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。     

脉冲爆震发动机中温度和组分浓度测量技术的发展

脉冲爆震发动机内部工作条件极其恶劣,测量爆震波温度和某组分浓度十分困难。本文回顾了近几年国内外在爆震温度场测量方面的技术发展,特别是应用激光诊断技术测量爆震波的温度和某些组分浓度。总结了国内外应用光学诊断技术测得的爆震波火焰温度,结果发现:对气体燃料/氧气而言,在化学恰当比下一般其爆震波温度大约为3900K,与CJ理论值非常接近;然而对液态燃料JP-10而言,当氧化剂为氧气时,爆震波温度为2500K;当氧化剂为空气时,爆震波温度仅仅约为1500K。     

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.     

国外脉冲爆震发动机技术研究

本文介绍了脉冲爆震发动机（PDE）的基本概念、工作原理、性能优势、应用前景,以及面临的技术挑战,其中重点介绍了混合脉冲爆震发动机技术。此外,还对目前国外在脉冲爆震发动机研究领域的进展进行了综述。     

脉冲爆震发动机爆震室起爆研究

根据脉冲爆震发动机（PDE）的概念、工作原理,分析了爆震燃烧的特点和起爆方法,研究了可燃气体在空气中存在的爆炸极限,分析了应用爆炸极限理论引发爆震的可行性。设计了航空煤油和空气作为起爆能源的爆震室,为了提高爆震成功率,爆震室油气混合气按照爆炸极限混合。定量计算了化学恰当比的航空煤油完全燃烧放出的热量以及爆震室最终温度和压力,分析了反应混合物浓度和起爆的关系。     

燃料浓度分布激光诊断方法与应用

航空发动机内部燃料浓度分布情况影响其性能,诸如点火性能、燃烧效率、污染物生成和出口温度场等,因此,燃料浓度分布研究十分重要。近年来,基于激光的非接触测量与诊断技术快速发展,平面激光诱导荧光（PLIF）、Raman散射、Rayleigh散射、Mie散射、激光诱导击穿光谱（LIBS）、可调二极管激光吸收光谱（TDLAS）等非接触测量手段已成功应用于燃料浓度分布的诊断研究中。介绍了上述基于激光来诊断燃料浓度分布技术的基本工作原理及研究进展,分析对比了各种测量手段的优缺点,提出了基于单台高能量激光器同时测量多组PLIF组分、基于体激光诱导荧光（VLIF）发展V-Rayleigh散射和V-Mie散射技术等新的测量思路,展望了这几种激光诊断技术在燃料浓度分布研究方面的发展趋势,未来航空发动机内部的燃料浓度测量将会朝着高速瞬时演化过程的3D成像方向发展。     

混合气体燃烧中爆震波传播机理的研究

对混合气体燃烧中爆震波的传播机理进行了分析研究，建立了确定爆震波速度的方法，并计算了在液体燃料（汽油、煤油）与空气混合气体燃烧中产生的爆震波特性参数，为脉冲爆震发动机的实验研究和设计提供理论依据。     

爆震燃烧的特性研究

研究了爆震管中爆震燃烧的压力特性及爆燃到爆震转捩 (DDT)特性。在乙炔与氧气的预混气中 ,通过高频响压力传感器及自行研制的离子探针 ,测量了不同工况下爆震燃烧的压力与火焰传播速度的变化历程 ,获得了爆震波峰值压力、波后压力及 DDT距离随混气初始压力 (2×10 4 Pa～ 1× 10 5Pa)、混气当量比 (0 .3～ 1.0 )及混气浓度 (6 0 %～ 10 0 % )的变化规律。试验结果表明 :降低预混气的压力、混气当量比及浓度会使爆震波的峰值压力、波后压力不同程度的下降 ,DDT距离增大 ,其中 DDT距离对混气浓度最敏感     

预爆管式脉冲爆震原型机试验研究

为了实现多循环吸气式脉冲爆震发动机（PDE）在较短距离内缓燃向爆震的转捩,降低主爆管通过障碍物触发爆震的内部阻力损失,设计了预爆管和主爆管以同种混气（汽油/空气）为工作介质的两相PDE原型机,试验研究了爆震燃烧过程。研究表明：当预爆管出口扩张角度为45°时,可以实现爆震波在主爆管内向衍射面上、下游传播;设计的预爆管式PDE原型机可以实现最高频率为66.7 Hz的稳定间歇工作。     

爆震管内火焰发展机理试验

为客观地了解爆震管内火焰燃烧发展变化的过程,首先设计了光电池测量系统,在同一截面上安装了高频响PCB压力传感器、离子探针和光电池。通过测量离子探针和光电池的触发时刻来验证光电池测量火焰信号的正确性,然后通过分析光电池信号的持续时间来间接获得单个截面处火焰燃烧的持续时间。结果表明:当爆震波传出爆震管后,管内仍在继续燃烧,且燃烧持续时间的量级为毫秒级。     

吸气式脉冲爆震发动机原理性试验研究

设计了内径分别为60、70mm的两组吸气式两相脉冲爆震发动机,在略高于常压状态下成功进行了以汽油为燃料、以空气为氧化剂的吸气式两相脉冲爆震发动机原理性试验。进气道内采用无阀的进气结构,试验中在爆震管内部安装Shchelkin螺旋来促进爆震波的生成,所测量的爆震波接近充分发展的C—J爆震波。内径60、70mm的发动机最高工作频率分别为15、20Hz。进气道内压强变化幅度在0．1MPa左右,说明所设计的进气道与爆震管匹配良好,这将为脉冲爆震发动机用于工程实际提供技术储备。     

喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能影响的试验研究

为了研究喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能的影响,设计加工了直径为80mm的汽油/空气两相脉冲爆轰发动机（PDE）,在PDE文氏管内不同位置安装喷嘴,进行了冷态雾化和热态燃烧转爆轰试验,分析了马尔文激光粒度仪测得的液滴尺寸分布和动态压力传感器测得的信号。试验结果表明：喷嘴的安装位置对脉冲爆轰发动机的性能具有显著影响;喷嘴安装在文氏管喉部时爆轰管内雾化混合效果最好,爆轰波峰值压力最大为3．5 MPa,工作频率最高为30Hz;喷嘴安装在文氏管入口时爆轰管内雾化混合效果最差,爆轰波峰值压力最小为0．9MPa,工作频率最低为15 Hz;在试验范围内,改善雾化混合效果有利于提高脉冲爆轰发动机的工作频率。研究结果对脉冲爆轰发动机的设计具有参考价值。     

TDLAS测量甲烷／空气预混平面火焰温度和H2O浓度

基于可调谐二极管激光器吸收光谱技术（YDLAS）建立了温度和H2O浓度测量系统,利用光谱数据库Hitran2004在1393nm附近选择了在500～1300K有很高测温灵敏度的两条水吸收线：7168．437cm^-1,7185．597cm^-1。在1kHz的扫描频率下,利用直接吸收-扫描波长法对甲烷／空气预混平面火焰进行测量,并进行边界层修正,与热电偶的对比结果显示,在温度区间1100～1350K,两者最大相差80K（6．7％）;水蒸气组分浓度与计算值平均相差小于0．02（10％）．     

用烟迹法研究爆燃向爆震的转捩

为能直观了解由爆燃到爆震的转捩过程(简称DDT)中激波的变化过程,在60mm×60mm×2000mm方爆震管的侧面设置了60mm×1380mm的窗口来获得爆震波的烟迹图,分别用乙炔(C₂H₂)和空气、氢气(H₂)和空气混合物进行了单次爆震性能研究.利用安装在同一截面上的压力传感器与离子探针同时测得DDT位置段爆震管内的压力分布、火焰传播速度和方向.试验结果表明:①烟迹法是研究DDT更为直接和有效的手段之一;②在本试验条件下,观察到DDT过程中过爆只会出现一次,但从过爆衰减至正常C-J爆震波的过程中存在多次多点爆炸的迹象;③初始条件相同的情况下,乙炔的胞格尺寸小于氢气的胞格尺寸.      

尾喷管构型对多循环两相脉冲爆轰发动机流场及性能影响

为了研究尾喷管构型对多循环工况下非定常气液两相脉冲爆轰发动机推进性能的影响,运用适应能力强的非结构网格CE/SE(时空守恒元和求解元)方法数值研究了带尾喷管脉冲爆轰发动机的内外流场.结果表明:尾喷管对脉冲爆轰发动机性能的影响在单次循环和多循环工况下有显著差异;当燃料填充率为1、环境压力为0.1MPa时,完成一个周期各种构型尾喷管产生的平均推力由大到小依次为拉伐尔喷管、塞式收敛扩张喷管、收敛喷管、无喷管、直喷管;研究中塞式收敛扩张喷管可以提供最大的冲量和燃料比冲,但完成单个循环的周期最长.      

Acceleration of DDT by non-thermal plasma in a single-trial detonation tube

This paper compares the flame acceleration in single-trial dual-detonation tubes triggered by a spark plug and non-thermal plasma igniter. The low-temperature plasma was generated by an in-house novel AC-driven dielectric barrier discharge igniter, which reduces the power supply requirements and was applied in the quiescent ignition of a single-trial detonation tube. Three different types of detonation mixtures were tested with flame propagation tracked by ion probes and pressure waves recorded by high-frequency pressure transducers. The flame propagation speeds were calculated and compared based on signals from the ion probes. The detonation combustion succeeded in the dual tubes, but the deflagration-to-detonation transition could be significantly accelerated by the plasma for all mixtures, as it was shortened by more than 50% compared to that of the spark plug. The present study provides a suitable technological approach for igniters of PDEs.     

初始压力和狭缝高度对狭缝内起爆距离影响的实验

为获得狭缝内爆轰波起爆距离(DID)的变化规律,分别在宽度为10mm,高度为1.0,2.2,2.9,4.0mm,长度为1220mm的狭缝爆轰管内对不同初始压力下(5~45kPa)化学当量比的乙烯/氧气混气进行单次爆轰性能实验研究.根据烟迹法、高速摄影图片判定起爆位置,得到初始压力和狭缝高度对爆轰波起爆距离的影响规律.结果表明:①在初始压力为10~20kPa时,起爆距离随着狭缝高度增加逐渐缩短;②在初始压力为25~40kPa时,起爆狭缝距离随着狭缝高度变大先降低后增加,在初始压力为45kPa时,起爆距离随着狭缝高度增加而变长;③综合初始压力和狭缝高度的影响,初步得到起爆距离随初始压力和狭缝高度等参数变化的量纲归一化经验公式.      

狭缝内乙烯/氧气预混气体爆轰几何极限的实验

为研究狭缝内爆轰波传播极限,实验得到了不同初始压力(0.004~0.04MPa)下化学恰当比的乙烯/氧气预混气体在狭缝高度为1.0~4.0mm狭缝内的爆轰性能.采用烟膜板记录爆轰波运行轨迹,高速摄影捕捉火焰面.结果表明:狭缝高度越小,爆轰极限对应的临界初始压力越高.对于近极限条件内不稳定爆轰传播模式,包括"结巴"爆轰和驰振爆轰,其对应的初始压力范围随着狭缝高度的降低而变宽.考虑初始和边界条件,将水力直径与胞格宽度之比作为合理的爆轰敏感性参数描述预混气体爆轰特性,得出在不同狭缝通道内爆轰极限范围为,即该比值在0.326~0.403之间.      

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。