一种气体流量脉动发生装置及不稳定燃烧实验设备

技术领域

本发明涉及航空航天设备技术领域，尤其是涉及一种气体流量脉动发生装置及不稳定燃烧实验设备。

背景技术

不稳定燃烧是航空发动机和液体火箭发动机研制过程中面临的重大科学和技术难题之一。在液体火箭发动机工作过程中，燃烧室内极易发生燃烧不稳定问题，燃烧不稳定是指压力周期性脉动且脉动幅值超过燃烧室压力的5％，当燃烧室中发生不稳定燃烧时，燃烧室的压力、流速和热释放率等参数急剧振荡，造成发动机部件损伤，发动机寿命缩短，严重时甚至引起爆炸，极大限制了当前推力液体火箭发动机的研制进程。

现有的对于不稳定燃烧进行控制的方式通常是通过声场扰动和控制流量脉动对燃烧过程施加影响作用，但是效果都不是很理想，尤其很难在中高频领域产生足够的流量脉动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体流量脉动发生装置及不稳定燃烧实验设备，以解决现有技术中存在的很难在中高频领域生成足够的流量脉动的技术问题。

为达上述目的，第一方面，本申请提供一种气体流量脉动发生装置，应用于不稳定燃烧实验设备，所述不稳定燃烧实验设备包括火箭发动机模型燃烧室，该装置，包括：

脉动放大模块，包括至少一根二分之一波长管，所述二分之一波长管用于与声场产生共振；

脉动发生模块包括扬声器和基座，所述基座设置于所述扬声器上方，所述基座与所述扬声器之间形成有相对密封的共振腔，所述基座上设有与所述共振腔连通的进气口和至少一个连接口，其中，所述进气口用于外接气体供应模块，所述连接口用于连接二分之一波长管。

在可能的实施方式中，所述扬声器的振动膜片朝向所述共振腔。

在可能的实施方式中，所述扬声器与所述基座之间的配合处设有密封件和/或密封胶。

在可能的实施方式中，所述脉动放大模块还包括出口集气件，所述出口集气件包括至少一个进气口和一个出气口，其中，一个所述进气口与一个所述二分之一波长管连接，所述出气口用于输送气流。

在可能的实施方式中，所述出口集气件包括第一竖直段、渐缩段和第二竖直段，所述渐缩段位于所述第一竖直段和所述第二竖直段之间。

在可能的实施方式中，所述扬声器与所述基座可拆卸连接。

在可能的实施方式中，还包括信号发生模块，所述信号发生模块包括控制单元和功率放大器，所述控制单元用于产生控制信号，控制信号经过所述功率放大器输入至所述扬声器。

在可能的实施方式中，所述控制信号包括幅值控制信号、频率控制信号或相位控制信号中的一种或两种以上的任意组合。

在可能的实施方式中，还包括脉动标定模块，所述脉动标定模块包括热线风速仪和处理单元，所述热线风速仪设置于所述脉动放大模块的出口处，用于测量出口处气体速度；

所述处理单元与所述热线风速仪连接，用于提取气体速度扰动幅值与频率，标定与信号发生模块输出信号的关系。

第二方面，本申请还提供了一种不稳定燃烧实验设备，包括火箭发动机模型燃烧室及如上述一种气体流量脉动发生装置中任一项所述的气体流量脉动发生装置。

本发明提供的一种气体流量脉动发生装置及不稳定燃烧实验设备，其中，气体流量脉动发生装置包括脉动放大模块和脉动发生模块，脉动放大模块包括至少一根二分之一波长管，用于与声场产生共振，脉动发生模块包括扬声器和基座，基座与扬声器之间形成有相对密封的共振腔，基座上设有与共振腔连通的进气口和至少一个连接口，其中，进气口用于外接气体供应模块，连接口用于连接二分之一波长管。本申请中，通过改变脉动发生模块中的二分之一波长管，可改变其共振频率，通过放大对应频率处的流动脉冲，使其满足幅值要求，可为涉及流量脉动的燃烧不稳定实验提供实验条件，实验效果好，成本低，且相比于现有的流量脉动发生器具有更大的脉动频率输出范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的气体流量脉动发生装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的脉动发生模块和脉动放大模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的扬声器和基座结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基座结构示意图之一；

图5为本发明实施例提供的基座结构示意图之二；

图6为本发明实施例提供的出口集气件的结构示意图之一；

图7为本发明实施例提供的出口集气件的结构示意图之二；

图8为本发明实施例提供的出口集气件的结构示意图之三。

图标：100-信号发生模块；200-脉动发生模块；300-脉动放大模块；400-脉动标定模块；310-二分之一波长管；210-基座；211-进气口；220-扬声器；212-连接口；201-共振腔；230-密封圈；320-出口集气件；311-第一竖直段；312-渐缩段；313-第二竖直段；321-出气通道；322-通气腔；323-进气通道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1为本申请一实施例提供的气体流量脉动发生装置结构示意图，如图1所示，该装置，包括：信号发生模块100、脉动发生模块200、脉动放大模块300和脉动标定模块400以及气体供应模块，其中信号发生模块100包括控制单元和功率放大器。

进一步，信号发生模块100的控制单元与功率放大器之间电性连接，功率放大器与脉动发生模块200之间电性连接，信号发生模块100用于控制脉动发生模块200的动作，以及控制该装置产生流动脉动的幅值与频率，气体供应模块与脉动发生模块200之间气路连接，气体供应模块向脉动发生模块200输送气体。脉动发生模块200与脉动放大模块300之间气路连接，用于挤压气体产生流动脉动，脉动放大模块300通过二分之一波长管310与声场产生共振，从而放大气体流动脉动，脉动标定模块400与脉动放大模块300连接，用于测量该装置产生的气体流量脉动。

在可能的实施方式中，脉动标定模块400包括热线风速仪和处理单元，热线风速仪设置于脉动放大模块300的出口处，用于测量出口处气体速度；处理单元与热线风速仪连接，用于提取气体速度扰动幅值与频率，标定与信号发生模块100输出信号的关系。

进一步，将热线风速仪安装在脉动放大装置的出口处，测量出口处气体速度，经由计算处理程序提取速度扰动幅值与频率，标定与信号发生系统输出信号的关系。

进一步，控制单元可为但不限于计算机、PLC、信号发生器等。

进一步，控制信号包括幅值控制信号、频率控制信号或相位控制信号中的一种或两种以上的任意组合。

进一步，气体供应模块可为但不限于空压机或压缩气瓶。

进一步，二分之一波长管310可为金属管、硬质PVC管、PU软气管等。

需要说明的，二分之一波长管310是一段两端为开口的细管，广泛应用于消声降噪领域，其结构简单，在特定频段具有良好的降噪效果。本申请利用二分之一波长管的谐振原理，使其与扬声器产生的特定频段声场共振，从而放大流经管内的气流脉动幅值，通过改变二分之一波长管的长度或并联多根不同长度的二分之一波长管，实现在不同频率处产生满足幅值要求的流量脉动，可为涉及流量脉动的燃烧不稳定实验提供实验条件，实验效果好，成本低，且相比于现有的流量脉动发生器具有更大的脉动频率输出范围。

图2为本申请一实施例提供的脉动发生模块200和脉动放大模块300的结构示意图，如图2所示，脉动放大模块300，包括至少一根二分之一波长管310，二分之一波长管310用于与声场产生共振；脉动发生模块200包括扬声器220和基座210，基座210设置于扬声器220上方，基座210与扬声器220之间形成有相对密封的共振腔201，基座210上设有与共振腔201连通的进气口211和至少一个连接口212，其中，进气口211用于外接气体供应模块，连接口212用于连接二分之一波长管310。

在可能的实施方式中，扬声器220与基座210可拆卸连接，可通过更换基座210以改变连接口212的数量，通过改变连接口212的数量可实现采用并联多个二分之一波长管，满足更宽的频域需求。

在可能的实施方式中，基座210横截面远大于波长管内径，波长管的另一端开口，以保证其声学边界可视为两端开口。

进一步，本申请中应用的二分之一波长管310一端开口，另一端与共振腔201体连接，其中共振腔201体的横截面积远大于二分之一波长管310横截面积，因此可视为两端开口边界。

二分之一波长管310的谐振频率可用下述公式计算：

式中，c为声速，l为二分之一波长管310的管长，N为共振阶数，N＝0,1,2…，Δl为二分之一波长管310的修正参数，一般情况下取二分之一波长管310内径的一半。

由此，同等长度的二分之波长管只存在一个共振频率及其倍频，仅在对应频率处具有良好的放大效果，面对频率范围更宽的情况，采取更换不同长度的二分之一波长管310或者多根不同长度的二分之一波长管310并联的方式，满足更宽频域的需求。

在可能的实施方式中，所述扬声器220与所述基座210之间的配合处设有密封件和/或密封胶，以保证密封效果。

进一步，基座210安装在扬声器220上方，与扬声器220振膜共同形成一个相对密封的共振腔201，两者之间通过密封圈230保证密封效果，基座210上设有与共振腔201相通的进气口211和连接口212，其中，进气口211为螺纹孔，可使用气动插头外接气体供应模块，连接口212用于连接二分之一波长管310，用于输送气流并放大气体速度脉动幅值。

如图3所示，在可能的实施方式中，扬声器220的振动膜片朝向共振腔201。

在可能的实施方式中，基座210包括基座210本体和支撑件，支撑件的一端与基座210本体固定连接，另一端与扬声器220设有振动膜片的一端抵接，支撑件呈环状，其支撑件的壁厚不小于扬声器220相抵接的面的宽度，基座210本体还设有安装孔，扬声器220上设有固定孔，利用螺栓依次穿过安装孔和固定孔，将基座210固定在扬声器220上。

进一步，密封圈230设置在基座210与扬声器220相互接触的端面之间，保证共振腔201的密封性。

进一步，本申请中扬声器220采用动圈式扬声器220，其结构简单，成本低。

本申请中，通过控制单元产生控制信号，经由功率放大器放大后输入扬声器220，以使扬声器220将进入共振腔201的气流转换为脉动气流，再经脉动放大模块300的出气口输入到燃烧器中，以对燃烧室内的燃烧产生扰动。在标定阶段，出气口将会安装脉动标定模块400，用于测量气流出口的扰动频率与幅值，标定控制信号。

图4和图5为本申请一实施例提供的具有多连接口212的基座210的结构示意图，图4为具有5个连接口212的基座210，将进气口211设置于基座210中心位置，5个连接口212沿着进气口211的周向方向均匀设置。

图5为具有3个连接口212的基座210，将3个连接口212依次并排设置于基座210上，其中第二个连接口212位于基座210的中心位置，第一个连接口212和第三个连接口212分别位于第二个连接口212的两侧，且3个连接口212的沿着基座210的直径方向排列，进气口211位于3个连接口212的一侧。

进一步，由于单一长度的二分之一波长管310仅在其共振频率及倍频处产生共振，在放大频域要求更宽时，可采用多根不同长度的二分之一波长管310并联的方式，使装置能够对多个频率的气流脉动进行放大。本发明中的两种基座210，可分别对应三根以及五根二分之一波长管310并联的情况。

图6、图7和图8为本申请一实施例提供的可连接三根二分之一波长管310的出口集气件320的结构示意图。

在可能的实施方式中，脉动放大模块300还包括出口集气件320，出口集气件320包括至少一个进气口和一个出气口，其中，一个进气口与一个二分之一波长管310连接，出气口用于输送气流，从而保证气流出口统一。

在可能的实施方式中，出口集气件320包括第一竖直段311、渐缩段312和第二竖直段313，渐缩段312位于第一竖直段311和第二竖直段313之间。

进一步，第一竖直段311内设有贯穿第一竖直段311的出气通道321，第二竖直段313内设有贯穿第二竖直段313的至少一个进气通道323，渐缩段内设有通气腔322，进气通道323、通气腔322和出气通道321形成集气腔，将出口集气件320的第二竖直段313与多个二分之一波长管310连通，可保证气流从多个二分之一波长管310的进口流入，从一个出口流出。

本发明通过信号发生模块100控制脉动流量的幅值与频率，脉动发生模块200利用扬声器220对气体进行挤压，根据所接收的输入信号改变气体流量脉动的幅值与频率，在不依靠脉动放大模块300的情况下，可在较低频率如小于100Hz处产生较大的流量脉动，在连接上脉动放大模块300后，可在对应共振频率100-500Hz处产生足够幅值的流量脉动。本发明结构简单、操作方便、易于拆装维护、可靠性高，可通过更换脉动放大模块300部件改变其共振频率，以在不同频率处产生满足幅值要求的流量脉动，可为涉及流量脉动的燃烧不稳定实验提供实验条件，实验效果好，成本低，相比于现有的流量脉动发生器具有更大的脉动频率输出范围。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。