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。     

TDLAS 技术二次谐波法测量发动机温度

发动机燃烧流场温度的准确实时诊断对研究燃烧机理、提高燃烧效率及降低污染物排放等至关重要。分析了 TDLAS 技术二次谐波法免标定测温原理,实现了利用该技术对直联式超燃冲压发动机燃烧室内部温度的在线测量,并采用电控平移台扫描的方式实现了发动机出口与扩张段温度随空间变化的测量。结果表明该发动机燃烧特性主要有：（1）发动机出口与扩张段,氢气与乙烯两种燃料燃烧状况基本相同,且随着沿 y 轴自下往上扫描,温度逐渐升高;（2）发动机燃烧室内,氢气燃烧时的温度比乙烯燃烧时的温度要高和稳定;氢气燃烧过程温度基本处于2100K 左右,乙烯从点火至燃烧结束温度从2000K 左右逐渐降至1250K 左右。TDLAS 技术在复杂燃烧环境下的工程应用表明该技术具有抗干扰能力强、数据处理速度快的优点,可用于研制发动机燃烧场温度在线监测传感器。     

激光吸收光谱断层诊断技术测量燃烧流场研究进展

激光吸收光谱断层诊断技术（TDLAT）是将可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）与计算机断层诊断技术（CT）相结合的一种新型的流场二维测量技术。该测量技术具有灵敏度高、抗噪声能力强等优势,可用于高温、高速、有毒等严苛环境下的流场监测,尤其在燃烧和推进流场测量中具有广阔的应用前景。首先介绍了TDLAT测量的基本理论,其次将TDLAT系统分为4个基本模块,即光学测量模块、数据处理模块、重建算法模块和后处理模块,分别对各模块的研究现状和关键技术进行了综述和对比分析,再次,列举了TDLAT在超燃冲压发动机、航空发动机和燃煤锅炉上的应用,最后讨论了TDLAT在燃烧流场测量中的发展趋势和有待解决的问题。介绍的TDLAT技术研究现状、关键技术及发展动态可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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

环形燃烧室周向点火机理基础研究进展

先进航空发动机普遍采用环形燃烧室结构,其周向点火联焰机理对发动机点火可靠性具有重要研究价值。由于实验室尺度模型实验成本低、测量精度高,已经逐渐成为实验研究环形燃烧室点火机理的重要途径。本文介绍了国内外几种典型的实验室尺度环形燃烧室模型及其相关研究,包括法国巴黎中央理工大学EM2C实验室的MICCA燃烧室模型;剑桥大学的预混/非预混环形燃烧室模型;慕尼黑工业大学的缩比燃气轮机环形燃烧室模型;浙江大学的环形燃烧室和涡轮耦合的TurboCombo模型。环形燃烧室周向点火过程一般分为3个阶段:（1）初始火核的形成;（2）火核扩张发展,在点火针附近喷嘴处形成单个稳定的旋流火焰;（3）火焰沿周向传播,依次点燃全部喷嘴后稳定燃烧。影响周向点火联焰过程的因素众多,机理复杂,已有的实验和数值计算对当量比、点火模式、热功率、流速、喷嘴间距等因素影响下的点火、熄火、火焰传播模式、周向点火时间等特征规律进行了丰富的研究。近年来,在环形燃烧室模型上也逐渐开展了气液两相喷雾燃烧的相关研究。同时,高时空分辨率的先进激光诊断方法的引入也将进一步推动点火机理的更深入研究。     

回流燃烧室流动、火焰及点熄火过程研究

回流燃烧室与直流燃烧室不同,结构复杂,为了研究回流燃烧室内的流动以及燃烧特性,采用粒子图像测速仪（Particle image velocimetry,PIV）测量对其冷态流场开展研究,通过火焰自发辐射手段得到了燃烧室火焰结构以及火焰传播过程。研究结果表明：回流燃烧室流场不具有对称性,内外壁面速度分布不相同,压损的改变对燃烧室流场结构影响较小,随着压损的增加,速度值增加。燃烧主要在主燃区和中间区进行,火焰呈一定的“月牙”形向外燃烧。燃烧室点火过程可分为火核生成阶段、火核发展阶段、点火成功阶段和火焰稳定阶段4个阶段,回流涡着火是成功点火的关键。熄火时,火核向回流区后部靠近,火焰根部逐渐远离旋流器出口位置,火焰从正常燃烧时的月牙形结构演变为单股火焰。     

一种新型舱段连接方式一偏心销

偏心销作为一种新型的舱段连接方式,最早见于俄制导弹（如P．27空空导弹）上运用,在工程设计过程中,由于结构设计的需要,需要对该舱段连接方式的物理性能进行了解,因此安排了偏心销连接的舱段结构强度,结构刚度和可靠性方面的摸底试验,通过与环齿连接方式的对比力学试验,掌握偏心销连接方式的连接原理和优缺点。同时掌握偏心销舱段连接加工工艺方面的细节问题,为工程设计总体方案报告提供强有力的支撑。     

脉冲爆震燃烧器混合室研究

利用CFD程序分别对切向、轴向和径向供气方式的混合室中油、气的混合特性进行了三维数值模拟.切向进气有助于油气的充分混合,但是油、气分布不均;轴向进气时油、气分布比较均匀,但是油气的混合不够充分;而径向进气的油气分布、混合程度介于切向与轴向进气之间.能耗较大.设计了四种混合室结构,进行了基于两相无阀脉冲爆震燃烧器(PDC)的热态试验研究,找到了利于点火、起爆迅速的混合室结构.     

侧向喷流单、双喷管气动特性研究

在CARDC-5的高超声速推进风洞中,采用空气作为喷流介质对双锥柱体模型的单、双喷管侧向喷流干扰进行了对比实验研究.实验状态为:马赫数6、飞行高度H=54km、迎角α=0°~6°、滚转角y=0°~9°.实验结果表明:(1)单喷推力放大因子在1左右,力矩放大因子略小于1,喷流干扰影响较小;(2)双喷管流场因为喷流相互干扰的作用,其各放大因子变化量较单喷更稳定;(3)在此高度及模型外形条件下,不管是单喷管还是双喷管,喷流干扰对其自身推力影响不大.     

基于内窥火焰传感器技术的超声速燃烧感知实验研究

高动态频响传感器及作动机构是高性能控制系统FADEC的关键技术之一。开发了一种基于被动火焰自发光谱的内窥式光纤火焰传感器进行光学诊断,初步验证了光纤火焰传感器数据的燃烧过程感知价值。基于中国科学院力学研究所的直连式超声速燃烧实验台,模拟了来流总温1475 K、总压1.68 MPa、马赫数5.6的发动机工作状态。在不同当量比和动量通量比条件下,使用新开发的内窥式光纤火焰传感器,测量了以CH*表征的燃烧释热率和以C₂*/CH*表征的局部当量比。结果表明:内窥式光纤传感器可感知燃烧室释热率的时空演变特性;内窥式光纤传感器可感知频域燃烧振荡特性,实验表明燃烧过程可能存在展向的热声振荡现象;内窥式光纤传感器C₂*/CH*光信号可感知局部当量比的时空演变特性,结合CH*光信号可应用于混合场与燃烧场关联性的研究;局部火焰质心位置的统计特征表征了剪切层稳焰模式和射流尾迹稳焰模式。     

发动机复合模型及其在飞/推综合优化控制中的应用(英文)

研究了飞/推综合控制系统的在线优化实时性问题。提出将机载发动机复合模型与序列二次规划(Sequential quadratic programming,SQP)算法结合应用于飞/推综合优化控制的策略。首先,设计适用于全包线范围并可大幅度缩短优化时间的发动机稳态复合模型,然后基于SQP算法将该模型应用到发动机性能寻优控制中,包括最大推力和最小油耗优化模式,从而更加有效地完成各种不同的飞行任务。通过飞机巡航、平飞加速等仿真实验,表明了该优化控制方案能够在具有较好优化效果的前提下,明显提高飞/推综合控制系统的优化实时性。     

用PIV技术研究四角切圆锅炉燃烧器区冷态燃烧流场的湍流积分尺度

四角切圆锅炉内煤粉的燃烧过程对提高锅炉运行效率及NOx减排有着显著的现实意义.通过搭建四角切圆锅炉冷态模型,利用粒子成像测速技(Particle Image Velocimetry),采用空间相关分析方法,针对燃烧器区四角射流复杂湍流的涡拟序结构,开展基于湍流积分尺度来表征的3个典型水平层面涡尺度分布规律研究.通过对湍流积分尺度和时均速度的相关分析研究,认为冷态燃烧器区湍流涡尺度分布不仅与风口流速相关,同时还与风层位置密切相关,并不与风口流速呈线性变化规律,上一次风层涡尺度分布与其它两个风层的相比存在很大差异,因此湍流积分尺度的研究对煤粉高效洁净燃烧具有一定的理论指导意义.     

高超声速飞行器的碳氢燃料双模态超燃冲压方案研究

以超燃冲压作动力的高超声速巡航飞行器与火箭动力相比，在M＝6时，比冲增加二倍以上；与亚燃冲压相比，发动机内静温、静压低，从而减轻了结构强度负荷，简化了结构设计。这种巡航飞行器匕行速度快，突防与生存能力强，具有更大的作战能力。根据我国国情，本文提出了一种以碳氢燃料双模态超燃冲压作动力的高超声速巡航飞行器的方案，并针对航程1500km，重1500kg，直径0.6m，长45m的飞行器参数，估算了轨道、飞行时间、燃料消耗,确定了超燃冲压前体进气道及燃烧室的形状、尺寸，并作了超燃冲压性能计算。     

基于DSP和CAN的飞/推综合控制优化计算机设计

从工程应用的角度出发，根据飞／推综合控制技术对计算能力和数据通信能力的要求，提出基于DSP和CAN总线的飞／推综合控制优化计算机设计方案。优化计算机实时接收飞机和发动机的信息，利用内嵌的优化模块，对发动机控制指令进行校正，使飞机和发动机的整体性能达到最优。论文阐述了优化计算机的软硬件设计方法，并通过基于优化计算机的飞／推综合控制半物理仿真试验，验证了优化计算机的设计方案是可行的。     

航空发动机进气温度畸变研究综述

进气温度畸变是影响航空发动机稳定工作的重要因素,本文首先概述了航空发动机进气温度畸变的来源,介绍了国内外围绕温度畸变引入机制开展的流动机理研究进展,总结了进气温度畸变对推进系统部件和发动机总体的影响。其次,分析了国内外现有的温度畸变模拟装置结构、工作原理与性能特性,介绍了利用畸变模拟装置开展机理研究与工程应用研究取得的进展。进一步,对比分析了各类温度畸变评定措施和评定标准,介绍了进气温度畸变测试环节涉及的关键技术。最后,列举了航空发动机进气温度畸变的抑制技术及针对温度畸变的发动机防喘控制技术,分析了各种技术的优缺点。航空发动机进气温度畸变研究对发动机抗温度畸变设计和测试具有重要的指导意义。