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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于层析原理的湍流火焰三维测量综述

实现对湍流火焰的三维测量是人们长期追求的目标之一。近十年,随着高速相机、激光、数值算法的高速发展,高时空分辨的三维燃烧诊断成为可能。对基于层析原理的三维燃烧诊断技术的发展与应用现状进行综述:首先介绍层析技术的原理以及相关算法的发展情况;其次对实现三维层析燃烧诊断的测量系统进行综述;再次,按照光学信号的分类,分别介绍层析技术结合发射光谱、激光诱导荧光、阴影/纹影、Mie散射等进行三维燃烧测量的应用情况;最后,从实际应用的角度出发,对层析三维燃烧诊断技术的发展提出展望。     

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。     

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。     

背景纹影测量技术研究与应用进展

背景纹影法是2000年左右新出现的非接触式光学测量技术,可用于变密度流动的可视化和相关折射率场的定量测量。与经典的刀片式（Knife-edge）、彩虹式（Rainbow）纹影测量技术比较,BOS具有硬件搭建简单、标定方便、测量视窗不受光学元器件尺寸限制等显著优点。通过详细介绍BOS方法的基本原理与核心性能指标,并依据搭建BOS流动测量系统的思路,回顾了近年来国内外BOS技术的发展情况,最后介绍了BOS技术在超声速流动、燃烧、等离子体等复杂流动领域的应用。     

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...     

缸内湍流运动对复合燃烧燃料活性分布的作用机制

缸内受限条件下燃料与湍流的相互作用是燃料分层控制复合燃烧的关键问题。针对该问题,通过向缸内直喷高活性燃料二甲醚（Dimethyl ether,DME）,形成高活性燃料浓度分层。基于光学可视化发动机实验平台,利用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,PIV）、Rayleigh散射、Mie散射以及高速摄影结合放热分析等手段对复合燃烧这一缸内受限空间下的流动及燃烧过程进行了观测,并通过三维计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）仿真手段对观测到的现象进行解释。结果表明:缸内存在大范围逆时针涡流场,DME的蒸发和扩散过程受到流场的作用;在流场的作用下,缸内燃烧过程呈现DME集聚区域自燃-火焰传播-多点自燃放热特征。     

基于中红外吸收光谱技术测量高温流场CO浓度研究

CO是碳氢化合物燃烧的主要产物之一,准确测量超燃冲压发动机出口的CO浓度是评估碳氢燃料燃烧效率的重要依据.中红外波段的CO谱线相较近红外而言,具有吸收更强、谱线丰富且谱线对相对孤立、不受其他气体干扰等明显优势.本文基于中红外吸收光谱技术,计算研究了CO中红外光谱特性,选择了适用于高温流场CO测量的特征谱线,设计并搭建了...     

基于激光诱导炽光法进行碳烟测量的研究进展

激光诱导炽光法（Laser Induced Incandesence，LⅡ）是一种非接触式的光学诊断方法，可获得激光片光照射薄层内瞬时碳烟的二维分布，具有较高的时间与空间分辨率，已经成为一种重要的碳烟测量技术。本文首先介绍了LⅡ技术的发展历程和基本原理，然后从数值模拟、定性和定量测量3个方面详细综述了LⅡ用于碳烟测量的技术方法以及国内外的研究进展，并对今后的发展提出了建议。实现定量测量的标定方法主要有采样法、LⅡ结合消光法（Light Extinction Method，LEM）和双色法LⅡ（2-Color Laser Induced Incandesence，2C-LⅡ），其中2C-LⅡ因实现相对简单，可以在线实时标定，因此在国内外获得了较大的发展。本文通过总结国内外LⅡ技术在测量碳烟方面的研究成果，希望让国内同行了解该方法的研究现状以及该方法在揭示碳烟生成氧化机理方面的重要作用，为其今后的发展提供一些参考。     

激光束诊断及其在激光测速中的应用

随着激光技术的发展和应用的复杂化，人们把注意力深入集中到激光束剖面特性的质量。过去那些用烧蚀斑和目视分析散射光斑等方法已经远远不能适应现代激光工艺和应用对激光束质量评定的要求。本文介绍应用电子图像方法诊断激光束的新技术。并将其应用于激光测速的光束诊断和监控。为改善激光流动测量的性能提供了有效的手段。