Abstract: Y. Hu, Z. Kang, H. Ren, S. Wang (2026)

To investigate the combustion instability characteristics of air heater, hot firing tests were performed on a fullscale air heater. The experimental results were analyzed with nonlinear time series analysis methods, such as phase space reconstruction and recurrence plot. The results reveal that there are two distinct types of combustion instabilities in the combustion air heater: thermoacoustic and low-frequency instabilities. The instability and its characteristics can be distinguished well with nonlinear analysis methods. The length of chamber has great influence on the thermoacoustic instability. When the length of chamber is relatively large, the air heater is more prone to longitudinal thermoacoustic instability, which is characterized by hollow elliptical ring trajectories in phase space. The injector recess can significantly influence the combustion instability. Without an injector recess, the combustion is dominated by transverse thermoacoustic instability. In contrast, with an injector recess, a coupling of high-frequency thermoacoustic and low-frequency instabilities emerges, as confirmed by recurrence plots that exhibit superimposed features of both frequency components. Additionally, pressure oscillation transforms from multifractal to monofractal behavior when combustion instability occurs. The Damkohler number (Daf) is the critical parameter which controls the flame dynamics. When Daf approaches unity, the flame may exhibit an unstable state between attached and lifted, resulting in low-frequency combustion instability. Increasing the flame temperature at the injector center can effectively suppress such low-frequency combustion instability.

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Research on the combustion instability of air heater based on nonlinear time series analysis