TDLAS测量甲烷/空气预混平面火焰温度和H_2O浓度

基于可调谐二极管激光器吸收光谱技术(TDLAS)建立了温度和H2O浓度测量系统,利用光谱数据库Hi-tran2004在1393nm附近选择了在500～1300K有很高测温灵敏度的两条水吸收线:7168.437 cm-1,7185.597 cm-1.在1kHz的扫描频率下,利用直接吸收-扫描波长法对甲烷/空气预混平面火焰进行测量,并进行边界层修正,与热电偶的对比结果显示,在温度区间1100～1350K,两者最大相差80K(6.7%);水蒸气组分浓度与计算值平均相差小于0.02(10%).     

飞秒激光光谱技术在燃烧领域的应用

基于飞秒激光的燃烧诊断技术，可实现燃烧场温度、速度、组分浓度等参数的在线测量。作为一种有效的诊断工具，飞秒激光诊断技术在燃烧领域中有着广泛的应用前景，将在提高燃烧效率和降低燃烧排放等方面发挥越来越重要的作用。本文通过综述飞秒多光子激光诱导荧光技术、飞秒激光成丝诱导非线性光谱技术以及飞秒激光电子激发示踪测速技术等飞秒激光在燃烧领域的具体应用实例，概括介绍了飞秒激光燃烧诊断技术的发展。在此基础上，对飞秒激光燃烧诊断技术在未来的发展潜力进行了分析与讨论，为相关研究人员提供参考。     

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。     

基于滤波瑞利散射技术的带压燃烧场温度测量实验研究

为实现高压、受限空间条件下燃烧火焰二维温度场的测量，研究了基于碘分子超精细吸收凹陷的滤波瑞利散射技术。设计了一套滤波瑞利散射温度测量装置，主要由种子激光注入Nd:YAG激光器、碘分子滤波池、ICCD相机等组成。利用该测量装置，在高压火焰炉上开展了0.1~0.5MPa条件下的甲烷/空气预混火焰温度测量实验，结果表明:滤波瑞利散射测温技术能有效抑制米散射和背景杂散光的干扰，能在受限空间和带压条件下获得瞬态燃烧火焰温度场的分布，并且温度测量的相对不确定度优于15%；与热电偶温度测量实验的结果进行了对比，两者的偏差小于10%。因此，有望将滤波瑞利散射测温技术应用于发动机燃烧场温度诊断实验。     

基于自发辐射分析的被动式燃烧诊断技术研究进展

被动式燃烧诊断技术是利用火焰自发射辐射信息进行燃烧诊断的一项技术,具有非接触、对环境要求不高、系统紧凑、易于实施等特点,在燃烧场在线测量及诊断中具有独特优势。首先,分析了各类燃烧诊断技术的优势及局限;其次,结合华中科技大学煤燃烧国家重点实验室开展的被动式燃烧测量诊断研究工作,从火焰发射光谱、火焰图像处理、热辐射成像技术三个方面介绍了自发辐射燃烧诊断技术的基本原理及研究现状,利用这三种技术,可实现燃烧状态定性分析以及燃烧流场中温度、组分体积分数等燃烧关键信息的定量计算;最后,指出了自发辐射燃烧诊断技术的发展趋势,即:获得更丰富的检测信号、更高的检测分辨率和精度以及更多的检测结果。     

超声速火焰的3DLIF可视化技术研究

为满足超燃冲压发动机燃烧诊断尤其是燃烧空间结构可视化的迫切需求，亟需实现超声速火焰三维测量。三维激光诱导荧光（3DLIF）技术作为一种立体测量技术具有超声速火焰三维测量的潜力。利用该技术的特点与优势，设计了基于扫描振镜的多平面3DLIF成像系统，在超声速同轴射流燃烧试验装置上实现了超声速火焰的多平面3DLIF空间结构可视化。为了实现大尺寸成像，提出了一种扩大扫描范围的片光整形方案，利用该方案获得了空间尺度50 mm×85 mm×20 mm、时间尺度5 ms的超声速火焰平均三维图像，对3DLIF技术用于超燃冲压发动机试验台架燃烧空间结构可视化进行了可行性分析，基于时均三维图像讨论了喷口火焰速度对火焰结构形状的影响。     

基于自发辐射分析的被动式燃烧诊断技术研究进展

被动式燃烧诊断技术是利用火焰自发射辐射信息进行燃烧诊断的一项技术,具有非接触、对环境要求不高、系统紧凑、易于实施等特点,在燃烧场在线测量及诊断中具有独特优势。首先,分析了各类燃烧诊断技术的优势及局限;其次,结合华中科技大学煤燃烧国家重点实验室开展的被动式燃烧测量诊断研究工作,从火焰发射光谱、火焰图像处理、热辐射成像技术三个方面介绍了自发辐射燃烧诊断技术的基本原理及研究现状,利用这三种技术,可实现燃烧状态定性分析以及燃烧流场中温度、组分体积分数等燃烧关键信息的定量计算;最后,指出了自发辐射燃烧诊断技术的发展趋势,即:获得更丰富的检测信号、更高的检测分辨率和精度以及更多的检测结果。     

碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究

在来流总温1085K、进口马赫数2.0下开展了煤油燃料超声速燃烧试验，使用高速摄像观测了火焰的形态和结构，采用平面激光诱导荧光技术（PLIF）观测了煤油和OH的分布，结合数值模拟结果分析了燃烧室的火焰稳定机制。测量结果显示:燃烧反应主要发生在射流的下游区域和凹槽区域内，随着燃料当量比的增加，火焰传播角度及火焰向主流的穿透高度增加。数值模拟结果与实验测量吻合较好。火焰稳定机制分析显示:液态煤油喷入燃烧室内，主要分布在下壁面附近的流场中，燃烧产生的高温燃烧产物通过凹槽剪切层与回流区之间的相互作用，进入凹槽并为剪切层中的空气-煤油混合气体提供稳定的热量和中间产物，使得火焰基底能够稳定在剪切层内，并以相对固定的角度向主流流场中传播。     

光谱法和取样分析法在燃烧诊断研究中的应用

介绍了燃烧诊断学中常用的非接触光谱诊断和取样诊断方法.光谱方法包含红外吸收光谱、紫外激光诱导荧光和非线性光谱方法(如相干反斯托克斯拉曼光谱等),可以测量燃烧体系的温度场、浓度场和速度场信息,可用于研究燃烧基元反应动力学,燃料的热解和氧化,层流火焰结构及湍流火焰的成像.而通过分子束取样的真空紫外光电离质谱检测方法可以获得更全面更灵敏的诊断信息,特别是活泼的燃烧中间体的浓度信息,为详细燃烧反应动力学模型的发展和验证提供了强有力的支持.     

采用CARS试验技术与UFPV数值方法研究航空发动机燃烧室

在自主开发的软件平台上，采用基于URANS的方法计算航空发动机燃烧室的三维两相燃烧流动，考虑了液态燃油从液膜-液滴-燃气-燃烧的完整物理化学过程。其中，颗粒相采用LISA一次破碎模型，KH-RT二次破碎模型和标准的蒸发模型，湍流燃烧模型采用可以考虑非稳态燃烧特性的非稳态火焰面/反应进度变量方法，得到了航空发动机燃烧室中温度、组分浓度和燃油液滴的颗粒直径分布规律。同时，采用CARS光学手段测量燃烧室主燃区的温度分布，并将数值计算结果与光学试验测量值进行比较，数值计算结果和试验值吻合较好，数值计算误差小于7.3%。说明了本文的数值计算方法和UFPV方法在计算航空发动机燃烧室的两相燃烧流动时具有较高的精度。     

两相脉冲爆震火箭发动机性能实验

为了获得脉冲爆震火箭发动机(PDRE)的性能参数,采用液态煤油为燃料、氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体,进行了一系列多循环爆震实验.使用孔板流量计测量煤油流量,使用集气法测量氧气流量,使用动态压电式压力传感器测量r爆震室轴向的沿程压力,使用火焰温度及水蒸气浓度红外光谱测量仪测量爆震管出口平面的尾焰温度,使用动态压电式推力传感器测量PDRE所产生的瞬时推力.实验获得PDRE不同频率下的平均推力和比冲.实验结果表明:爆震压力和温度随着工作频率的变化而有所变化,填充系数对于PDRE比冲大小有着显著影响.采用爆震室部分填充的策略,可以显著地提高发动机比冲.     

数值分析加力燃烧室的燃烧效率和燃烧流场

本文对装有钝体火焰稳定器的加力燃烧室燃烧效率特性进行了数值分析和实验研究。计算中用k-s双方程模型描述紊流特性,用Magnussen的涡团耗散模型以及燃烧模型估算化学反应速率。为了考虑火焰辐射对燃烧效率的影响,采用热通量法辐射模型估算辐射通量。由于燃烧流场密度变化较大,故在守恒方程中采用密度加权平均来处理。试验中用热电偶测量温度,对燃烧效率和壁面温度作了研究。最后,将计算结果与试验数据作了比较,结果表明本文的计算方法和计算程序是合理可行的。     

航空发动机地面试验激光燃烧诊断技术研究进展

为了研究湍流燃烧基础问题和改进实际燃烧装置性能，基于激光的燃烧诊断技术已发展成为当前发动机湍流燃烧实验研究的主要测量工具。在已发展的激光燃烧诊断技术中，每种技术都有其局限性和适用范围，需要根据发动机模型燃烧室内部流场测量的要求和特点，选择合适的激光诊断技术。在温度测量中，相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术主要用于单点温度测量，单脉冲CARS谱测温不确定度优于5%；高时空分辨温度场的测量需要采用双色平面激光诱导荧光（PLIF）测温方法，但其测温精度通常也会相应降低。在速度测量中，粒子成像测速（PIV）技术适用于低速流场速度的精细测量，羟基分子标记测速（HTV）技术适用于高温超声速甚至高超声速流场的速度测量，HTV测速不确定度可优于4%。在组分浓度测量中，主要采用自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering，SRS）和PLIF技术进行主要组分和中间反应物的浓度分布测量。本文对航空发动机湍流燃烧温度、速度、组分浓度等参量的高时空分辨测量所涉及的激光燃烧诊断技术的基本原理、研究现状和发展趋势进行综述。     

采用CARS试验技术与UFPV数值方法研究航空发动机燃烧室（英文）

在自主开发的软件平台上,采用基于URANS的方法计算航空发动机燃烧室的三维两相燃烧流动,考虑了液态燃油从液膜-液滴-燃气-燃烧的完整物理化学过程。其中,颗粒相采用LISA一次破碎模型,KH-RT二次破碎模型和标准的蒸发模型,湍流燃烧模型采用可以考虑非稳态燃烧特性的非稳态火焰面/反应进度变量方法,得到了航空发动机燃烧室中温度、组分浓度和燃油液滴的颗粒直径分布规律。同时,采用CARS光学手段测量燃烧室主燃区的温度分布,并将数值计算结果与光学试验测量值进行比较,数值计算结果和试验值吻合较好,数值计算误差小于7.3%。说明了本文的数值计算方法和UFPV方法在计算航空发动机燃烧室的两相燃烧流动时具有较高的精度。     

基于中红外吸收光谱技术测量高温流场CO浓度研究

CO是碳氢化合物燃烧的主要产物之一,准确测量超燃冲压发动机出口的CO浓度是评估碳氢燃料燃烧效率的重要依据。中红外波段的CO谱线相较近红外而言,具有吸收更强、谱线丰富且谱线对相对孤立、不受其他气体干扰等明显优势。本文基于中红外吸收光谱技术,计算研究了CO中红外光谱特性,选择了适用于高温流场CO测量的特征谱线,设计并搭建了高温流场CO浓度检测系统,开展了气体池浓度标定和不同当量比下平面火焰CO测量验证,实现了某超燃冲压发动机出口高温流场CO测量,反映了航空煤油燃烧过程中CO浓度和温度的变化情况,为超燃冲压发动机的燃烧和流动机理研究提供了有力的研究手段和丰富的实验数据。     

有机凝胶偏二甲肼液滴着火燃烧特性及影响因素实验研究

针对自燃推进剂接触就能着火燃烧的特点,设计实现了高压飞滴及常压挂滴两套单液滴燃烧实验系统,并开展了有机凝胶偏二甲肼(UDMH)液滴在四氧化二氮(NTO)氧化剂环境中着火燃烧的实验研究,深入分析了其着火燃烧特性及NTO氧化剂浓度、温度、压力、对流速度、液滴初始尺寸的影响.结果表明:有机凝胶UDMH液滴表面液体燃料耗尽后会形成弹性胶凝剂膜,促使液滴内部出现沸腾蒸发及非稳态蒸汽喷射,导致燃烧火焰出现剧烈扰动.NTO浓度升高,增大了扩散燃烧火焰范围,加速液滴表面燃料蒸汽分解燃烧,有利于提高燃烧速率.NTO温度越低,着火延迟时间越长,并容易导致熄火.NTO对流速度越大,也会增加着火延迟时间,且更容易形成脱体火焰,使其燃烧速率降低.凝胶液滴尺寸越大,其着火延迟时间受对流速度的影响明显减小.NTO压力升高会抑制燃料蒸汽喷射强度,形成更稳定且更靠近液滴表面的双火焰结构.     

结合火焰辐射与互相关法的燃烧颗粒速度测量方法研究

针对高温燃烧颗粒运动速度在线测量难题,提出了结合火焰辐射与互相关法的燃烧颗粒速度测量方法,并设计了相应的测量装置对平面火焰炉实验系统中燃烧煤粉颗粒速度进行了测量,布置了上下游2个相距6 mm的火焰辐射光强测点,通过对该2测点辐射光强进行互相关分析计算得到燃烧颗粒运动速度,实验获得了变工况下燃烧颗粒运动速度的变化情况,同时将其与数值模拟结果对比,相对偏差不超过10%,验证了该方法可为诸如锅炉煤粉燃烧、固体火箭发动机推进剂燃烧等恶劣环境下燃烧颗粒速度测量提供一种简单、有效的测量方法。     

内燃机光学诊断试验平台和测试方法综述

活塞式内燃发动机是现代工业中应用最为广泛的动力机械装置。由于其内部燃料喷射、蒸发、燃烧等复杂的工作过程会对发动机的结构可靠性、能量利用效率和污染物生成产生极大影响，研究内部过程的物理机理并确定控制策略对于发动机的设计和改进具有重要的科学意义和实用价值。近年来，为更加深入理解发动机内部工作过程，研究人员广泛采用光学诊断试验技术来测量发动机缸内流动和燃烧特性。本文首先介绍了各类用于模拟发动机工作过程的试验台架（如定容燃烧弹、快速压缩机、光学发动机等）。在此基础上，分析了各类光学诊断技术的基本原理及其在发动机研究中的应用。光学诊断技术分为两类进行讨论，分别是基于传统光学的传统诊断技术（如纹影法、双色法等）和基于激光的先进诊断技术（如粒子图像测速法、激光诱导荧光法等）。光学诊断技术可在多尺度下测量缸内温度、物质浓度、液滴粒径等参数，为准确评估发动机喷油、蒸发、燃烧过程提供试验依据。更重要的是，光学诊断技术为更加深入理解高温高压环境下流动、燃烧的物理/化学机理提供了可能性，为开发高功率、高能效、低排放的先进发动机提供可靠的试验手段，同时为研究人员未来开展基础试验研究、更加深入地理解发动机工作过程提供指导。     

中红外吸收光谱测量激波风洞自由流中 NO 浓度和温度

JF-10氢氧爆轰驱动激波风洞内的高焓自由来流气体中含有因电离和离解等非平衡过程产生的微量组分。利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS),对自由流中 NO 微量组分的浓度和温度进行测量,有助于定量理解气体电离和离解这一非平衡过程。本实验中,JF-10氢氧爆轰驱动激波风洞实验段内压力为百帕量级,在谱线加宽中多普勒加宽占据主导,多普勒半高宽可由分子平均热运动速度获得,其半高宽与温度的平方根成正比,因此选取一条吸收谱线并准确测定其多普勒半高宽即可得到温度和浓度。本实验中采用中红外量子级联激光器(Quantum Cascade Laser),选取1909.7cm-1附近6条吸收线作为吸收线,在2kHz 的扫描频率下,采用直接吸收-波长扫描法进行 NO 温度和浓度测量。实验测得自由流中 NO 平均分压约为0.33Pa,自由流平均温度约为600K。     

平面激光诱导荧光显示火焰中OH的分布图像

用平面激光诱导荧光技术测量了平面火焰炉、原子气化炉和超声速燃烧室的单脉冲激光诱导OH荧光。由平面荧光图可得到氢氧基相对浓度分布和它的厚度。由超声速燃烧室的OH荧光测量 ,可以看出不同时间OH分布的差别。氢氧基的PLIF图像是研究火焰结构和流场的有力工具。