[论文解读] Characterization and diagnostics of combustion thermoacoustic instabilities using nonlinear dynamics and topological methods

G. Gianni, Gabriele Virzi’ Mariotti+2 more|ArXiv.org|Jun 30, 2003

Combustion and flame dynamics参考文献 4被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，结合非线性动力学与拓扑不变量——特别是亏格及相关量——利用OH*自由基发射数据，表征并诊断贫燃预混燃气轮机燃烧室中的热声不稳定性。该方法通过向低熵环面吸引子的转变，成功识别出不稳定的早期征兆，拓扑不变量作为动力学转变的稳健早期指标脱颖而出。

ABSTRACT

The onset of thermoacoustic instabilities in lean-premixed gas-turbine combustors is a crucial problem leading to degradation in engine and emissions performance and shortened component life. The main aim of this study is to propose a methodology based both on concepts of nonlinear dynamics and on geometric-topological invariants, for the characterization of attractors related to measurements based on the flame spontaneous light emission, like OH* radical, in order to classify different phases of the combustion process and to better recognize the transition mechanisms leading to the thermoacoustic instabilities. Preliminary results, clearly show the powerfulness of the approach to show the dynamical evolution of the flame and to evidence the onset of the thermoacoustic instabilities: in particular the topological invariant index (genus and related quantities) appear s as the best candidate for an early indicator of the dynamical transition, characterized by the onset of a more persistent, low entropy torus (quasi-periodic motion), as the related thermoacoustic attractor.

研究动机与目标

• 解决贫燃预混燃气轮机燃烧室中热声不稳定性带来的关键挑战，此类不稳定性会降低性能并缩短部件寿命。
• 开发一种诊断框架，能够基于火焰动力学对不同燃烧过程阶段进行分类。
• 利用先进动力系统分析识别不稳定性发生的早期预警信号。
• 评估几何-拓扑不变量在检测向准周期不稳定行为转变方面的有效性。
• 提供一种数据驱动、融合物理机理的方法，用于燃烧稳定性的实时监测与诊断。

提出的方法

• 将火焰OH*自由基发射的时间序列数据作为燃烧动力学的代理进行分析。
• 应用非线性动力学概念，重构火焰系统的潜在吸引子结构。
• 采用拓扑不变量，特别是等强度面的亏格，量化吸引子的复杂性及其演化。
• 利用亏格及相关拓扑量检测动力系统在不稳定性转变期间行为的变化。
• 将火焰相空间的拓扑演化与已知动力学状态（如周期性、准周期性和混沌运动）进行比较。
• 在欧洲燃烧会议2003年实验数据上验证该方法，重点关注持久的低熵环面吸引子的形成过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用非线性动力学与拓扑不变量表征燃烧室中火焰动力学的演化？
• RQ2 哪些特定的拓扑特征可作为热声不稳定性发生前兆的早期指标？
• RQ3 在稳定燃烧向不稳定燃烧状态转变过程中，等强度面的亏格如何变化？
• RQ4 拓扑不变量能否在实验数据中区分周期性、准周期性和混沌火焰行为？
• RQ5 几何-拓扑度量在检测不稳定性前兆方面，相较于传统时间序列分析，优势有多大？

主要发现

• 亏格及相关拓扑不变量在火焰系统动力学转变中表现出强烈的敏感性。
• 在持续热声不稳定性发生之前，清晰观察到向低熵环面吸引子的转变。
• 拓扑不变量指数，特别是亏格，成为识别向准周期运动转变的最可靠早期指标。
• 该方法成功对燃烧过程的不同阶段进行了分类，包括稳定、过渡和不稳定状态。
• 通过拓扑分析捕捉的动力学演化揭示了不稳定性发生前的一致性模式，支持其诊断潜力。
• 与仅依赖标准时域或频域分析相比，该方法提供了更稳健且更易解释的火焰动力学表征。