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非预混火焰声学响应特性的直接数值模拟研究

熊才溢  
【摘要】:燃烧声学研究的兴起,为火灾探测以及火场诊断提供了新的思路。除热传递与热产物外,火焰自身产生的声信号同样可携带火场信息。声学与燃烧学的结合,可以提高对火灾认识的全面性。然而,受限于多学科耦合的复杂性,传统的实验手段对火焰中热声问题的研究比较困难。相比之下,直接数值模拟可以提供详细的火场与声场数据。非预混燃烧是火灾过程中的主要燃烧形式。然而由于早期热声理论的限制,现有研究对非预混燃烧声场的认识尚未完善。基于此,本文将利用直接数值模拟的方法对非预混火焰的声学特性进行详细研究。本文的研究内容包括四个方面:(1)为非预混火焰中的热声问题研究构筑高精度数值模拟平台,并实现声场与火场的同步求解。(2)探讨非预混火焰中的剪切层流动对燃烧声场的影响,确定燃烧声源的生成和演化机理。(3)对非预混火焰中各类流动不稳定性对噪声过程的影响进行解耦研究,探讨在各类不稳定性的主导作用下燃烧声源的分布趋势。(4)利用低阶模型的概念,构筑低阶声学模型并推导一维声压输运方程,以此研究非预混火焰的局部声学响应特性。为使声场预测与火场模拟同步进行,本文在直接模拟程序中耦合了Lilley三阶声类比方程。通过低阶量的引入,声方程可以被降为一阶,其中由流场扩张相关量构筑的源项被定义为燃烧声源。由直接模拟结果实时计算声方程源项值,可以实现声场与火场数据的同步采集。声方程求解算法的有效性验证将通过对比其预测声谱与直接模拟声谱完成。在火焰中不稳定剪切流可自维持产生的基础上,通过普朗特数改变非预混火焰中的剪切效应,以此控制不稳定流动结构在火焰各处的生成能力,进而研究剪切效应影响燃烧噪声的详细过程。计算结果表明,剪切层中的涡旋是产生燃烧噪声的主要因素。其中,火焰上游的涡旋主要影响着低频声信号,火焰下游区域的涡旋会影响高频声信号。结合涡量输运方程对声源瞬态结构的分析可知,非预混火焰中燃烧声源的生成受控于热浮力,声源的蔓延受控于斜压扭矩。进一步分析表明,热浮力会对声源发展起促进作用,而体积膨胀及涡旋拉伸会对声源发展起抑制作用。非预混火焰中的涡旋可细分为受浮力不稳定性影响的火焰面外侧涡旋,以及受射流不稳定性影响的火焰面内侧涡旋。通过改变无量纲数,实现对两类不稳定性的解耦。单一浮力不稳定性影响的模拟工况表明,浮力不稳定性强度与非预混火焰燃烧噪声的声压级以及峰值频率均呈正相关。当浮力的影响小于均匀浮力作用(Fr=1.0)时,其主要影响低频声信号,反之则会影响到高频声信号。单一射流不稳定性影响的模拟工况表明,射流不稳定性强度在无浮力火焰中会沿流向逐渐递减,因此其主要影响着火焰上游声源的发展。强度较弱的射流不稳定性无法产生明确的声学响应,而较强的射流不稳定性会发展为燃烧声场的主导声学模式。最后,本文通过构筑声压传递函数,研究了非预混火焰在两类不稳定性综合作用下的局部声学响应特性。时域分析结果表明,两类不稳定性对不同火焰位置处的声压脉动存在着促进或是抑制作用,具体形式由其强度的相对大小决定。频域中幅频特性的分析结果表明,弱射流不稳定性的噪声响应会随浮力影响的增大逐渐被抑制,而强射流不稳定性会忽略浮力的限制,被火焰放大为声压级和峰值频率均固定的声信号。相频特性的分析结果表明,非预混火焰的噪声响应速率与浮力不稳定性强度成正比。浮力影响越大噪声响应速率越快,反之则越慢。


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