杆，用于旋转阻抗调整环。

2.根据权利要求1所述的Rijke管边界耗散的定量调节装置，其特征在于，所述阻抗调整部件的三个扇形凸台的内弧面与所述连通部件环形圆盘的中空圆柱接触，所述阻抗调整部件的三个扇形凸台的外弧面与Rijke管的内表面接触。

3.根据权利要求2所述的Rijke管边界耗散的定量调节装置，其特征在于，所述第一通孔的大小由Rijke管的边界阻抗的调节精度确定，所述第一通孔的数量由Rijke管的边界阻抗的调节范围确定。

4.一种Rijke管边界耗散的定量调节方法，其特征在于，应用于权利要求1-3任一项所述的Rijke管边界耗散的定量调节装置，包括：

将阻抗调整部件与连通部件同轴装配，使阻抗调整部件的所有通孔均在连通部件三个扇形空腔的上方；

将点火后的圆形Rijke管插入阻抗调整部件上；

调整Rijke管内与外界连通的第一通孔的数量，对Rijke管的边界阻抗进行定量调节。

5.根据权利要求4所述的Rijke管边界耗散的定量调节方法，其特征在于，当所述第一调整杆和第二调整杆对齐时，所述装置处于全通模式， 该模式下Rijke管内的耗散系数最大，边界反射系数最小。

6.根据权利要求4所述的Rijke管边界耗散的定量调节方法，其特征在于，当所述第一调整杆和第二调整杆的夹角为60度，所述装置处于闭口模式，获取该模式下Rijke管内的边界反射系数R _r ，则边界阻抗Z为：

式中，ρ是局部密度，c是局部声速。

7.根据权利要求4所述的Rijke管边界耗散的定量调节方法，其特征在于，调整Rijke管内与外界连通的第一通孔的数量，实现Rijke管的边界阻抗的调节，包括：

通过标定实验，获取Rijke管的边界阻抗和与外界连通的第一通孔的数量的线性函数的参数a和b；

旋转第一调整杆或第二调整杆，使与外界连通的第一通孔的数量为x，则Rijke管的边界阻抗Z为：

Z＝ax+b

其中，x≥1。

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