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。     

化学发光火焰三维重建研究综述

燃烧过程具有三维、高温、湍流、非稳态等特性,其精确测量存在一定的难度,一直是国内外研究的热点。化学发光计算断层成像（CTC）技术将化学发光技术和计算机断层成像（CT）技术相结合,通过直接拍摄不同角度的火焰图像,利用重构算法进行重建,可以快速准确地实现火焰三维结构的精细刻画。CTC系统以火焰的自发光作为光源,因此不需要额外的光源设备,这使得该系统具有容易搭建、可在复杂环境下实现等优势,可以用于高温、湍流火焰的实时测量,对于研究复杂燃烧流场、提高燃烧效率有着十分重要的意义。本文首先介绍了CTC技术的基本原理,然后从成像模型、重构算法、实验方法和应用方向4个方面介绍了CTC技术在火焰重构方向的研究进展,最后讨论了CTC技术的发展趋势。     

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。     

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。     

烟火药水下燃烧的声辐射机理与实验研究

烟火药水下燃烧能够形成低频的水下声.法国烟火集团拉克鲁瓦防御公司研制出了一种"烟火--声电"声诱饵(1995),但是至今还没有进行深入的研究与报道.本文就烟火药水下燃烧的声辐射机理进行了探讨.结果显示,其所辐射的噪声主要包括喷注噪声和气泡噪声,进一步的分析发现主要以气泡噪声为主,喷注湍流噪声为辅.为了证明此观点,实验研究了具有脉动燃烧效应的烟火药水下燃烧时的声辐射特性.     

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。     

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。     

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.     

互相关函数在窄槽对中上的应用研究

不等距的窄槽载正加工是机械加工的难题之一。文中采用了电涡流传感器来采集窄槽的位置信号,利用信号边沿部分对称的特点,采用了“倒序列相关”的方法 用倒序信号与原信号进行互相关分析,充分利用了信号的全过程,滤除了信号中的随机成分,精确地求得窄槽的中心位置。试验的结果与理论研究基本相符,表明此方法具有实用价值。     

水平携带床内玉米秸颗粒速度场的PIV实验研究

为研究生物质颗粒在水平携带床中的流动特性,搭建了水平携带床透明模拟装置.利用PIV无接触测量技术,在氩气流量为1.9 m3/h工况下,对60~160目粒径的玉米秸颗粒流进行了速度场的研究.计算出了颗粒和氩气的平均速度以及流经水平携带床的时间,对颗粒与氩气的跟随性进行了分析.研究结果表明,颗粒流的轴向速度沿轴方向不断增大,管道中心附近的颗粒加速最为明显,而边壁附近的颗粒速度变化相对较慢;颗粒流的速度沿径向大致呈抛物线状分布;颗粒流的平均运动速度比氩气低,颗粒流通过水平床的平均时间略大于氩气.     

多孔压敏荧光粒子的制备与流场压力/速度测量的性能表征

开发了一类微米级压敏荧光粒子。该粒子由表面多孔的空心二氧化硅（SiO₂）粒子与压敏荧光材料（PtTFPP和Ru（dpp））融合而成。通过浸染方法使压敏荧光分子附着于粒子上,形成多功能示踪粒子,从而将粒子图像速度场测量技术（Particle Image Velocimetry,PIV）与压敏漆（Pressure Sensitive Paint,PSP）技术相结合,发展了一种流场压力与速度同步测量的技术,为流体力学研究提供一种崭新的实验测量手段。利用PSP静态与动态标定系统,对压敏粒子的信号强度、压力敏感性与压力响应时间进行了测量,研究了不同粒径和不同材料对压敏粒子性能的影响。测量结果表明,制备的压敏粒子具有较好的压力敏感性,其压力响应时间区间为40~70μm,符合测量流场瞬态压力的需求。分析了粒子在流场中的跟随性能,其中2μm粒子松弛时间为7.5μs,有较好的跟随性能。     

纹影定量化在火焰温度测量中的应用

基于传统“Z”字形纹影系统,采用标准光度法对火焰温度进行了定量化。标准光度法通过一个标定镜片来建立火焰纹影图像的灰度值和光线偏转角之间的定量关系,并利用轴对称假设建立光线偏转角和折射率之间的关系。最后通过盖斯定律和理想气体方程得到火焰温度。对其中涉及到的反演算法进行了比较,结果显示直接积分法和 Abel 逆变换法误差最小,Radon 逆变换受滤波函数影响较大,而迭代重建法在离散点数量较少的情况下误差最大。将纹影定量化所得到的温度曲线和热电偶所测结果值比较,证明了标准光度法对纹影火焰定量化的有效性。     

SPT方法在纳米粒子布朗运动观测中的应用

纳米粒子布朗运动特性对Micro-/Nano-PIV的使用和与粒子相关的物理现象的研究有重要意义.观测了200nm荧光粒子的布朗运动,利用单粒子追踪(SPT)算法和自编程序处理图像,获得粒子的均方位移,计算了实验扩散系数Dexp为2.09×10-12 m2/s.与Stokes-Einstein公式估计的理论扩散系数Dth相比,二者量阶一致,但实验扩散系数的数值偏小约5%.对相关的实验误差进行了分析.     

弹道靶红外辐射测量

为深入认识再入物理现象 ,在弹道靶上做了模型头部和近尾流红外辐射测量。发射器为 1 4.5mm口径的二级轻气炮 ,模型为1 0mm的球 ,材料为聚碳酸酯和铝 ,模型发射速度 4～6km/s,使用红外InSb探测器测量波长 3～ 5 .4μm的红外辐射 ,靶室压力 5 .32kPa。实验中使用光电法测量模型速度 ,两站阴影照相进行模型姿态监测和速度核实。实验结果表明 :球模型的红外辐射强度强烈依赖于模型材料和模型飞行速度。对不同材料模型头部和尾流部辐射强度的定性比较说明由于低温材料烧蚀产物的存在 ,极大地增强了头部和近尾流区的辐射强度 ,而且延长了尾流辐射长度     

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。     

用热流探针测量激波速度

激波速度测量是激波管和激波风洞运行状态的一个重要参数,压电传感器或光学方法测速系统成本高,而传统电离探针在激波马赫数较低、波后温度达不到空气电离程度的情况下无法满足实验要求。提出了一种使用同轴热电偶作为测速探针来测激波速度的方法,弥补了电离探针在激波马赫数较低时的不足。介绍了同轴热电偶探针测速原理,并设计了测量激波速度的系统电路。通过信号放大电路锁定激波冲激信号,触发脉冲信号发生电路,实现了一种单通道、多测点的激波风洞测速系统。分别开展以温度与热流为触发信号的风洞实验,结果表明只有使用热流信号才能满足激波测速的时间要求。     

基于微细梁振动位移的微尺度射流测速方法

实验研究微尺度射流流场中微细梁发生的振动过程,并提出基于该原理测量微尺度射流速度.实验使用长度56. 2mm、直径约0. 07mm铜丝作为微细梁,使用直径约0. 36mm喷管产生的微尺度射流.使用高速摄影仪观察射流流速在2. 7~27. 3m/s间梁振动的变化.试验结果发现当射流喷嘴对准梁3/5处时,振动过程中振幅随射流速度上升.而当射流喷嘴对准梁的9/10和3/4处时,在高流速下,振幅不随流速上升.使用霍尔传感器和磁铁测量梁的振动,当喷嘴对准梁的3/4处,霍尔传感器输出电压有效值随射流流速线性增长.但在其他位置,由于磁铁改变了梁的均匀结构,振动随流速的变化不规律.     

高温射流中粒子测速的脉冲激光显微照像技术

为了获得高温射流中微粒的速度,建立了一套显微照像系统.该系统由双脉冲YAG激光光源、粒子放大成像系统、图像接收系统组成.在采用显微成像技术、补偿式滤光技术、序列成像技术后,克服了喷射粒子直径小、流场发光强、温度高等困难,实现了对同一粒子的两序列照像,根据两幅序列照片,获得了粒子的喷射速度.对该系统的组成、原理及试验结果进行了介绍.     

基于飞秒激光电子激发标记测速技术的剪切流场速度测量

流场速度测量精度会影响飞行器气动性能的预测精度,常用的基于激光技术的非接触式速度测量方法已不能完全满足流场速度高精度测量需求,飞秒激光电子激发标记（Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging,FLEET）测速技术有望解决这一问题。利用钛蓝宝石飞秒激光器搭建了FLEET测速系统,分析了流场中的N₂分子在飞秒激光激发下的电子荧光光谱;基于FLEET测速系统,在射流剪切装置上开展了剪切流场速度测量实验,通过调节高速通道的流量/压力获得了不同速度分布的流场,开展了不同流场速度（30～170 m/s）下的FLEET测速实验;研究了延迟时间对流场速度测量的影响。结果表明:随着延迟时间增加,荧光图像会由于等离子体的扩散而发生弥散;FLEET荧光信号衰减会使信噪比有所降低,但不同延迟时间下得到的流场速度分布形态基本一致;FLEET技术在有效荧光寿命范围内具有足够的准确性应用于剪切流场速度测量。