不同湍流强度下煤粉颗粒群着火及燃烧特性的光学诊断研究

利用Hencken型平面火焰燃烧器搭建携带流反应系统，研究了不同湍流强度下煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。煤粉被一次风送入温度、氧含量（本文所称"氧含量"是指氧的摩尔分数，mole fraction）可调节的高温烟气中形成稳定的射流火焰，利用OH平面激光诱导荧光技术（OH-Planar Laser-Induced Fluorescence，OH-PLIF）观测煤粉射流火焰着火、群燃等阶段的瞬态结构，基于对火焰图像的处理探究煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。OH-PLIF的测量结果表明，在煤粉射流火焰的上游，射流外围区域的煤粉首先发生脱挥发分并着火，外围已燃的煤粉释放出大量热量并不断向射流内部传递，促进了射流内部区域煤粉颗粒群挥发分的析出。在高速一次风的卷吸及扰动作用下，析出的挥发分与氧之间不断扩散、混合，燃烧的OH锋面逐渐向射流中心区域延伸并连接成片，出现挥发分群燃火焰。实验结果表明:层流状态下，煤粉射流火焰窄而明亮；随着一次风湍流强度的增强，射流中煤粉颗粒的扩散运动变得剧烈，火焰形态发生变化，着火距离显著缩短。本文定量地研究了不同湍流强度下背景烟气温度（1200~1700 K）、烟气氧含量（10%~30%）以及一次风氧含量（5%~45%）对煤粉颗粒群着火延迟的影响规律。随着背景烟气温度、送风氧含量的升高，着火延迟时间逐渐缩短，但存在阈值现象，一旦背景烟气温度或送风氧含量超出某一阈值，其对煤粉颗粒群着火延迟的影响变弱，控制煤粉颗粒群着火行为的主导因素随之发生改变。     

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。     

中热值合成气扩散燃烧速度特性的实验研究

针对CH4和中热值合成气的旋流燃烧室进行了PIV测量,获得了不同燃料燃烧对火焰流场变化的影响.实验结果表明:在相同入口条件下,合成气燃烧时的火焰张角略大,回流区宽度和回流强度均高于CH4火焰,燃气流量较低时,合成气火焰的湍流强度更大,燃气流量增大后,CH4的燃烧脉动速度逐渐增大并超过合成气.     

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。     

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。     

铝-铝超高速撞击气化产物运动特性测量与分析

根据超高速撞击条件下气化产物的产生机理和辐射特性,设计了获取气化产物冲击波运动速度的序列成像测量方法,并在超高速碰撞靶上开展了直径4.5 mm铝球以6 km/s左右速度撞击2A12中厚铝板的试验,测量得到了撞击气化产物冲击波的运动序列图像,对撞击气化产物冲击波运动半径、速度、气化产物总能和波后流场参量分布等进行了定量分析,获得了铝-铝超高速撞击气化产物的运动特性。研究表明:设计的测量方法能很好地获得撞击气化产物冲击波不同时刻的位置信息,可为分析气化产物运动特性提供数据支持;测量所得气化产物冲击波运动半径随时间变化关系与Taylor点爆炸模型拟合结果相符,证明了该模型理论可用于超高速撞击气化产物运动特性相关研究。     

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。     

基于丙酮/CH2O双组分PLIF技术的横向声波激励预混火焰未燃区/预热区特性研究

热声不稳定问题是航空航天动力装置发展中的难题之一,针对预混燃烧火焰的热声不稳定机理研究是解决实际发动机热声振荡难题的必经之路。采用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量技术对横向声波激励下的预混火焰特性进行了研究,获得了横向声波激励预混燃烧火焰中的未燃区/预热区分布变化情况。实验结果表明:随着激励声波声压级的增大和激励声波频率的减小,未燃区/预热区形貌的变化逐渐增强;同时,随着激励声波相位的变化,未燃区/预热区形貌呈周期性变化。对丙酮PLIF图像进行边界提取,获取了不同声波频率、声压级条件下的未燃区抬举高度、扩散面积。利用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量成功捕捉到典型声波频率、声压级下的火焰形貌演化过程,并分析了该典型工况下的火焰熄灭现象及其机制。     

本生灯法结合纹影技术测量甲烷/空气层流燃烧速度及流场分析

层流燃烧速度是确定燃烧传播模型和验证化学反应机理的关键参数。搭建了本生灯实验系统和纹影实验系统用于探究甲烷预混层流燃烧特性，通过本生灯法和纹影技术测得了甲烷/氮气/空气的层流燃烧速度和火焰外部流场，并且探究了当量比及氮气掺混对层流燃烧速度和火焰外部流场的影响。研究发现，当量比对甲烷层流预混火焰燃烧特性有着重要的影响，随着当量比的增加，层流燃烧速度先增大后减小，锥形火焰高度先减小后增加，火焰外部流场开始逐渐趋于稳定；氮气掺混对层流燃烧速度起着降低的作用，且掺混的氮气越多，层流燃烧速度降低幅度越大；掺混氮气后火焰高度增加，但是火焰外部流场变得更加紊乱，难以稳定。     

水平携带床内玉米秸颗粒速度场的PIV实验研究

为研究生物质颗粒在水平携带床中的流动特性,搭建了水平携带床透明模拟装置.利用PIV无接触测量技术,在氩气流量为1.9 m3/h工况下,对60~160目粒径的玉米秸颗粒流进行了速度场的研究.计算出了颗粒和氩气的平均速度以及流经水平携带床的时间,对颗粒与氩气的跟随性进行了分析.研究结果表明,颗粒流的轴向速度沿轴方向不断增大,管道中心附近的颗粒加速最为明显,而边壁附近的颗粒速度变化相对较慢;颗粒流的速度沿径向大致呈抛物线状分布;颗粒流的平均运动速度比氩气低,颗粒流通过水平床的平均时间略大于氩气.     

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。     

合成气组分及雷诺数对火焰结构影响的实验研究

利用非接触的激光PLIF技术测量了在湍流贫燃预混燃烧中的OH自由基分布。以典型煤制合成气真实组分为基础进行工况设计,分为H2含量变化、CO/(CO+CH4)相对比例变化、雷诺数变化和中低热值对比4部分进行实验。通过OH-PLIF信号分析,探讨了H2含量、CO/(CO+CH4)相对比例和雷诺数对燃烧的影响。实验结果表明,雷诺数、H2含量和CO/(CO+CH4)相对比例的变化对合成气燃烧过程都有显著的影响。其中雷诺数的增大和H2含量的增加都加强了OH-PLIF信号强度,即有利于火焰中OH自由基的生成。而CO/(CO+CH4)相对比例的上升,因同时减少了CH4含量,导致OH自由基浓度下降。H2含量的升高和CO/(CO+CH4)相对比例的上升(转折点前)对于火焰行程都有缩短的作用,强化了燃烧。转折点之后CO/(CO+CH4)相对比例的继续上升不利于燃烧。后文对裂解气火焰瞬时图像和火焰面密度的分析印证了上述规律。     

可控流场尺度预混湍流燃烧器及其火焰结构分析

为了研究单一湍流场参数对预混湍流火焰结构的影响，以及拓宽湍流场的强度和尺度范围，发展了一套可变结构的预混湍流燃烧器。采用恒温型热线风速仪标定流场，得到了一系列湍流参数。流场标定结果表明:该燃烧器能显著拓宽湍流强度和尺度范围，并能利用不同几何结构产生多种可控流场，实现研究单一湍流参数对湍流燃烧速度和火焰结构影响的目的。选用有代表性的15种湍流孔板组合结构，利用OH-PLIF燃烧激光诊断技术，开展了湍流燃烧实验，结果表明:湍流强度的增大（1 < u'/S_L，0 < 10）使得湍流火焰分区扩展到了薄层反应区，火焰面破碎程度明显增强，孤岛结构明显增多。高宏观雷诺数下，积分尺度的增长对湍流燃烧速度起抑制作用，可能存在临界宏观雷诺数Re_c，能够表现流体惯性力占主导地位的程度，决定积分尺度对湍流燃烧速度的影响效果。积分尺度能量大，扰动能力强，故积分尺度越大，火焰体积越大；但过高的湍流强度会使火焰面褶皱更加剧烈，小尺度叠加在大尺度上的程度增强，最终也使火焰体积显著增大，掩盖了积分尺度对火焰体积的影响，说明积分尺度（表征大尺度）不如湍流强度（表征叠加小尺度的程度）对火焰放热率影响大。     

煤粉粒径分布在气固两相流场中的测试技术研究

针对输送管道内煤粉颗粒的粒径分布宽的特点，用侧向接收散射光的Mie散射方法和Fraunhofer衍射方法作了理论分析和实际测试。利用分子筛和显微镜对被测粒子进行了静态测量，其结果可以作为相对准确的测量标准。研究结果表明，针对细粉分离器内煤粉颗粒的形状、浓度和粒径的分布规律，用衍射测试方法可以达到较高的测试精度，取得较好的测试效果。     

多孔压敏荧光粒子的制备与流场压力/速度测量的性能表征

开发了一类微米级压敏荧光粒子。该粒子由表面多孔的空心二氧化硅（SiO₂）粒子与压敏荧光材料（PtTFPP和Ru（dpp））融合而成。通过浸染方法使压敏荧光分子附着于粒子上，形成多功能示踪粒子，从而将粒子图像速度场测量技术（Particle Image Velocimetry，PIV）与压敏漆（Pressure Sensitive Paint，PSP）技术相结合，发展了一种流场压力与速度同步测量的技术，为流体力学研究提供一种崭新的实验测量手段。利用PSP静态与动态标定系统，对压敏粒子的信号强度、压力敏感性与压力响应时间进行了测量，研究了不同粒径和不同材料对压敏粒子性能的影响。测量结果表明，制备的压敏粒子具有较好的压力敏感性，其压力响应时间区间为40~70μm，符合测量流场瞬态压力的需求。分析了粒子在流场中的跟随性能，其中2μm粒子松弛时间为7.5μs，有较好的跟随性能。     

双附壁扁平射流燃烧室流场的测量

一种新型的双附壁扁平射流炬形模型，应用到煤粉燃烧室中，具有很高的工业价值。作者使用二维激光多普勒测速仪，对这种模型的冷态流场，进行了测量，得到二维的平均速度、湍流度、相关系数和雷诺应力等一系列数据结果，验证了这种燃烧室具有明显的双附壁效应和强烈的湍流脉动，是一种有利于燃烧和避免结焦沉底的高效型结构，具有推广价值。文中着重介绍了带有频移器的ＬＤＶ系统的有关操作技术。     

预混湍流火焰面褶皱结构网络拓扑研究

湍流火焰结构是表征湍流与火焰相互作用的组分、速度、温度等标量场信息，理解湍流与火焰相互作用规律，验证和发展湍流燃烧模型的实验基础。针对传统曲率PDF分布反映湍流火焰面褶皱结构失准问题，利用网络拓扑结构方法可以标记系统关键节点和特征结构，构建湍流火焰面的拓扑结构。本文标记了湍流火焰面上的关键褶皱结构，分析了湍流与火焰的作用规律，结果表明:低湍流强度下，湍流火焰面的关键褶皱结构由火焰自身不稳定性引起；当湍流强度增大，湍流火焰面的关键褶皱结构由湍流尺度决定。在本生灯湍流火焰中，火焰自身不稳定性引起的火焰褶皱与火焰发展距离有关。在本生灯火焰底部，火焰自身不稳定性不引起火焰面褶皱，随着火焰向下游发展，其对火焰面影响逐渐增大，火焰褶皱程度增加。