【摘要】：燃燒聲學(xué)研究的興起,為火災(zāi)探測(cè)以及火場(chǎng)診斷提供了新的思路。除熱傳遞與熱產(chǎn)物外,火焰自身產(chǎn)生的聲信號(hào)同樣可攜帶火場(chǎng)信息。聲學(xué)與燃燒學(xué)的結(jié)合,可以提高對(duì)火災(zāi)認(rèn)識(shí)的全面性。然而,受限于多學(xué)科耦合的復(fù)雜性,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段對(duì)火焰中熱聲問(wèn)題的研究比較困難。相比之下,直接數(shù)值模擬可以提供詳細(xì)的火場(chǎng)與聲場(chǎng)數(shù)據(jù)。非預(yù)混燃燒是火災(zāi)過(guò)程中的主要燃燒形式。然而由于早期熱聲理論的限制,現(xiàn)有研究對(duì)非預(yù)混燃燒聲場(chǎng)的認(rèn)識(shí)尚未完善�；诖�,本文將利用直接數(shù)值模擬的方法對(duì)非預(yù)混火焰的聲學(xué)特性進(jìn)行詳細(xì)研究。本文的研究?jī)?nèi)容包括四個(gè)方面:(1)為非預(yù)混火焰中的熱聲問(wèn)題研究構(gòu)筑高精度數(shù)值模擬平臺(tái),并實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)與火場(chǎng)的同步求解。(2)探討非預(yù)混火焰中的剪切層流動(dòng)對(duì)燃燒聲場(chǎng)的影響,確定燃燒聲源的生成和演化機(jī)理。(3)對(duì)非預(yù)混火焰中各類流動(dòng)不穩(wěn)定性對(duì)噪聲過(guò)程的影響進(jìn)行解耦研究,探討在各類不穩(wěn)定性的主導(dǎo)作用下燃燒聲源的分布趨勢(shì)。(4)利用低階模型的概念,構(gòu)筑低階聲學(xué)模型并推導(dǎo)一維聲壓輸運(yùn)方程,以此研究非預(yù)混火焰的局部聲學(xué)響應(yīng)特性。為使聲場(chǎng)預(yù)測(cè)與火場(chǎng)模擬同步進(jìn)行,本文在直接模擬程序中耦合了Lilley三階聲類比方程。通過(guò)低階量的引入,聲方程可以被降為一階,其中由流場(chǎng)擴(kuò)張相關(guān)量構(gòu)筑的源項(xiàng)被定義為燃燒聲源。由直接模擬結(jié)果實(shí)時(shí)計(jì)算聲方程源項(xiàng)值,可以實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)與火場(chǎng)數(shù)據(jù)的同步采集。聲方程求解算法的有效性驗(yàn)證將通過(guò)對(duì)比其預(yù)測(cè)聲譜與直接模擬聲譜完成。在火焰中不穩(wěn)定剪切流可自維持產(chǎn)生的基礎(chǔ)上,通過(guò)普朗特?cái)?shù)改變非預(yù)混火焰中的剪切效應(yīng),以此控制不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)在火焰各處的生成能力,進(jìn)而研究剪切效應(yīng)影響燃燒噪聲的詳細(xì)過(guò)程。計(jì)算結(jié)果表明,剪切層中的渦旋是產(chǎn)生燃燒噪聲的主要因素。其中,火焰上游的渦旋主要影響著低頻聲信號(hào),火焰下游區(qū)域的渦旋會(huì)影響高頻聲信號(hào)。結(jié)合渦量輸運(yùn)方程對(duì)聲源瞬態(tài)結(jié)構(gòu)的分析可知,非預(yù)混火焰中燃燒聲源的生成受控于熱浮力,聲源的蔓延受控于斜壓扭矩。進(jìn)一步分析表明,熱浮力會(huì)對(duì)聲源發(fā)展起促進(jìn)作用,而體積膨脹及渦旋拉伸會(huì)對(duì)聲源發(fā)展起抑制作用。非預(yù)混火焰中的渦旋可細(xì)分為受浮力不穩(wěn)定性影響的火焰面外側(cè)渦旋,以及受射流不穩(wěn)定性影響的火焰面內(nèi)側(cè)渦旋。通過(guò)改變無(wú)量綱數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)兩類不穩(wěn)定性的解耦。單一浮力不穩(wěn)定性影響的模擬工況表明,浮力不穩(wěn)定性強(qiáng)度與非預(yù)混火焰燃燒噪聲的聲壓級(jí)以及峰值頻率均呈正相關(guān)。當(dāng)浮力的影響小于均勻浮力作用(Fr=1.0)時(shí),其主要影響低頻聲信號(hào),反之則會(huì)影響到高頻聲信號(hào)。單一射流不穩(wěn)定性影響的模擬工況表明,射流不穩(wěn)定性強(qiáng)度在無(wú)浮力火焰中會(huì)沿流向逐漸遞減,因此其主要影響著火焰上游聲源的發(fā)展。強(qiáng)度較弱的射流不穩(wěn)定性無(wú)法產(chǎn)生明確的聲學(xué)響應(yīng),而較強(qiáng)的射流不穩(wěn)定性會(huì)發(fā)展為燃燒聲場(chǎng)的主導(dǎo)聲學(xué)模式。最后,本文通過(guò)構(gòu)筑聲壓傳遞函數(shù),研究了非預(yù)混火焰在兩類不穩(wěn)定性綜合作用下的局部聲學(xué)響應(yīng)特性。時(shí)域分析結(jié)果表明,兩類不穩(wěn)定性對(duì)不同火焰位置處的聲壓脈動(dòng)存在著促進(jìn)或是抑制作用,具體形式由其強(qiáng)度的相對(duì)大小決定。頻域中幅頻特性的分析結(jié)果表明,弱射流不穩(wěn)定性的噪聲響應(yīng)會(huì)隨浮力影響的增大逐漸被抑制,而強(qiáng)射流不穩(wěn)定性會(huì)忽略浮力的限制,被火焰放大為聲壓級(jí)和峰值頻率均固定的聲信號(hào)。相頻特性的分析結(jié)果表明,非預(yù)混火焰的噪聲響應(yīng)速率與浮力不穩(wěn)定性強(qiáng)度成正比。浮力影響越大噪聲響應(yīng)速率越快,反之則越慢。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ038;TB5
【圖文】：

第１章引邋言性主要受燃燒條件的控制，符合早期燃燒聲學(xué)理論中“遠(yuǎn)場(chǎng)聲信號(hào)特征只釋放速率脈動(dòng)相關(guān)，其他燃燒特征如燃料類型、湍流結(jié)構(gòu)等均可忽略”的１８］。因此，前人對(duì)直接噪音的研宄多圍繞預(yù)混燃燒工況進(jìn)行［１＾２４】，這也成接噪聲研宄的局限性。早期的熱聲理論會(huì)將預(yù)混火焰整體處理為聲場(chǎng)中形聲源，從而使研究者更加關(guān)注火焰遠(yuǎn)場(chǎng)處的聲信號(hào)特征，進(jìn)而忽視了燃區(qū)中不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性，也忽略了燃燒聲源的生成和演化過(guò)程。逡逑

由前文所述的推導(dǎo)假設(shè)條件可知，若想要單極源模型成立，觀察點(diǎn)的位置必逡逑須遠(yuǎn)大于控制面Ａ的最大內(nèi)徑。因此，單極源模型常用于研[側(cè)忌趙胍艫腦渡義銑√卣鰲Ｍ跡保癡故玖絲趴占渲械ゼ瓷〉氖疽饌�。而峨s誚∥侍猓ュ義霞茨Ｐ陀捎諂浜雎粵嘶鷓婺誆康娜忌蘸土鞫�，模型的Xげ餼然崾艿接板義舷歟⒉荒芎芎玫姆從Τ齷鷓娼峁褂肴忌丈≈淶墓叵怠Ｏ啾戎攏諏魈邋義銜⒃刂鋪宸治鐾頻汲齙畝嗉茨Ｐ湍芨玫慕沂痙竊せ旎鷓嫻納煊μ匭浴ｅ義蟙蕳

本文編號(hào)：2737819