[发明专利]一种周向非均匀声衬的热声不稳性预测方法及系统

说明书

本发明提供了一种周向非均匀声衬的热声不稳性预测方法，包括如下步骤：根据硬壁面条件下的波动方程得到进口区域、声衬前区域和出口区域的波数形成声网络单元，得到压力扰动和声质点速度；根据带声衬段的燃烧室主管道的格林函数，得到等价分布源在燃烧室主管道内的散射声场；确定声衬夹角的第X个扇形背腔的格林函数；得出穿孔板声衬等价分布源在第X背腔内的散射声场；建立了带声衬段的声传递单元；通过确定界面守恒匹配条件，建立周向非均匀声衬的三维热声不稳定性预测控制模型。本发明通过求解周向非均匀声衬的三维热声不稳定性预测控制模型，根据燃烧系统的热声共振频率和增长率，对燃烧系统稳定性预测分析。

技术领域

本发明涉及燃烧动力系统热领域，特别涉及一种周向非均匀声衬的热声不稳性预测方法及系统。

背景技术

在火箭发动机、军/民用航空发动机、地面燃气轮机动力系统研制过程中遇到最为棘手的问题之一是热声不稳定性问题。热声不稳定性问题是火焰对声波的非定常响应导致的非定常热释放与燃烧室内各种扰动源产生的声波之间的充分耦合导致的。如果系统内的声耗散量不足以消耗燃烧转化的声能量，系统内就会出现大幅度的压力脉动，影响发动机的正常工作，严重时甚至能够烧蚀燃烧室，带来机毁人亡的严重后果。随着动力系统性能参数的升级换代，如能量密度的进一步提高，排放的进一步降低，都会诱发更严重复杂的热声不稳定性问题。这些问题对传统的热声不稳定性预测控制带来了进一步的挑战。

对于热声不稳定性的控制方法主要分为主动控制和被动控制。主动控制主要基于“反声”思想，根据燃烧室已有的压力脉动信号，利用激励器输入合适相位的脉动信号以实现主动控制。不过，主动控制需要在燃烧室内布置耐高温脉动压力传感器、高频激励器以及设计复杂的控制算法，如果设计不够准确，往往会导致严重的负面效果。因此，具有宽频吸声效果的被动方法穿孔板声衬在热声不稳定性控制方面得到了广泛应用。且已有相关模型方法进行声衬控制效果的优化设计。

对包含有周向均匀声衬的燃烧系统的热声不稳定性预测控制模型的建立，难点在于声衬段内声场的描述，即如何将声衬段内声场表示为界面入射模态系数的显式表达式。基于等价分布源思想的传递单元方法(Sun X,Wang X,Du L,et al.A new model for theprediction of turbofan noise with the effect of locally and non-locallyreacting liners[J].Journal of Sound and Vibration,2008,316(1-5):50-68)，将穿孔板壁面看作等价连续分布的单极子声源，由于均匀的声衬结构，可以将声衬表面等价声质点速度进行轴向级数展开，结合穿孔板的声阻抗模型，建立阻抗方程，再结合声衬前后端的界面匹配条件，即可以求得声衬段内声波关于界面入射模态系数的显式表达式。硬壁面段内声场，通过求解波动方程可以得到模态展开形式，这样在不同界面建立守恒匹配条件，得到一系列封闭的方程组，通过求解方程组系数矩阵的复特征频率，可以分析该燃烧系统的热声稳定性，其中复特征频率的实部表示包含声衬燃烧系统的特征频率，在扰动量取e^iωt的时间依赖项条件下，虚部的相反数表示包含声衬的燃烧系统的热声稳定性，其为正表示系统不稳定，负则表示系统稳定。

已有的处理含声衬的燃烧系统热声不稳定性模型只能考虑周向均匀声衬。但是周向均匀声衬控制热声不稳定性的能力难以进一步的提高，特别是针对燃烧系统内常出现的周向热声不稳定模态。这是因为周向均匀声衬可改变参数只有穿孔板参数及穿孔板背腔深度，这些参数的改变对于控制轴向模态有较好的效果，但是对于低频的周向模态的控制效果难以有显著提高。这是因为周向均匀声衬的背腔周向尺度与燃烧室的周向尺度基本一致，因此在热声共振频率下，声衬背腔内与燃烧室腔体内的声模态分布接近一致，在穿孔板阻抗不变的条件下，声衬的声耗散能力正比于穿孔板两侧的声压差，因此在这种声衬结构条件下，其控制效果较弱。一种较为简单实施的措施是在背腔内加入周向隔板改变背腔内的声模态分布，从而提高声衬背腔和燃烧室内的声压差异，以提高对周向模态的控制效果。但现有模型没有考虑包含非均匀形式分布扇形背腔的声衬的情况。

发明内容