基于OH-PLIF技术贫燃预混旋流火焰的结构特征研究

针对当前喷气式涡轮航空发动机的主流稳焰方式-旋流火焰的燃烧机理、火焰构型等热点问题,设计加工了一套受限空间下的旋流燃烧器,利用了一种能够实现非侵入式、精细化、可视化复杂燃烧流场的OHPLIF(OH-planarlaser-inducedfluorescence)测量系统,研究了该燃烧器在空气流量40 L/min时不同当量比的燃烧工况,并重点分析了旋流火焰的极限熄火工况.结果表明:在受限燃烧室内,由于壁面的作用旋流火焰从“V”型火焰发展成“M”型火焰,在主焰中心两侧会形成两个主漩涡,主漩涡的边界区域有较高浓度的OH分布;距离主纵截面的偏移量D越大,两个主漩涡的形状逐渐不稳直至完全消失,OH也逐渐向靠近壁面的区域聚集;旋流火焰的横向截面测量结果与纵向截面存在较强的对应关系,在H=5 mm横截面处,OH高度集中在“中心圆”区域,随着测量高度的上升,OH逐渐向燃烧室X轴方向两侧的壁面区域聚集.

基于双色PLIF的推进剂燃烧场定量测温方法

在燃烧学研究领域中,平面激光诱导荧光(PLIF)可以有效鉴别组分类型,获取火焰中微量组分的二维平面成像以及通过分子振动能级的分布测量温度。本文基于双色PLIF技术搭建PLIF测温实验系统,以推进剂燃烧作为研究对象,采用—OH基中的Q_(2)(11)与P_(1)(7)2条谱线开展双色PLIF技术测温实验,结合采集到的—OH基荧光图像,获取推进剂火焰二维温度场分布。通过火焰二维温度场分布情况与热电偶的测温结果进行对比及误差分析。对比结果表明:双色PLIF测温技术的测温误差为12.2 K,不确定度小于5%。该方法具有非接触、高灵敏度等特性,适用于稳态燃烧场温度测量。

基于OH-PLIF技术的全氟己酮抑制航空煤油燃烧试验研究

为研究航空煤油全氟己酮燃烧抑制过程中OH自由基的变化规律,设计带有光学开窗的杯式燃烧器,以OH-PLIF技术为测量手段,利用2种不同波长的“差分法”测量方法克服了航空煤油燃烧场中碳烟、煤油及燃烧裂解大分子化合物对OH自由基荧光信号的干扰问题,获得了12组不同全氟己酮体积分数条件下的OH基分布特征图,对研究全氟己酮的抑制机理具有重要的参考意义,为理论模型的建立提供了基础数据。试验结果表明:对于OH基分布的垂直高度值H,在全氟己酮处于较低体积分数时(<3.91%),H值缓慢增长,但随着体积分数的持续增加,H值会快速下降,随后逐渐趋于平缓;而对于OH基分布带的厚度值D和OH分布区域的占比S,随着全氟己酮体积分数的增加,两者呈现明显下降趋势。

利用OH-PLIF技术显示超声速燃烧的火焰结构

针对在来流马赫数为1.72的空气来流中横向喷注氢气发生超声速燃烧的流场,利用平面激光诱导氢氧基荧光(OH-PLIF)技术,对超燃燃烧室中三个不同的流向截面进行了二维成像测量。选择波长为283.553nm的染料激光倍频光作为激发光,可近似认为获得的OH基荧光信号强度与OH基的摩尔分数成正比。瞬态的OH基PLIF图像揭示了超声速燃烧火焰结构具有高度湍流特性,在凹腔内部存在稳定的燃烧区,为整个燃烧反应提供值班火焰,起到了促进和稳定超声速燃烧的作用。超燃火焰在沿流向传播的同时还沿径向传播,凹腔展向尺度增大时火焰沿流向的火焰区会有所减小。

利用OH-PLIF测量CH_4/H_2/空气混合气湍流燃烧速率

利用OH平面激光诱导荧光技术测量CH4/H2/空气预混湍流火焰前锋面结构,得到湍流燃烧速率.采用不同孔径和开孔比的湍流发生板,产生不同湍流强度和尺度下稳定的预混湍流火焰供OH-PLIF测量.利用500张瞬时火焰结构图片得到湍流火焰前锋面的平均位置,运用角度法得到湍流燃烧速率.分析了掺氢比和湍流强度对湍流燃烧速率的影响,并给出了拟合关系式.实验结果表明,湍流燃烧速率随湍流强度的增加而增加,这是由于流场尺度减小引起火焰锋面面积增加.湍流燃烧速率随掺氢比的升高略有增加,这是由于掺氢引起火焰不稳定性增强,导致火焰对湍流流动的响应增强,增强了湍流火焰前锋面褶皱,从而增加了火焰面面积.湍流燃烧速率可以表示为ST/SL∝a(u′/SL)n,其中指数n约为0.35.

运用OH-PLIF方法探测预混火焰前锋结构

运用OH-PLIF方法探测了不同燃料系数和出口湍流度下甲烷/空气的锥形预混火焰的火焰前锋结构.实验结果表明,网格湍流是火焰根部产生皱折和不稳定性的重要因素,并且这种不稳定性会沿着火焰面向下游发展;而在火焰下游尤其是火焰顶部,流场中的低频拟序结构是形成大尺度皱折以及破碎火焰面的直接原因.相比于富燃料工况,贫预混火焰的火焰前锋更容易产生不稳定性,产生大尺度的皱折.导致这种皱折的不稳定性只与燃料系数有关,完全依赖于火焰自身的动力学而与来流特征无关.

基于OH-PLIF研究水洗和脱灰对准东煤燃烧特性的影响

为研究水洗和酸碱脱灰(UUC)对煤结构和燃烧特性的影响,选用准东褐煤为对象制备水洗煤(WWC)和脱灰煤(UUC),并运用了X射线衍射(XRD)、比表面积分析(BET)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)和配有燃烧器的平面激光诱导荧光技术(OH-PLIF)进行研究。实验结果表明,水洗和脱灰对准东煤的灰分和主要矿物碱金属都具有一定的脱除能力,水洗可以脱除73.2%的钠和58.8%的灰分,而酸碱脱灰可以脱除95%的灰分和几乎全部的碱金属。利用OH-PLIF观测到,三种煤粉的OH-PLIF的释放总量顺序是:RC<WWC<UUC,点火延迟时间顺序是:RC>WWC>UUC,而燃尽时间顺序是:RC<WWC<UUC。出现以上实验结果的原因一是对比原煤(RC),水洗煤(WWC)的比表面积和微孔体积略有增大,而UUC的增大幅度更加明显;二是煤中的碱金属和碱土金属在煤燃烧过程中所起的催化作用。

基于OH-PLIF的甲烷/空气旋射流扩散火焰实验研究

利用平面激光诱导荧光技术研究甲烷-空气旋射流扩散火焰中氢氧自由基(OH)的分布。通过OH-PLIF测量技术在已经设计完成的燃烧器(旋风燃烧器)开口上观察不同甲烷和空气的质量流量配比对火焰的温度、颜色变化、火焰的尺寸的影响以及这些因素和OH浓度分布的关系。OH-PLIF的图像是研究火焰结构和流场的有效工具;通过了解OH基的浓度分布来进一步改造发动机内部的结构,从而提高燃烧的效率。

基于OH-PLIF的狭长受限空间油气爆炸中间基团浓度分布研究

为了精确测量狭长受限空间油气爆炸过程中的关键自由基团,从而实现对其爆炸流场、火焰传播的精确分析,基于先进的平面激光诱导荧光测量技术(PLIF),设计构建了油气爆炸PLIF测量系统,开展了不同工况下狭长受限空间汽油-空气混合气爆炸实验研究,获得了该爆炸中间基团OH基的浓度分布。实验结果表明,1.1%~2.4%(体积分数)油气浓度之间,OH基浓度先增大后减小;随火焰的传播发展,OH基浓度不断变大,表明爆炸不断强化;爆燃不同时期OH基分布情况不同,表明不同爆燃阶段的燃烧反应区域有较大差异;爆燃前期火焰与壁面之间有“隔离带”,是由未燃气浓度增大导致火焰传播变慢的结果。主要创新点在于通过设计时序控制子系统,解决了非稳态预混燃烧中自由基分布瞬态测量。

OH/CH_2O基于PLIF测量得到的火焰面密度比较研究

通过分析平面激光诱导荧光(PLIF)图像,可获得火焰中的火焰面密度(Σ)等参数.但目前少有工作将基于不同组分测量的Σ进行比较.针对这一问题,应用PLIF技术同时测量甲烷/空气预混湍流火焰的OH和CH2O分布,通过分析OH-PLIF和CH2O-PLIF的图像计算Σ,并比较不同火焰条件下两种计算方法的差别,得到如下结果:在y/d较小的火焰区域两种计算方法得到的Σ值基本一致;随着燃烧器出口速度增加或当量比接近1,在更小的y/d下两种计算方法测量得到的Σ值基本吻合.

基于荧光谱分辨的煤油燃烧场OH分布测量

燃烧流场浓度、温度空间分布的精细测量对发动机燃烧室设计、计算流体动力学模型建立以及数值仿真软件的验证具有重要意义,其中平面激光诱导荧光(PLIF)技术具有对象选择性、高测量灵敏度、测量信息量丰富、实验开展简单等优势,尤其是OH-PLIF浓度及温度测量技术以其理论成熟性及技术方便性得到更为广泛的应用。但该技术在煤油燃烧场的应用受到较大限制,原因在于煤油燃烧场残余煤油对OH荧光信号造成较大干扰。针对OH荧光分布测量时煤油干扰问题,开展了OH及煤油吸收谱及荧光发射谱理论及实验对比分析。其中煤油蒸汽吸收谱由氘卤灯通过煤油蒸汽前后的光强强度比获得,相比于OH在260~320 nm波段的孤立吸收线,煤油吸收为宽带吸收,煤油吸收线完全覆盖OH激励线,在煤油燃烧场在此波段对OH激励测量时,激励煤油产生荧光不可避免。另一方面,通过调节激励波长,测量获得OH/煤油混合荧光与煤油荧光发射谱。煤油蒸汽荧光发射谱为中心分别位于290及340 nm的宽带信号,OH荧光主要集中于波长300~320 nm,煤油荧光发射谱范围覆盖OH荧光,结合吸收谱测量结果,说明在煤油燃烧场燃烧不充分时,在280 nm波段激励测量OH无法通过频域滤波的方式测量获得纯OH荧光信号。通过对煤油信号的测量并扣除实现OH荧光信号的准确测量,主要从选择性探测方面入手,在OH荧光测量系统基础上增加一台探测相机,采用两台ICCD相机,分别结合(315±15)和(360±6)nm的带通滤光片进行OH/煤油混合荧光和煤油荧光的选择性探测,通过对应点扣除的方式,在煤油本生灯及发动机模型煤油燃烧混合荧光信号中去除煤油荧光获得了受干扰较小的OH分布结果,证实了干扰消除方法的可行性,为后续煤油燃烧场浓度及温度分布测量奠定了基础。

凹腔喷射超声速燃烧火焰结构实验研究

为加深对凹腔喷射超声速燃烧火焰结构的认识,利用OH基自发辐射成像和PLIF技术对凹腔上游横向喷注氢气的超声速燃烧流场进行研究。结果表明,火焰主要分布在凹腔剪切层附近及喷流内部,喷口附近没有火焰;燃料喷注当量比、燃料喷注位置及凹腔构型对火焰分布和火焰强度影响较大,在设计燃烧室时应加以考虑。

支板喷射超声速燃烧火焰结构实验

为明晰支板喷射超声速燃烧火焰精细结构,并探索其影响因素,利用自发辐射成像技术和平面激光诱导荧光技术(PLIF)对支板喷射超声速燃烧流场进行研究。结果表明,燃烧室内形成了典型的扩散火焰,且火焰稳定在支板尾部的回流区,宽度与支板厚度处于同等量级;支板厚度和燃料喷注当量比对火焰结构有显著影响,增加支板厚度会使火焰基底变宽,火焰长度变短,有利于燃烧室内部的快速放热和缩短燃烧室长度,增加燃料喷注当量比会使火焰长度增加,燃烧强度增大。

合成气预混层流火焰结构的实验和数值研究

利用OH-PLIF方法获得了当量比分别为0.6、0.8、1.0、1.2,CO2或N2稀释比分别为3%、5%时,合成气/空气/稀释气本生灯预混层流火焰中OH基的分布,结合STAR-CD模拟计算所得火焰中的流场和组分分布进一步分析了火焰结构。研究结果表明:随着混合气当量比的增加,OH基高浓度分布区域由火焰前锋面附近转移到火焰边缘;混合气较稀时,火焰前锋面附近OH基浓度最高且沿已燃区方向逐步递减,火焰顶端处OH基浓度减小,模拟计算结果显示火焰顶端并未发生燃料泄漏;化学当量比下,火焰前锋面附近和火焰边缘区域OH基浓度较高,火焰前锋面附近出现了预混燃烧区和扩散燃烧区,该区域中OH基呈现"W"型分布;受N2和CO2稀释的影响,混合气层流燃烧速度降低,火焰前锋面拉长,CO2对火焰结构的影响比N2更显著;火焰前锋面附近OH基浓度减小,扩散燃烧区OH基浓度增大,说明火焰的预混燃烧有所减弱,扩散燃烧有所加强。

双色平面激光诱导荧光瞬态燃烧场测温实验

在复杂的燃烧流场等试验研究中,平面激光诱导荧光技术(PLIF)被用于特定气体分子浓度分布、火焰构造和温度分布的测量。基于双色激光诱导荧光测温原理,设计了双激发PLIF系统,选取两条合适的OH自由基激励线,定量测量了甲烷-空气预混火焰的二维瞬态温度场分布。实验中,通过对两个激光脉冲功率和激光轮廓分布监控以及双ICCD成像的空间位置校正,提高了测量的精细程度。给出了测量结果,并与稳态燃烧场火焰的热电偶测量结果进行了对比,不确定度优于5%,这种二维瞬态测温技术能够满足超声速燃烧诊断中的应用。

测量火焰中氢氧基分布的激光诱导荧光技术

使用平面激光诱导荧光(PLIF)技术测量了不同火焰的氢氧基分布图像,简述了测量原理,讨论了影响测量结果的主要因素,并将测量结果与自发辐射测量结果进行了比较。对PLIF技术在燃烧过程研究中的应用进行了尝试,证明该技术是燃烧分析的有力工具。

平面激光诱导荧光显示火焰中OH的分布图像

用平面激光诱导荧光技术测量了平面火焰炉、原子气化炉和超声速燃烧室的单脉冲激光诱导OH荧光。由平面荧光图可得到氢氧基相对浓度分布和它的厚度。由超声速燃烧室的OH荧光测量 ,可以看出不同时间OH分布的差别。氢氧基的PLIF图像是研究火焰结构和流场的有力工具。

超音速燃烧室氢氧基平面激光诱导荧光测量

用平面激光诱导荧光 (PLIF)技术测量了氢 /空气和煤油 /空气超音速燃烧室氢氧基的荧光以及背景辐射光的图像。实验结果表明 ,PLIF是鉴别对燃烧性能起关键作用的燃料 /空气混合过程的有效手段 ,发现在超音速燃烧室中PLIF氢氧基主要集中在凹腔区域 。

不同氧化程度生物柴油的燃烧特性

采用Rancimat法加速生物柴油的氧化,利用OH-PLIF系统分析研究生物柴油的氧化对其燃烧特性的影响.研究结果表明:随着当量比的增大,生物柴油的层流预混火焰传播速度呈现先增大后减小的趋势,CO和CO2的排放量摩尔比nCO/nCO2先增大后减少,NO排放量逐渐减少.生物柴油的氧化对其燃烧特性有重要的影响,随着氧化时间的增加,火焰OH-PLIF信号增强,生物柴油的层流预混火焰传播速度逐渐增大,在氧化24 h后,其速度达到最大值;随着氧化时间的增加,nCO/nCO2呈先减少后增大的趋势,NO排放量逐渐增大.

湍流预混火焰中的浮力效应

本文利用数值模拟研究了浮力对湍流预混V形火焰平均速度场的影响,发现浮力效应主要体现在远场区域,而在火焰刷附近非常有限;利用落塔和 OH-PLIF 方法在正常重力和微重力下观测了火焰皱褶,发现浮力压制火焰皱褶的程度与湍流强度密切相关。分析表明斜压机理是浮力影响火焰皱褶的重要原因。