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。     

某型航空发动机用离心喷嘴燃油空间分布特性试验

建立了平面激光诱导荧光(PLIF)用于燃油分布特性测量的试验装置及其校正方法,并验证了校正方法的有效性.PLIF和平面激光散射(PLS)方法的燃油分布特性测量结果表明PLS方法对直径小于50μm的液滴存在非线性效应使小液滴集中区燃油分布测量结果偏大,PLIF方法适合燃油分布特性测量.利用PLIF方法从喷雾锥角、燃油周向分布不均匀度和分布指数等方面综合评价燃油空间分布特性.偏心和尺寸大小不等的凹槽等分布不均匀的表现形式表明:造成燃油分布不均匀的因素包括喷嘴内部通道表面粗糙度、喷射孔圆度和零件之间的同轴度.利用PLIF方法研究雾锥在供油压差分别为0.14,0.25,2.5MPa时雾锥沿喷射方向的发展过程,液滴随雾锥发展逐渐从环形集中区分散到整个雾锥横截面,并且液滴分散过程随供油压差增加而加快.      

先进激光测量技术在航空发动机燃烧室研发中的应用

在航空发动机燃烧室的研发过程中,传统的测量手段往往有时无法实施或不能满足精确捕捉流场信息的要求,发展新型、高精度测量以及先进诊断技术势在必行。重点介绍了适用于航空发动机燃烧室测量的先进激光测试技术,并与传统测量方法进行了比较。发动机燃烧室内的流场测量包括速度测量、温度和组分质量分数测量。氢氧根离子标记测速(HTV)方法适用于有化学反应流场的速度测量;而拉曼散射测量技术可以同时测量多种组分的质量分数和温度。利用这些激光测量技术的特点,可以使其在燃烧室的点火、贫油熄火及排放等性能的研究中发挥重要作用。     

OH与CH2O双组分平面激光诱导荧光对旋流燃烧室火焰结构与脉动特征的研究

介绍了利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对航空发动机的旋流燃烧室模型在贫燃状态下工作特性的研究。通过对OH与CH2O双组分进行同步PLIF测量,获得了不同工况下燃烧室反应区以及预热区的瞬态结构信息。应用本征正交分解(POD)方法对OH PLIF的图像进行处理,得到了旋流火焰的主要脉动模态,并通过扩展本征正交分解(EPOD)方法计算出了相应POD模态的CH2O荧光信号分布。实验结果表明:随着燃烧室热功率的增大,火焰的整体结构、脉动模式均出现了明显的变化。在火焰高度增加的同时,轴向不稳定性逐渐增强,涡核旋进(PVC)的脉动特征相对减弱。在较大的热功率下,在燃烧室的外回流区(ERZ)出现未燃烧的燃料。      

电热破膜激波管及其PLIF测量系统的研制

探讨了用Nd：YAG脉冲激光器作为泵浦光源对激波管内瞬态非定常流场进行平面激光诱导荧光（Planar laser induced fluorescence,PLIF）测量的时序同步问题。由于该激光器需要预热以获得稳定的倍频输出,作者研制了低压大电流的电热破膜装置,实现对激波产生时机的控制。在大尺寸矩形截面的激波管上搭建了PLIF测量平台,并在此平台上进行了丙酮示踪流场显示和氢氧基分布测量。     

基于PLIF技术的气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴试验

以数值仿真的结果作为参考,开展了基于PLIF(平面激光诱导荧光)技术、高速摄影技术等非接触光学燃烧诊断技术的气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴试验研究。通过联合光学诊断对不同设计工况的燃烧流场进行诊断测量,获得燃烧室内OH分布,燃烧流场发展演化过程、火焰的结构等信息,对燃烧流场进行详细的分析。研究结果表明:气氧/气甲烷剪切燃烧火焰存在明显的剪切燃烧层,且随着轴向距离的增加,火焰逐渐失稳;随燃氧速度比的增加,流场涡旋作用明显加强,火焰根部稳定段变短,瞬时火焰结构卷曲和褶皱增多;仿真计算的OH分布与试验测得的OH分布相似,仿真模型能够合理预测气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴的燃烧流场。      

航空发动机复杂零部件的新型测量技术

<正>全球对航空发动机的性能追求从未停歇,对航空发动机零部件的要求也日益提高。海克斯康最新研发的Leitz三坐标测量机扫描技术、HP-O非接触测量和I++Simulator模拟软件等,为解决航空发动机复杂零部件的测量难题,提出了新的手段和方法。近几年来,航空市场发展迅猛,国内的航空发动机制造技术也正加速发展。在技术提升的过程中,航空发动机从研发到制造,对计量和测量的需求都非常迫切。在新型号研制过程中,设计部门希望获得准确的测量数据,用于设计验证;制造部门需     

叶片型面非接触测量系统设计与实现

针对航空叶片形状复杂、技术要求高、自动检测难度大等特点,本文基于锥光偏振测头和四轴运动平台搭建了非接触式光学测量系统.通过系统标定实现了数据统一,采用激光偏振全息测头采样技术与多轴联动定位技术相结合的测量方法,实现了航空发动机叶片型面的快速测量,通过对标准棒、模拟叶片的实际测量,验证了该四轴激光测量系统可实现对叶片型面的非接触、高精度测量.     

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。     

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。     

平面激光诱导荧光技术在超声速燃烧中的应用

使用283.553nm的紫外激光激发对温度不敏感的氢氧基Q1(8)线,拍摄代表氢氧基浓度分布的受激荧光发射图像,以此来分析超声速燃烧火焰的结构。用这种方法研究了不同凹腔长深比、凹腔后缘倾角和不同燃料喷注方案对超声速燃烧火焰结构的影响。观察到了凹腔与激波对点火和火焰稳定的作用,凹腔长深比和后缘倾角对燃料穿透、混合和燃烧的不同扰动作用,以及火焰中存在明显的湍流结构和分区燃烧现象,并进行了简要分析。结果显示PLIF是超声速燃烧研究的有力工具。     

合成气扩散燃烧的OH-PLIF测量

为了解中低热值合成气在燃气轮机燃烧室中的燃烧特性,利用平面激光诱导荧光(PLIF)法,对模型燃烧室内CH4和具有不同C-H比的合成气旋流扩散火焰开展实验研究.实验结果表明,CH4与合成气火焰呈现出截然不同的火焰形状,瞬态OH-PLIF图像揭示了它们具有湍流火焰的共同特征,且火焰都稳定在喷嘴出口位置.相比之下,CH4燃烧...     

Experimental investigations of the spray structure and interactions between sectors of a double-swirl low-emission combustor

In this paper, the spray characteristics of a double-swirl low-emission combustor are analyzed by using Particle Imaging Velocimetry (PIV) and Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) technologies in an optical three-sector combustor test rig. Interactions between sectors and the influence of main stage swirl intensity on spray structure are explained. The results illustrate that the swirl intensity has great effect on the flow field and spray structure. The spray cone angle is bigger when the swirl number is 0.7, 0.9 than that when the swirl number is 0.5. The fuel distribution zone is larger and the distribution is more uniform when the swirl number is 0.5. The fuel concentration in the center area of the center plane of side sector (Plane 5) is larger than that of the center plane of middle sector (Plane 1). The spray cone angle in Plane 5 is larger than that in Plane 1. The width of spray cone becomes larger with the increase of Fuel–Air Ratio (FAR), whereas the spray cone angle under different fuel–air ratios are absolutely the same. The results of the mechanism of spray organization in this study can be used to support the design of new low-emission combustor.     

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。     

可调谐二极管激光吸收光谱诊断燃烧参数

近红外二极管激光吸收光谱诊断技术以其高灵敏,响应快,结构相对简单,造价低廉等优点已成为测量准均匀燃烧场和流动场温度和组分分压的有效手段.本文介绍我们所建立的可调谐二极管激光吸收光谱诊断系统以及利用此系统进行燃烧产物H_2O浓度和温度的实验结果.作者还介绍了所发展的高敏感的探测技术-波长调制光谱(WMS,Wavelength Modulation Spectroscopy)的2f诊断技术.可调谐二极管激光吸收光谱技术可望应用于动态燃烧过程的诊断与控制.     

有/无凹槽通道内煤油超燃雾化的测量研究

为研究超燃流场中雾化煤油液滴直径分布,针对有/无凹槽(L/D=3)直通道,对煤油在超声速气流中的雾化过程进行了测量。利用纹影法得到雾化流场波系结构,利用平面激光诱导荧光(PLIF)得到煤油扩散范围,基于激光前向散射原理的激光粒度仪,得到液滴直径分布。结果表明,当来流和喷射条件相同,平板通道内的煤油射流穿透深度略大于凹槽通道。液滴直径呈在截面中心小、外侧大趋势,沿外侧的液滴直径波动较中心区大。煤油距喷口30 mm处已完成雾化,雾化区的液滴Sauter直径为4~8μm,凹槽对煤油穿透深度和雾化尺寸无明显贡献。     

不同隔板构型下带反应超声速混合层实验

为了考察超声速混合层混合、燃烧流场特性,并探索其被动增强方法,利用高速纹影、自发辐射成像和平面激光诱导荧光(PLIF)技术对压力匹配条件下的超声速混合层在不同隔板构型下的流场特性进行研究.结果表明:相对于对混合层混合的影响,凹腔对燃烧的影响明显受到抑制;尾部交错结构隔板促进混合层流向涡的产生,大大提高了混合层内燃烧强度.