《流体力学年鉴》综述：燃烧室中的热声振荡

近日，南方科技大学（南科大）杨东副教授与帝国理工大学Aimee S. Morgans教授在国际流体力学顶级刊物《流体力学年鉴》（Annual Review of Fluid Mechanics）上发表了题为“燃烧室中的热声振荡”（Thermoacoustic Instability in Combustors）的综述性论文（链接见文末）。该论文总结了近年来对热声振荡问题的机制研究和预测方法，指出了航空发动机、燃气轮机在低碳化转型中亟待解决的问题，对未来做出了展望。

燃烧热声振荡问题发生在现代高性能航空发动机、发电厂与船舶中使用的燃气轮机，以及火箭发动机共同的核心部件——燃烧室中。这一问题源自声音与燃烧之间的正反馈循环，即燃烧不稳定的放热过程产生的声波在燃烧室内传播并在边界反射回火焰处，进一步扰动放热过程，产生更多声波的循环。

图1：不稳定的火焰产生声波的动画

，时长00:12

图2：声波影响火焰的动画

视频来源：Daniel Durox, EM2C Lab, Centrale Supelec, Paris

在发动机和燃气轮机中常见的三种不同类型的燃烧室中，热声振荡模态各有特点。在管形燃烧室（如图3.a）中，热声振荡的模态可看作声压扰动仅沿长度方向传播的平面波（如图4.a）。对于环管型燃烧室（即多个管型燃烧室沿着圆周方向排列，尾部相通，如图3.b），热声振荡模态较为复杂，可能形成“推-拉”模态（如图4.e）。而对于环型燃烧室（如图3.c），其热声振荡模态既有可能仅沿长度或圆周方向传播，也有可能同时沿长度方向和圆周方向传播（如图4.c），还有可能为复杂的长度与圆周方向模态分量的非线性耦合（如图4.d）。

图3：三种类型的燃烧室示意图

图4：各种模态的示意图

热声振荡的破坏性极强，若不加以控制，它可能导致燃烧室的性能下降，甚至损坏燃烧室，引发严重的事故。例如上世纪60年代，美国为阿波罗登月计划中的“土星五号”运载火箭研发F-1发动机时遭遇了严重的热声振荡问题，引起了发动机爆炸性损毁。另外，热声振荡的预测难度极高。在数值模拟方面，由于它涉及声音、湍流、燃烧和传热的多时空尺度多物理场耦合，直接数值模拟需要的算力远超当前水平；在实验方面，部件级或常温常压实验无法完整复现热声振荡涉及的物理过程，而高温高压的整机实验往往过于昂贵。因此，预测和控制热声振荡极具挑战性。直到如今，热声振荡仍然是研制发动机和燃气轮机等大国重器过程中的核心技术挑战。

图5：热声振荡的原理和危害

近年来，随着低碳/零碳的重要性日趋显著，燃烧热声振荡问题正得到学界与社会越来越广泛的关注。论文中指出，低碳减排的转型带来了热声振荡问题上新的挑战：新的低碳或零碳燃料可能无法使用原有的燃烧器设计，这可能带来新的热声振荡问题，重新设计燃烧器时若缺乏高效且准确的热声振荡预测方法，则需要再次投入大量资源解决热声振荡问题。

图6：不同的燃烧器设计，第三种多孔燃烧器适用于氢燃料

为预测燃烧热声振荡，论文总结了多尺度混合模拟方法（Hybrid method）的研究进展，讨论了火焰模型、不同燃烧器的声学响应特性、声波的传播与耗散机制，以及燃烧室声学边界条件的妥善考虑等重要问题，与实验和数值模拟结果相对比，展示了近二十年来使用多尺度混合模拟方法定量预测热声振荡的成功尝试。

最后，论文对该领域未来的研究做出了展望。首先，未来的零碳需求迫使原有的燃烧器和燃烧室设计做出改变，这将带来新的热声振荡问题，但与此同时也能够推动热声振荡的预测与控制方法的发展。其次，考虑到新燃烧器的设计相较从前变化较大，相关的研究暂缺，目前迫切需要了解新燃烧器的火焰响应与声学性质。然后，需要进一步理解热声系统主要的声学耗散机制，并将其准确地纳入热声振荡的预测方法中。此外，由于环管型燃烧室广泛应用于重型燃气轮机上，需要使用实验、建模和数值模拟的方法对其热声振荡特性进行更多研究。最后，数据驱动的工具在预测热声振荡问题上的能力尚未被深入探索，这种方法有可能准确描述设计变化对热声振荡的影响，从而降低在新设计上预测热声振荡的难度。

《流体力学年鉴》是流体力学界的顶级期刊（影响因子为25.4），每年发表约二十篇论文，总结当今流体力学领域的重要问题与成果，并对未来发展做出分析与预测。

南方科技大学力学与航空航天工程系杨东副教授为论文共同通讯作者。杨东副教授的研究聚焦于热声振荡的预测与抑制。他擅长于发展低阶网络模型和涡-声-熵耦合理论，并用于解决热声振荡相关问题。杨东副教授团队现有 2 名研究助理教授、1 名博士后，另有博士生 3 名，硕士生6 名，访问学生 1 名，科研教学助理 1 名。本团队目前正在进行中的燃烧热声振荡相关项目有：国自然海外优青项目、国自然青年科学基金项目、国自然国际 （地区）合作与交流项目（中英合作）、航空发动机及燃烧轮机基础科学中心重点项目、深圳市高等院校稳定支持计划面上项目，以及和北航、清华等院校，上海电气、东方电气等企业展开的横向合作项目。

论文链接：

https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-121021-032828