燃烧与流场在线测量诊断方法研究进展

介绍了上海理工大学颗粒与两相流测量研究所近年来在燃烧和流场在线测量诊断技术方面的研究进展,包括：改进基于光纤光谱仪的火焰辐射温度测量技术,提高火焰温度的测量精度与范围并反演出火焰辐射率及液体燃料组分;辐射与吸收光谱相结合测量脉冲燃烧火焰温度和水蒸气浓度;基于激光诱导荧光法测量喷雾液滴温度;强烟尘水滴干扰条件下基于差分吸收光谱法（DOAS）测量排放污染气体（SO2和 NOx ）浓度;基于饱和蒸汽原理的光谱法研制汞连续排放监测标准系统;光谱法与图像法结合测量高温物体温度场;基于单帧单曝光图像法测量多相流速度场与粒度分布;基于可调谐半导体激光吸收光谱法（TDLAS）同步测量液态纯水水膜蒸发过程中液态参数（水膜厚度及温度）与气态参数（水膜上方水蒸气的温度）等。     

燃烧场吸收光谱诊断技术研究进展

基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）的视线测量技术,有能力实现流场温度、速度、组分浓度等参数的快速测量。作为一种有效的诊断工具,TDLAS传感器已经在燃烧和推进系统的研究和开发中获得广泛应用,为改善系统的性能发挥着越来越重要的作用。新应用机会的出现,对传感器提出新挑战的同时也促进了相关技术的进步。概括介绍了TDLAS技术的发展水平、在燃烧场诊断中的应用及未来的潜力,为相关研究人员提供参考。     

激光吸收光谱技术测量非均匀燃烧流场研究进展

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有非侵入性、灵敏度高和时间响应快等优点,将激光吸收光谱技术与最小二乘法、计算机断层扫描重建技术(CT)相结合,可以实现对非均匀燃烧流场的分布测量。首先简要介绍了激光吸收光谱技术的发展历程及测量基本原理,然后分别对激光吸收光谱技术测量非均匀流场一维分布、二维分布的国内外研究现状及关键技术进行了综述,比较分析了二维非均匀流场诊断实验中旋转和固定两种安装模式的优缺点及相对应的光线布局,总结了用于流场二维重建的相关重建算法,最后讨论了激光吸收光谱技术测量非均匀流场研究工作的发展趋势和有待解决的相关问题。     

基于TDLAS技术的燃烧室出口温度场测量

为验证可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,在航空发动机燃烧室燃烧流场测量领域的适用性,以自主设计的高温升模型燃烧室为研究对象,结合多光路正交布网的测量方法,对燃烧室出口的燃气温度进行测量,并利用层析算法实现测量截面的二维分布重建,同时采用固定的温度探针进行测量与对比验证。结果表明,采用TDLAS结合层析重建的方法,基本能获得具有时间分辨的燃烧室出口温度分布的主要特征,可以区分高温区和低温区,但单线测量和场分布重建精度还有待于进一步提高。进一步优化该系统,可用于航空发动机燃烧室出口温度和组分浓度分布测量。     

超声速发动机温度测量技术发展现状

火焰温度及温度场分布的测量是航空航天超声速发动机测量技术的重要环节。由于超声速发动机内部温度过高、工况复杂恶劣,应用于亚声速发动机的接触测量技术已难以达到测量要求。针对超声速发动机温度测量传感器的设计方式、试验、温度、测量误差等核心问题,本文综述了现阶段超声速发动机接触式温度测量的方法,重点介绍了辐射与红外测量、可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）、相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）及温度敏感涂料（TSP）等非接触温度测量技术在超声速发动机应用的研究进展和发展趋势,对后续的超声速发动机温度测量技术研究工作具有一定的借鉴作用。     

SiC/SiC复合材料氧化退化研究进展

针对高速推进系统温度测量传感器的设计方法、测量误差等核心问题,综述了现阶段高速推进系统接触式和非接触式温度测量的方法。其中,重点综述了辐射与红外测量、可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)及温度敏感涂料(TSP)等非接触温度测量技术在高速推进系统应用的研究进展和发展趋势,并分析了上述温度测量技术存在的问题。     

带压燃烧场2D温度分布的激光吸收光谱测量初步研究

以实现冲压发动机等高压燃烧流场诊断为目标,采用可调谐半导体激光吸收光谱技术对带压的燃烧流场温度诊断进行初步研究。使用一种光谱适应的CT重构二维温度方法,以误差平方和和零均值归一化互相关作为评价指标分析CT-TDLAS的重构精度。搭建带压燃烧腔温度分布测量的实验系统,使用压力传感器和CCD相机记录带压点火燃烧过程变化;使用1335-1375nm的宽波段可调节半导体激光器对燃烧腔内带压点火燃烧过程进行了时间分辨的二维温度重建。实验结果表明：CT-TDLAS具有较高的重构精度;燃烧过程的压力变化趋势,火焰变化趋势及时间分辨二维温度分布变化趋势,三者保持一致;在带压条件下,CT-TDLAS可以实现高分辨率的时间分辨温度测量,反应定量的温度分布变化信息,为带压及进一步的高温高压燃烧流场的诊断提供帮助。     

基于激光吸收光谱层析技术的超燃冲压发动机氢气引导煤油燃烧过程分析

为了解超燃冲压发动机引导点火过程中燃烧流场截面参数分布特征和传播规律,利用激光吸收光谱技术对氢气引导煤油燃烧过程进行测量和分析.在约200ms的引导燃烧过程中,激光吸收光谱层析测量系统对流场截面温度二维分布进行了全程的测量,时间分辨率为1ms.对于测量结果,重点分析了氢气加注、上壁面煤油加注和下壁面煤油加注三个关键阶段...     

斜切径向旋流燃烧室主燃区光学测量与特性分析

针对斜切径向旋流环形燃烧室模型,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)光学测量手段,在模化状态(Case 2)下,对燃烧室主燃区进行温度测量,分别得到了主燃区内12个点的温度和沿两条路径的积分温度.使用Fluent 12.0对Case 2进行数值模拟,分别使用两种非预混燃烧模型:平衡化学反应模型(EM)和稳态层流小火焰(SLF)模型.通过将两种不同燃烧模型的计算结果与TDLAS,CARS试验测量数据作对比验证,发现EM计算得到的温度更高,并与试验测量温度更符合,其中与CARS测量的误差小于6%.在试验验证的基础上,完成燃烧室在冷流状态(Case 1)下的计算,分析主燃区的气流组织和主燃孔射流对回流区的影响;利用EM计算分析燃烧室主燃区在全压状态(Case 3)下燃料分布、温度场、组分分布和性能参数,如燃烧室的燃烧效率为0.97、出口温度分布系数为0.312等,较为全面反映了燃烧室内气流流动换热和燃烧现象.      

利用TDLAS技术开展碳氢燃料高速燃气参数测量

可调谐二极管激光器吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)广泛应用于碳氢燃料燃气参数(温度、组分浓度和气流速度)实时在线和非接触测量。针对碳氢燃料火箭基组合循环(Rocket Based Combined Cycle,RBCC)发动机的高速燃气参数测量,设计了双交叉光束(7444.352+7444.371)/7185.597cm-1谱线对扫描波长-时分复用双线直接吸收光谱技术(Direct Absorption Spectroscopy,DAS)系统,将其应用于RBCC地面实验高速燃气参数在线测量,同时获得了燃气温度、H2O组分浓度和速度等多参数,并将测量结果与数值模拟计算结果对比,相对偏差不超过12%,这为RBCC发动机燃烧组织优化和结构优化提供重要依据。     

SF6分解气的近红外在线检测技术研究

为满足SF6绝缘电气设备故障监测与预警的实际需求,分析了国内分解气检测研究现状.对比近红外与中红外吸收光谱检测技术,提出近红外吸收光谱技术在线检测的技术方案.计算分析待测气体特征谱线的吸收系数、吸收光程和电路信噪比对精度的影响,完成系统参数设计.提出SF6分解气在线检测系统方案,实现对H2S、HF和CO这3种气体测量.数据分析表明,系统检测精度优于5×10-7,表明该系统满足电力行业在线测量的需求.     

利用辐射光谱法开展发动机燃烧火焰参数在线测量

针对发动机高温燃烧火焰参数非接触式在线原位测量难题,提出了基于火焰辐射光谱(radiation spectroscopy, RS)的火焰参数在线测量方法,采用光纤光谱仪搭建了发动机燃烧火焰参数在线测量系统,并利用黑体炉对光谱仪电荷耦合元件(charge-coupled device, CCD)波长响应特性进行了标定.之后,应用该系统获得了火箭基组合循环(rocket based combined cycle, RBCC)发动机地面试验高温燃烧火焰200~1100nm波段辐射光谱,结合普朗克定律与最小二乘法,实现了火焰温度与辐射率参数的在线测量,为发动机燃烧诊断与优化提供了直接数据支撑.      

高精度固体推进剂爆热测试系统

为准确测量固体推进剂储存期间爆热值的变化,研究了高精度的爆热测试设备。针对影响爆热测试的主要因素,在测试系统硬件设计中采取了降低热量损失的多种措施,并采用了悬浮式光电隔离技术;在系统软件设计中则采用了数字滤波技术,建立了新的热量散失校正数学模型,并对影响测试精度的因素进行在线实时补偿。对标准物质的热值测试表明,系统测试相对误差小于０．１％,实现了推进剂爆热的高精度测试。     

压气机转子叶片的抑颤设计

为了建立适用于工程设计的叶片抑颤方法,以一高压压气机转子叶片为对象开展了叶片颤振特性与其结构参数的关联性研究。采用基于相位延迟边界条件的能量法和特征值法对原转子叶片模型的气动弹性稳定性进行评估,通过分析近失速工况下的非定常气动功密度分布,对叶片安装角沿径向分布、弦长和叶尖间隙等设计参数进行调整,以明确各参数对气动弹性稳定性的影响,最终达到提高气动阻尼的目的。研究结果表明:叶尖间隙对气动阻尼的影响较大,安装角次之,弦长影响相对较小。叶片气动阻尼随叶尖间隙的变化并非单调,而是存在一个叶尖间隙使其气动阻尼最小,即叶片气动弹性稳定性最差。减小进口气流攻角和增加折合频率,能够提高气动阻尼,设计中可以通过调节安装角来减小气流攻角,增加弦长来增大折合频率。考虑到对叶片气动性能的影响,在调节安装角时通常要保证进口气流攻角的改变量不超过5°,调节弦长和叶尖间隙时要保证各结构构件不发生碰摩。     

基于可调二极管激光红外吸收的燃烧诊断技术

为了发展先进的燃烧诊断技术，对可调二极管激光红外吸收术用于燃烧多参数测量的原理、方法和测量系统进行了全面的论述，并将该方法应用于脉冲爆震室中未燃组分、当量比的测量中。因为爆震室中燃料的分布和填充程度决定了脉冲爆震发动机(PDE)的性能，故试验中精心控制燃料填充程度，以研究爆震管中填充程度对脉冲爆震发动机性能的影响。实验结果表明，可调二极管激光红外吸收术对于监测PDE的性能，进而对PDE的控制和优化极有意义。     

Determination of ingredient composition of atmospheric emissions of the turbojet engine combustion gases by the fine-structure spectroscopy

The application of the method of absorbing fine-structure spectroscopy to determine the composition of ingredient emissions of products of combustion of the turbojet engine. Applied for research of ingredient composition of complex spectrophotometric instrumentation provides a measurement of the concentration of the various ingredients in the products of combustion to limit sensitivity of 1–10 ppm. The technology of measurement and processing of the data of spectrometric measurements are discussed. The results of measurements of the ingredient composition released into the atmosphere of the combustion products of the turbojet engine are analysed.