CN117804782A - 一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，属于声学和燃烧学技术领域，包括：信号发生器，发声装置，工作台，燃烧器和实时监测装置；信号发生器连接设置在工作台上并分别与两个发声装置电连接，两个发声装置相对设置并连接设置在工作台上，两个发声装置之间对应设置有燃烧器，燃烧器连接设置在工作台上，燃烧器的火焰中心轴线与两个发声装置设置在同一个水平上，实时监测装置设置在燃烧器附近并连接设置在工作台上，本发明具有装置结构紧凑，能够研究不同的声波频率、振幅、相位下的火焰形状、面积、亮度以及火焰曲率响应状况，为揭示声场下的火焰响应机制以及改善燃烧稳定性提供理论基础的优点。
Description
技术领域
本发明属于声学和燃烧学技术领域，更具体的说是涉及一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置。
背景技术
经济发展离不开动力装置的支持，然而，发动机领域仍然面临着一系列的挑战，如污染物排放及燃烧不稳定等问题。氢燃料在航空发动机、空天推进系统和燃气轮机等领域的应用可以实现零碳排放，对于缓解全球气候变化和保护环境具有重要意义。很多的机构与部门便围绕氢燃料提出了一系列的发展计划。氢燃料无疑在未来能源中具有很大的发展潜力，但是与此同时，热声燃烧不稳定问题成为了限制其发展的阻力。
研究者发现，氢气燃料燃烧发声热声振荡的倾向要远大于传统的碳氢燃料，高强度的震动可能使材料发声疲劳失效，从而严重损坏燃烧室。热声不稳定性问题涉及声波和火焰的相互作用和复杂耦合，在实际的燃烧室内，火焰燃烧产生声压振荡，经过反射声波能量会重新作用于火焰上，进而对燃烧稳定性产生影响，横向声激励可以带来垂直于湍流的巨大力，它已被归类为液体火箭和燃气轮机中的有害不稳定性之一，火焰动态性主要受火焰形状和火焰位置的影响，燃料组分或者当量比发声变化的时候，火焰形状和火焰位置均会发声变化，放热率的振荡与火焰表面的振荡密切相关。在实际发动机燃烧室中，自激振荡产生的声场复杂多变，并且不易测量，因此，采用解耦的思路，在开放空间内施加横向强制声场研究多变量的声场参数对氢气火焰的影响，为改善燃烧稳定性提供理论基础。
目前，现有的试验装置多采用纵向施加声场的方式研究声波对火焰的影响，且很多采用预混当量燃烧的方式进行燃烧试验，而氢气燃烧考虑到NOX排放的问题，多使用稀薄燃烧，因此需要一种能够提供稀薄燃气和横向声场的试验装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，具有装置结构紧凑，能够研究不同的声波频率、振幅、相位下的火焰形状、面积、亮度以及火焰曲率响应状况，为揭示声场下的火焰响应机制以及改善燃烧稳定性提供理论基础的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，包括：信号发生器，发声装置，工作台，燃烧器和实时监测装置；所述信号发生器连接设置在工作台上并分别与两个所述发声装置电连接，两个所述发声装置相对设置并连接设置在所述工作台上，两个所述发声装置之间对应设置有所述燃烧器，所述燃烧器连接设置在所述工作台上，所述燃烧器的火焰中心轴线与两个所述发声装置设置在同一个水平上，所述实时监测装置设置在所述燃烧器附近并连接设置在所述工作台上。
进一步地，所述发声装置采用扬声器，两个所述扬声器的输出端相对设置在所述燃烧器的正对两侧。
进一步地，所述信号发生器与两个所述发声装置之间连接设置有功率放大器。
进一步地，所述发声装置与所述燃烧器之间设置有渐缩管和直管，所述发声装置、所述渐缩管和所述直管依次连接。
进一步地，所述发声装置与所述渐缩管之间通过法兰盘连接。
进一步地，所述直管的直径D与所述发声装置的声波波长λ之间的关系满足D/λ<0.5。
进一步地，两个所述发声装置的输出声场为驻波。
进一步地，还包括H2气瓶、N2气瓶和Ai r气瓶，所述H2气瓶和所述N2气瓶的输出管路合到一起预混后为所述燃烧器提供燃料，所述Ai r气瓶为燃烧器提供伴流气体。
进一步地，所述H2气瓶、所述N2气瓶和所述Ai r气瓶的输出管路上分别设置有第一流量计、第二流量计和第三流量计。
进一步地，所述实时监测装置采用高速相机。
本发明的有益效果：
装置结构紧凑，能够研究不同的声波频率、振幅、相位下的火焰形状、面积、亮度以及火焰曲率响应状况，为揭示声场下的火焰响应机制以及改善燃烧稳定性提供理论基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为无声波时的火焰形状示意图。
图3为扬声器的声波为(f＝60Hz,I＝52v)作用时的火焰形状示意图。
其中，图中：
1-工作台；2-信号发生器；3-燃烧器；4-扬声器；5-功率放大器；6-渐缩管；7-直管；8-法兰盘；9-H2气瓶；10-N2气瓶；11-Ai r气瓶；12-第一流量计；13-第二流量计；14-第三流量计；15-高速相机。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
请参阅附图1-3，本发明提供了一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，其特征在于，包括：信号发生器2，发声装置，工作台1，燃烧器3和实时监测装置；信号发生器2能够产生特定频率和振幅的正弦波波形、方波波形和锯齿波波形。信号发生器2连接设置在工作台1上并分别与两个发声装置电连接，发声装置能够将信号发生器2的电信号转化为声信号，两个发声装置相对设置并连接设置在工作台1上，两者之间相距30mm，两个发声装置之间对应设置有燃烧器3，燃烧器3连接设置在工作台1上，燃烧器3的火焰中心轴线与两个发声装置设置在同一个水平上，实时监测装置设置在燃烧器3附近并连接设置在工作台1上。发声装置采用扬声器4，两个扬声器4的输出端相对设置在燃烧器3的正对两侧。信号发生器2与两个发声装置之间连接设置有功率放大器5，将信号发生器2的信号振幅放大，使最终的声波振幅参数的可变研究范围更广。发声装置与燃烧器3之间设置有渐缩管6和直管7，发声装置、渐缩管6和直管7依次连接。发声装置与渐缩管6之间通过法兰盘8连接。直管7的直径D与发声装置的声波波长λ之间的关系满足D/λ<0.5。两个发声装置的输出声场为驻波。还包括H2气瓶、N2气瓶和Ai r气瓶，H2气瓶和N2气瓶的输出管路合到一起预混后为燃烧器3提供燃料，Ai r气瓶为燃烧器3提供伴流气体。H2气瓶、N2气瓶和Ai r气瓶的输出管路上分别设置有第一流量计12、第二流量计13和第三流量计14，以此来控制燃料的空燃比。实时监测装置采用高速相机15。燃烧器3产生的火焰在扬声器4的作用下会产生周期性的振荡，通过高速相机15记录，提供数据供后续分析。
具体测试步骤如下：
步骤一：将扬声器4和渐缩管6通过法兰盘8和螺钉连接，渐缩管6的截面为圆台形，渐缩管6的大圆半径和扬声器4的半径相同，小圆半径与直管7半径相同，直管7的直径D与扬声器4的声波波长λ之比小于0.5(D/λ<0.5)；
步骤二：通过不锈钢限位支架将两套扬声器4和渐缩管6和直管7固定在光学试验台上，两个对置扬声器4输出声场为驻波声，便于观测声波相位对火焰燃烧的影响；
步骤三：将燃烧器3通过不锈钢限位支架固定在光学实验台上，燃烧器3中心轴线与水平方向上的两个扬声器4之间的距离保持一致，满足两个声源发出相同频率，振幅，方向相反时能产生驻波现象的条件；
步骤四：设定第一流量计12、第二流量计13和第三流量计14的质量流量，H2和N2预混后进入燃烧器3，空气作为伴流气体，使初始火焰保持稳定状态；
步骤五：开启信号发生器2和功率放大器5，使置于火焰两端的扬声器4产生特定频率和振幅的声波，经渐缩管6和直管7作用在火焰上，使火焰发生规律性的脉动燃烧，开启高速相机15对火焰脉动状态进行记录，以便后续总结规律和理论分析。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，其特征在于，包括：信号发生器，发声装置，工作台，燃烧器和实时监测装置；
所述信号发生器连接设置在工作台上并分别与两个所述发声装置电连接，两个所述发声装置相对设置并连接设置在所述工作台上，两个所述发声装置之间对应设置有所述燃烧器，所述燃烧器连接设置在所述工作台上，所述燃烧器的火焰中心轴线与两个所述发声装置设置在同一个水平上，所述实时监测装置设置在所述燃烧器附近并连接设置在所述工作台上。
2.根据权利要求1所述的一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，其特征在于，所述发声装置采用扬声器，两个所述扬声器的输出端相对设置在所述燃烧器的正对两侧。
3.根据权利要求1所述的一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，其特征在于，所述信号发生器与两个所述发声装置之间连接设置有功率放大器。
4.根据权利要求1所述的一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，其特征在于，所述发声装置与所述燃烧器之间设置有渐缩管和直管，所述发声装置、所述渐缩管和所述直管依次连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，其特征在于，所述发声装置与所述渐缩管之间通过法兰盘连接。
6.根据权利要求4所述的一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，其特征在于，所述直管的直径D与所述发声装置的声波波长λ之间的关系满足D/λ<0.5。
7.根据权利要求1所述的一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，其特征在于，两个所述发声装置的输出声场为驻波。
8.根据权利要求1所述的一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，其特征在于，还包括H2气瓶、N2气瓶和Air气瓶，所述H2气瓶和所述N2气瓶的输出管路合到一起预混后为所述燃烧器提供燃料，所述Air气瓶为燃烧器提供伴流气体。
9.根据权利要求8所述的一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，其特征在于，所述H2气瓶、所述N2气瓶和所述Air气瓶的输出管路上分别设置有第一流量计、第二流量计和第三流量计。
10.根据权利要求1所述的一种用于研究施加横向声场时火焰动态响应的试验装置，其特征在于，所述实时监测装置采用高速相机。
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