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。     

强湍流下点火及火焰传播机理研究进展

可燃预混气点火过程研究是发动机燃烧领域最重要的课题之一。当前电火花强制点火广泛应用于各类发动机燃烧室中,其点火过程具有很强的瞬变性,从电火花产生到火焰完全形成的整个过程中,多种复杂因素联合影响点火火核的产生和发展。目前发动机高压、强湍流工况下的点火和火焰传播机理认识还不完善,亟需研究的科学问题是湍流和化学反应相互作用对点火和火焰传播的影响机制及其建模,包括湍流对点火的促进/抑制机制,湍流对火焰传播和火焰整体发展的影响规律,燃烧释热和火焰面不稳定性对湍流脉动速度(即火焰产生的湍流)的影响机制和对火焰传播速度的增强机制及由此导致的层流燃烧自加速转捩为湍流燃烧的理论,燃烧过程对标量通量输运(即反向或压力驱动输运)的影响机制。本文对强湍流下点火及火焰传播理论、实验和数值模拟方面的研究进展进行综述。     

三头部燃烧室点火过程中火焰传播特性研究

为了探讨三头部燃烧室点火过程中的火焰传播特性,建立了矩形模型燃烧试验系统,开展了流动与点火过程中火焰传播特性、当量比对周向点火过程影响规律的研究。研究表明:初始火核主要在中心回流区边界形成,其传播过程具有阶段性,先顺流线方向进行传递,待燃烧强度增大到一定值后,火焰才开始向其他区域延伸;在相同压损下,当量比减小会使得燃烧室周向点火时间增加,主要为初始火焰发展阶段时间增加,当量比由0.89减小到0.6时,周向点火时间由33.5 ms增加到42 ms,流动加速系数由1.75增加到3.77,即随当量比减小,湍流褶皱等流动因素对火焰传播的加速效应增大;在初始火焰的发展阶段,气体热膨胀效应对火焰传播加速效应占主导作用。     

基于发动机非正常燃烧的湍流火焰-冲击波相互作用的实验研究

爆震、超级爆震等非正常燃烧现象是限制小型强化点燃式发动机热效率进一步提升的突出瓶颈。爆震或超级爆震发生时总会伴随着湍流火焰-冲击波的相互作用，因此对湍流火焰-冲击波的相互作用的研究是揭示其机理的关键。本文通过在可视化定容燃烧弹内安装孔板实现火焰过孔板加速并产生冲击波，并通过改变初始热力学条件和孔板的参数，来实现不同强度的湍流火焰和冲击波及其相互作用过程。基于该燃烧装置开展了火焰加速、冲击波的形成以及湍流火焰-冲击波相互作用导致不同燃烧模式的研究。根据燃烧室末端火焰传播和压力振荡情况，总结出5种燃烧模式，其中发生自燃的燃烧模式的压力振荡幅值均超过4.5MPa，是未发生自燃时的4~40倍。因此，湍流火焰-冲击波相互作用对燃烧压力振荡具有重要影响。     

封闭空间中不同压力下火焰过孔板加速机理研究

爆震或超级爆震发生时总会伴随着湍流火焰-冲击波相互作用，对其开展研究是揭示爆震或超级爆震机理的关键，研究火焰加速产生压力波的过程是火焰-压力波相互作用研究的基础性前提。基于自主设计的定容燃烧弹和Converge三维数值模拟方法，对封闭空间中火焰过孔板加速机理及影响因素开展了研究，讨论了初始压力对火焰过孔板加速的影响。依据火焰传播形态与速度，将火焰过孔板加速过程分为3个阶段:层流火焰阶段、射流火焰阶段和湍流火焰阶段。通过分析火焰过孔板过程中的流场情况，发现在火焰未到达孔板前，孔板附近存在强射流，火焰受强射流的驱动而急剧加速；但当火焰穿过孔板之后，火焰锋面前的流场速度沿着远离火焰的方向而逐渐下降，说明开始由火焰驱动未燃气体运动。比较不同压力下的火焰过孔板过程，发现湍流火焰传播速度和缸压振荡均随着初始压力的提高而升高。     

基于分形几何的超声速燃烧火焰形态表征方法研究

分形几何是图像学发展的新兴学科。通过分形几何，可以研究不规则图形，揭示图形的自相似特性，并且给出图形自相似性的定量数据。本文将分形几何用于分析超声速气流中的火焰形态，定量分析了不同当量比与燃料组分摩尔比条件下火焰分形维数的变化规律，研究了湍流火焰传播速度和火焰边界分形维数之间的对应关系。通过高速摄影获得的火焰CH*自发光瞬态图像，记录了马赫数2.5超声速气流中不同燃料的火焰形态，验证了超声速火焰边界具有自相似性。实验结果表明，超声速燃烧湍流火焰锋面边界的分形维数随当量比的增大近似线性增大，随着燃料中氢含量的增加而增大。     

甲烷-空气预混火焰越过不同形状障碍物的实验研究

对甲烷-空气预混火焰越过安装于燃烧室内底壁的多种形状障碍物进行了系列实验。以高速阴影摄影获取火焰阵面变化的序列相片,准确地记录了流场和火焰的变化过程。结果表明,障碍物的上表面对诱导湍流具有十分重要的影响,而障碍物下游的回旋区会导致火焰的翻卷和弯曲。变形火焰在未燃气体中产生的压缩波在壁面进行反射并在燃烧区反复穿越,也大大破坏了火焰的稳定性。不同形状的障碍物对火焰稳定性的影响呈现的特点不同,但最终均能导致湍流燃烧和加速。     

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。     

管道中不同形状悬置障碍物与火焰相互作用的实验观察

研究管道内火焰与障碍物相互作用过程对预防因燃烧失稳导致爆炸事故具有非常重要的意义.利用高速阴影照相系统对方形管道内火焰流经不同形状的障碍物时所产生的失稳加速及变形进行了实验测试.障碍物置于管道内前端的中央位置,其形状分别为圆柱,方柱以及三角形柱体,实验表明火焰阵面在临近障碍物时会产生变形,其形状与障碍物形状相关.另外,由于障碍物与管道壁面会形成不同形状的火焰通道,从而使火焰在通道内的加速程度不同,在障碍物后形成不同的阵面结构.火焰在绕过障碍物后,因受到未燃气产生的尾流低压旋涡影响而在障碍物后方中向管道中心线翻转.     

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。     

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。     

OH和CH2O平面激光诱导荧光同时成像火焰结构

OH和CH₂O平面激光诱导荧光（PLIF)同时成像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能够发挥重要作用。OH的分布被用来表征火焰反应区的结构，而CH₂O的分布则被用来显示火焰预热区的分布。利用OH和CH₂O PLIF同时成像技术研究了甲烷/空气部分预混火焰的结构。从实验系统、光路调节、时序同步、OH A-X（1，0)扫谱、数据采集和处理等方面讨论了PLIF同时成像技术的实验方法。实验结果表明，OH和CH₂O PLIF同时成像能够分别呈现甲烷/空气部分预混火焰反应区和预热区不同形状的瞬时结构；由于反应区在相邻位置的结合，在火焰中能够局部生成新的分裂的预热区。     

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。     

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。     

测量透明位相物场的激光纹影-散斑干涉系统(英文)

本文给出了诊断相位场,如燃烧、对流、自由射流、超声速流场和等离子体等的一种激光纹影-散斑干涉系统。利用这套光学系统可在同一瞬时获得流场的散斑图和与之相应的剪切干涉图。作为实验,对一非定常波动的火焰(本生灯)进行了测试,实验表明用散斑照相术有可能得到密度波动的湍流场的定量结果;作为定量测试,对一沿竖直平板的自然对流,同时应用散斑照相和差纹影干涉术进行了定量分析,其结果的一致性很好。本文最后给出了散斑图的傅氏变换空间滤波的全场类似子纹影干涉图的流场显示照片。     

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。