CH4/Air反扩散射流火焰多组分同步PLIF诊断

多组分同步平面激光诱导荧光技术在研究火焰结构和燃烧反应中间产物二维分布等方面有着重要作用。为了研究CH₄-Air反扩散射流火焰，搭建了OH/CH₂O/丙酮（Acetone）多组分同步平面激光诱导荧光实验系统。系统由2套激光器、2部ICCD相机、1组时序控制器以及光学系统构成。通过对不同组分物质分子有效激发策略、时序控制方法以及双ICCD成像技术进行了分析，最终实现了对火焰反应区、预热区以及燃料分布区域等火焰结构信息瞬态测量及可视化。基于该实验系统，对反扩散射流火焰进行了实验研究。研究结果表明，反扩散射流火焰形式既不同于传统的预混火焰，也不同于常规的扩散火焰，更多表现为部分预混的扩散火焰；较之OH*化学发光成像，多组分平面激光诱导荧光结构更能准确认识火焰的基本形态和燃烧模式，在基础燃烧和工业研究中都具有重要的应用价值。     

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。     

平面激光诱导荧光技术在超声速燃烧火焰结构可视化中的应用

平面激光诱导荧光（PLIF）技术能够高时空分辨成像火焰结构并用于研究超声速燃烧机理。利用OH-PLIF与CH-PLIF技术研究了超声速燃烧的火焰结构。其中，利用OH-PLIF技术对燃烧室中3个展向截面与2个流向截面的凹腔稳定火焰反应区结构进行成像，利用CH-PLIF技术观测凹腔火焰放热区结构。实验结果表明:全局当量比较低时燃烧主要发生在凹腔中，OH沿中轴线对称分布；高当量比时火焰位置更高，OH主要沿燃烧室两侧壁面分布；CH所存在的超声速燃烧放热区呈现高度褶皱和破碎结构，放热区分布在比反应区更窄的区域。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于红外和纹影技术研究声作用下火焰锋面运动及热量演化

以Rijke型驻波声场为声环境，以本生型层流部分预混火焰为实验对象，研究了火焰在声场作用下的锋面运动及热量演化行为。通过火焰红外图像表征燃烧反应产生的高温产物，借助火焰纹影图像描述径向温度梯度分布，并以红外-纹影信息一体化的图像说明了高温产物与径向温度梯度的关系。结果表明，声场作用下的部分预混火焰，其高温产物附着在锋面上，表现为层分布的对称型尖头结构，下游区域较上游区域幅面更宽；轴向热量演化过程以尖头状分布方式在声周期内经历2次升降过程，向火焰下游方向输运，径向热量传递过程所形成的温度梯度轮廓表现为“手指状”，由高温产物的尖头结构及运动决定。     

背景纹影定量化在层流轴对称火焰温度场测量中的应用研究

本文以本生型甲烷/空气层流预混火焰为研究对象,研究了背景纹影技术在层流轴对称火焰温度场测量中的应用。考虑到背景尺度对窗口和相机参数的限制问题,采用了多尺度小波噪点背景。比较各类运动图像处理技术的特点,选用变分光流法获取光线穿过火焰后的偏转角。搭建实验台并进行背景纹影火焰测温实验,实验中发现,在选用多尺度小波噪点背景的情况下,由变分光流算法获得的像素位移分布图的噪声小于同等条件下由互相关算法得到的结果。最后,假设火焰呈轴对称分布,结合Gladstone-Dale公式与理想气体状态方程分别获得了甲烷火焰当量比为1.06和0.83这2种实验条件下的温度场,所获得的温度分布与Raman-LIF法的测温结果相比,趋势基本一致。     

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。     

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。     

乙烯/空气在激波管中自点火流场显示研究

为认识不同压力（p₅）和温度（T₅）的乙烯/空气自点火和火焰传播特征，在矩形激波管中，采用火焰自发光信号触发高速ICCD相机拍摄了反射激波后流场，得到了不同工况下乙烯/空气自点火流场序列图像。结果表明:对p₅=106kPa，当T₅=1210K，点火首先发生在激波管反射端面附近，向上游（右侧）传播并形成近似平面火焰。火焰面随时间推进趋于垂直激波管轴线，火焰在传播过程中厚度近似保持不变，且内部存在漩涡结构。当降低T₅，自点火位置逐渐远离反射端面，初始火焰厚度增大且光强变弱，由单个平面火焰演变为多个离散的不规则火焰。当T₅=1077K，初始火焰首先出现在观察窗右侧（远离反射端面）并向上下游传播。当增大p₅，火焰光强增大且漩涡尺寸减小，不同p₅对应的火焰产生和传播规律类似。当p₅=265和419kPa，火焰内部产生局部爆炸现象，多个局部爆炸区在传播过程中不断融合，最终形成向上游传播的近似平面火焰。     

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。     

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。