● 摘要
燃烧不稳定性控制是航空航天动力装置研制过程中的重大关键技术之一，对燃烧不稳定机理的认识对于缩短发动机型号研制周期，节约研制费用具有重要意义。本文选择Helmholtz型低频脉动燃烧装置作为研究对象，围绕课题组在研制Helmholtz型脉动燃烧装置过程中发现的反应物混合、谐振腔串联结构对振荡影响的两个新现象开展研究。所获得的研究结果不仅可直接应用于Helmholtz型燃烧装置的研制，同时对于深入认识不稳定燃烧机理也具有重要的科学价值。论文的具体研究内容如下：
设计并建立了Helmholtz型低频脉动燃烧装置的小型试验台；在常用的双极型离子探针的基础上，考虑温差电势的影响，研制了具有温度补偿特性的三极离子探针用于燃烧室内离子浓度的空间分布测量；并对探针的工作原理、工作特性、温差电势影响及温度补偿效果进行了讨论。研究结果表明，三极离子探针可以用于测量燃烧室内离子浓度的分布，并能够有效地消除温差电势对测量结果的影响。
针对反应物混合对热声耦合振荡影响问题，选择双股射流作为模型喷注单元，利用所研制的离子探针，对双股射流火焰空间各点的离子电流进行了详细的测量，同时结合数值仿真得到的浓度场、当量比分布等参数，对反应物混合影响热声耦合振荡过程的机理进行了研究。研究结果表明，富燃区是激励热声耦合过程的重要因素；反应物混合影响热声耦合的机理是通过燃料的聚集与分散来影响燃烧反应速度，进而影响瑞利准则描述的放热驱动压强振荡的时间条件发挥作用的。
针对双谐振腔串联结构对燃烧装置热声耦合振荡影响问题，建立了带燃烧反应的双谐振腔内压强振荡的非线性模型，采用Poincaré-Lindstedt渐近摄动方法对模型方程组进行解析求解，确定了双谐振腔串联结构影响热声耦合振荡过程的五个主要无量纲参数，并对这些参数进行了详细的讨论，同时开展了相应的实验研究。研究结果表明，所提出的理论模型与实验结果吻合得很好；随着无量纲参数的变化，燃烧装置表现出三种不同的工作模态；不同工作模态出现的原因是燃烧装置倾向于运行在双谐振器串联声学结构的两个固有频率中接近主谐振器固有频率的一个。
考虑摩擦影响，建立了双谐振腔串联结构压强振荡更为精确的非线性模型，采用Poincaré-Lindstedt渐近摄动方法对模型进行了解析分析，研究了尾管内摩擦对燃烧装置稳定工作边界的影响规律。研究结果表明，考虑摩擦效应能够使理论分析结果更为准确；相同面积采用多根尾管的结构方案会显著增加阻尼损失，如果尾管数量过多将会导致燃烧装置无法稳定运行，这些结论对Helmholtz型脉动燃烧装置中的多根尾管结构设计具有重要价值。