基于透明土的水力梯度对渗流侵蚀影响试验研究

为探究水力梯度对土体内部渗流侵蚀的影响规律,利用熔融石英砂作为透明土材料,以十五号白油与正十二烷按一定比例配置孔隙溶液,采用自研的PIV-PLIF(粒子图像测速-平面激光诱导荧光)渗流侵蚀试验系统研究了水力梯度对渗流侵蚀过程中孔隙溶液流速分布以及细颗粒运动的影响。结果表明:随着水力梯度的增大,示踪粒子流速也随之增大且不规则运动现象加剧,直到试样发生破坏流速才趋于稳定;同一水力梯度下,宏观流速略大于微观流速,两者之间的差距也随水力梯度的增大而不断缩小;当水力梯度达到临界水力梯度时,骨架颗粒中的细颗粒开始流失,渗透系数也开始发生变化,继续提升水头会使细颗粒大量流失而导致渗流通道不断发展扩大,最终达到破坏临界水力梯度,试样发生渗透破坏。

超燃冲压发动机羟基/煤油-PLIF同步测量研究

应用一套500 Hz PLIF(Planar laser induced fluorescence)系统开展了煤油燃料超燃冲压发动机实验研究,实现了超燃冲压发动机燃烧室内火焰结构和煤油分布可视化测量。通过对OH-PLIF和煤油-PLIF同步测量方法分析,揭示了超燃冲压发动机煤油掺混燃烧振荡特性规律。利用PLIF图像的几何特征、强度特征和动态模态分解,分析了煤油掺混过程对火焰传播及燃烧特性的影响。研究表明,在煤油单独燃烧阶段,煤油主要分布在燃烧室上游。OH基受燃料分布的影响,在燃烧室内重复性地聚集和扩散,呈现破裂带状。动态模态分解结果表明,煤油掺混过程对燃烧振荡存在影响。

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PLIF检测的生物质挥发分燃烧多环芳烃生成特性

针对生物质挥发分燃烧过程,采用平面激光诱导荧光技术对火焰中1~2环、3~5环多环芳烃(PAHs)的二维分布进行了研究,分析对比了升温速率(1 000 K/min和1 500 K/min)、O_(2)体积分数(21%~50%)等关键因素对木屑、核桃壳颗粒挥发分燃烧过程中PAHs生成与转化特性的影响.结果表明:提高升温速率,生物质挥发分燃烧过程中1~2环和3~5环PAHs信号强度峰值显著增加,同时升温速率提高促进了1~2环和3~5环PAHs向小分子碳氢化合物转化;1~2环和3~5环PAHs信号强度峰值随O_(2)体积分数提高而增加,这是由于增加的O_(2)体积分数促进了PAHs的释放.但是由于O_(2)体积分数的提高同样增加了OH自由基浓度,导致PAHs消耗加快,使得1~2环和3~5环PAHs信号强度持续时间随O_(2)体积分数提高先增加后减少.木屑和核桃壳颗粒挥发分燃烧过程中生成的3~5环PAHs信号强度峰值和信号强度持续时间较为一致,但木屑颗粒生成的1~2环PAHs信号强度峰值更高,这可能是由于木屑颗粒脂肪烃和芳香环含量更高,同时燃烧过程中生成的OH自由基较多,有利于多环PAHs向1~2环PAHs的转化.

面向双级旋流燃烧器的10kHz滤波瑞利散射测温和CH_(2)OPLIF测量研究

本文开展了常压下双级径向分层旋流燃烧器内旋流火焰的二维温度场及甲醛浓度场测量研究,发展了10kHz测量频率的滤波瑞利散射测温技术.首先,借助Hencken平面火焰炉构建了滤波瑞利散射信号与温度的校准关系.基于校准后的滤波瑞利散射系统,获得了旋流火焰的二维温度场数据:实验分析主要聚焦于甲烷-空气混合物在不同当量比(0.65至1.05)下的温度场变化.在当量比为0.85的单旋流火焰中,观察到火焰形状由V形向M形的转变,这归因于热扩散效应与空气热传导效应的相互作用.此外,在双旋流火焰中,研究发现相同运行条件下,值班火焰与主火焰在燃烧过程中发生从融合到分层的变化.本文详细描述了双旋流火焰分层现象期间的相平均温度场分布,并与瞬时CH_(2)O分布进行了对比.

利用PLIEF技术研究超高压燃油喷雾雾化和混合过程

采用复合激光诱导荧光(PLIEF)技术,对燃烧室内自由发展阶段超高压喷雾的贯穿距离、锥角及气液相浓度分布情况进行了研究.实验中喷油压力从160 MPa升高到220 MPa,环境气体密度由3.7 kg/m3变化到7.4 kg/m3.研究发现,随着喷油压力升高,气相喷雾不均匀度在喷油定时T=42°CA BTDC时减小了36.7%,而在喷油定时T=-6°CA BTDC时仅减小28.4%.同时,气、液相喷雾锥角显著增大,贯穿距离小幅度减小.根据实验数据,提出了一个喷雾贯穿距离修正公式.研究还发现,当L/d0≥90时,喷雾已得到充分发展,比传统压力研究结果小很多.

利用PLIEF技术对重型柴油机类似环境条件下着火时刻柴油喷雾结构和浓度场的定量研究

利用复合激光诱导荧光技术在定容燃烧弹内定量研究了环境温度、环境密度、氧体积分数等对重型柴油机相似环境条件下着火时刻柴油喷雾结构和浓度场的影响.实验中,环境密度为20～60 kg/m3,氧体积分数为15%～21%.研究发现,重型柴油机相似环境条件下着火时刻柴油喷雾液核区同时存在当量比相对较高的气相喷雾;喷雾充分发展后,液核区、气相喷雾浓混区、气相喷雾低温核区基本重叠;降低氧体积分数着火时刻气相喷雾头部稀混区燃油比例大幅提高;降低环境温度到800 K,着火时刻气相喷雾不存在浓混区,气相喷雾头部大部分燃油处于当量比[0,1].

利用PLIEF技术对重型柴油机类似环境条件下柴油喷雾特性和浓度场的定量研究

利用复合激光诱导荧光技术在定容弹内定量研究了环境温度、环境密度、氧浓度等对重型柴油机类似环境条件下柴油喷雾特性和浓度场的影响。试验中,环境密度为20～100kg/m3,氧浓度为15%～21%,喷油压力为100～220MPa。研究发现,提高环境密度,最大液核长度显著缩短;减小喷孔直径,液核最大长度呈线性下降。降低环境温度或提高喷油压力可以弥补减小喷孔直径或提高环境密度对贯穿距离的影响。在增加充分发展期气相喷雾稀混区燃油比例方面,减小喷孔直径、降低环境温度、提高环境密度和提高喷油压力具有相互替代性。

基于紫外激光的羟基-平面激光诱导荧光探测研究进展

羟基(OH)是一种广泛存在于燃烧反应过程中的产物,在燃烧诊断技术中,基于羟基的二维空间分布常用于表征火焰的锋面结构,同时羟基也是表征火焰温度、火焰面密度和热释放速率等特征的重要参数。对燃烧火焰中的羟基进行有效探测是探究燃烧动力学演变过程,揭示火焰随机事件产生机理的重要支撑。平面激光诱导荧光(PLIF)技术作为一种光学测量方法,具有时空分辨率高、无干扰、可进行组份选择等优点,已成功用于对本生灯火焰、湍流火焰、旋流火焰和超声速火焰等多种燃烧火焰进行结构观测,为建立燃烧模型提供了重要参考。本文从PLIF探测的基本原理开始,梳理了PLIF技术在燃烧诊断领域的发展历程和研究现状,介绍了基于染料激光、光参量振荡和钛宝石三倍频方式实现的PLIF紫外光源技术,并对不同技术路线的特点进行了讨论,最后对用于OH-PLIF的紫外激光技术发展进行了展望。

孔隙率对砂土渗透稳定性影响的内部可视化研究

砂土的渗透稳定性判别对堤坝灾害防治意义重大。忽视孔隙率对土体渗透稳定性的影响,可能会加大灾害风险。本文借助透明土和平面激光诱导荧光技术,以相同级配、不同相对密实度的材料为试验对象,开展了渗透破坏试验,分析了孔隙率对渗透稳定性的影响。结果表明:从宏观水力角度看,密实和松散两组试样的临界水力梯度实测值接近太沙基临界水力梯度,表现为渗透稳定材料。从内部可视化分析上看,密实试样整体隆起,属于渗透稳定材料;而松散试样的细粒明显迁移至试样顶部,粗粒骨架基本未发生移动,属于典型的管涌破坏现象,故应被判定为渗透不稳定材料。这说明通过传统水力现象评估的渗透稳定性存在偏差,试样的渗透稳定性受孔隙率影响,应在渗透稳定性判别准则中加以考虑。之后,提出了基于灰度累积分布函数的修正图像分割方法,该方法通过图像离散化与相对灰度转换避免了区域灰度差异及整体灰度波动的影响,实现了对试验全程试样内部结构变化的定量分析,印证了试样的渗透稳定性判别结果。最后,总结了国内外7种渗透稳定性判别准则,并根据试验结果对其进行了对比分析,结果显示多数未考虑孔隙率影响的准则偏不安全,考虑了孔隙率影响的准则又过于保守,KOVáCS提出的准则从机理层面同时考虑了孔隙率和颗粒粒径的影响,更具应用潜力。

基于LIEF的喷雾数值仿真模型验证

为了进一步探索发动机内部的空气燃料混合特性,基于Converge软件的O Rourke湍流扩散模型与Frossling蒸发模型建立了喷雾蒸发的数值仿真模型,并使用复合激光诱导荧光(LIEF)技术对相同工况下定容弹内喷雾的液气两相浓度进行了同步测量,以对仿真进行验证。验证结果表明,仿真中的液相贯穿距与试验吻合较好,证明了仿真模型的正确性。仿真结果在气相部分出现了较明显的偏差,通过对模型方程进行分析得知,这是由于仿真模型所使用的Frossling单液滴蒸发模型无法考虑多组分与多相流情况的传质与传热,并针对如何提高模型精度给出了修正建议。

气溶胶浓度分布平面探测系统的仿真分析

为了实现气溶胶分布的成像探测,根据平面激光诱导荧光技术的基本原理,对气溶胶浓度分布平面探测系统单个像元的探测能力进行了理论分析.以荧光素作为目标粒子,对波长为450 nm的连续激光在探测平面内的分布和衰减变化进行了计算,并根据波长范围为500~600 nm的荧光信号和sCMOS相机单个像元输出信号的信噪比公式,分析了不同系统参数变化对单个像元可探测最低粒子数的影响,以及在探测平面内的分布差异,从而了解不同系统参数对气溶胶平面成像探测准确度的影响规律,为研究气溶胶分布的平面探测提供有效方法和理论参考.

基于PLIF的甲烷/空气富燃层流半预混半扩散火焰试验研究

为获得高当量比甲烷预混燃烧特性,利用平面激光诱导荧光技术研究本生灯甲烷/空气富燃层流预混火焰中氢氧自由基(OH)和一氧化氮(NO)的分布。结果表明:OH主要分布在火焰扩散层锋面两侧,火焰顶端基本无OH分布;当量比φ<1.31和φ≥1.31时本生灯富燃预混火焰外部扩散层分别以0.5 s和0.4 s为一个周期不断收缩膨胀;层流燃烧速度随当量比增加而减少,当φ=1.10时为最大燃烧速度33 cm/s,当φ>1.50时,层流燃烧速度基本保持不变,维持在15 cm/s左右;在火焰顶端存在强烈的负拉伸作用,负拉伸率的绝对值随着当量比的增加先减小后增加,其中火焰拉伸率是影响层流燃烧速度测量误差的主要因素;对立体火焰结构研究发现,φ=1.54时在火焰扩散层内部发生局部熄火现象;对火焰中NO的分布研究发现,NO主要分布在火焰内锥外部的扩散层,工程应用时应尽量减少火焰扩散燃烧区域的分布,以降低NO的排放。

利用复合激光诱导荧光法对气相柴油喷雾温度场和浓度场的定量标定

根据复合激光诱导荧光技术(PLIEF)中Lambert-Beer定律的气相荧光强度与环境温度和压力的依赖关系以及能量守恒基本原理,结合使用复合激光诱导荧光技术拍摄得到的气相喷雾荧光图像,对气相柴油喷雾温度场进行定量标定时考虑了空气卷吸率和油滴蒸发率对喷雾温度场的影响;利用Matlab软件编写了标定喷雾温度场和浓度场的迭代计算程序.研究发现,利用本标定方法,可以通过复合激光诱导荧光技术同时完成气相柴油喷雾温度场和浓度场的定量标定,标定得到的气相喷雾温度场和浓度场强烈相关.

喷射压力和喷孔直径对柴油机混合燃料喷雾特性的影响

应用平面激光诱导荧光(PLIF)技术研究了喷射压力、喷孔直径对混合燃料喷雾特性的影响.结果表明:在相同的喷射压力下,混合燃料的挥发性越高,喷雾前锋贯穿距离和喷雾锥角(远场和近场)越大;随着喷射压力的提高,喷雾锥角增加,喷雾前锋贯穿距离呈现出一定程度的线性增长,但混合燃料挥发性对喷雾前锋贯穿距离的影响有所减小;在喷雾发展过程中,近场锥角呈现出先减小再保持在一个相对稳定的数值趋势,而远场喷雾锥角呈现先减小然后保持不变之后再增大的趋势,但全程远场喷雾锥角的变化不大;在相同喷孔直径下,混合燃料的挥发性越高,喷雾前锋贯穿距离越长,喷雾锥角越大,当喷孔直径从0.18,mm缩小到0.10,mm时,挥发性对喷雾锥角增长率的影响略有减小,随着喷孔直径的增大,喷雾前锋贯穿距离呈现出一定程度的线性增长,但喷孔直径对远场喷雾锥角的影响大于对近场喷雾锥角的影响.

利用面激光诱导荧光技术研究喷射器内液-液湍流混合特性

面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence,PLIF)是流场研究中的先进测试技术。今建立了液-液喷射混合器流场研究实验装置,利用PLIF技术对喷射混合器的湍流混合特性进行了研究,得到了喷射器内湍流混合的二维浓度场。对瞬时、时均浓度场的图像进行了分析,并利用离析度(intensity of segregation,IOS)的概念对时均混合效果进行了评价,得到了不同操作条件下IOS值沿射流方向的变化趋势图,结果表明流速比和绝对流速是影响混合的两个主要因素,液液喷射器中流速比越大,达到完全混合所需的距离就越短,在相同流速比的情况下,流速越大混合进行得就越快。

复合激光诱导荧光定量标定技术及其对喷雾特性研究的应用Ⅱ:喷射参数和环境参数对喷雾特性的定量分析

在改变喷射控制参数和环境参数的喷雾特性研究中,应用定量标定的试验结果深入开展了喷油压力、喷孔孔径、环境密度和环境温度对喷雾各个特性参数影响的研究。研究中发现,提高喷射压力能提高喷雾动能,加速液相喷雾的破碎、促进液相蒸发形成气相喷雾,提高贯穿速率,有利于喷雾的扩散和蒸发。小孔径的喷油嘴,虽然能够减少贯穿距离,但也同时减弱了喷雾和空气的混合空间范围;由于小孔径促进了喷雾的破碎和蒸发,气相喷雾分布均匀程度明显提高。环境密度高的条件下明显减小了喷雾的贯穿距离,这样虽然导致喷雾的扩散速率降低,但由于单位体积内气体量的大幅增加,加快了环境气体和喷雾之间的互相作用,更容易形成气相。环境温度对喷雾的蒸发速率起关键作用,液相喷雾贯穿距离随温度升高而减小,同时,气相最大当量比出现时间提前,这些说明环境温度升高,加速了环境气体和喷雾间的热交换,提高了喷雾的蒸发速率,最终促进气相快速形成。

OH和CH_2O平面激光诱导荧光同时成像火焰结构

OH和CH_2O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CH_2O的分布则被用来显示火焰预热区的分布。利用OH和CH_2O 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CH_2O 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。

复合激光诱导荧光定量标定技术及其对喷雾特性研究的应用Ⅰ:燃油喷雾当量比定量标定方法

应用复合激光诱导荧光技术建立了定容燃烧弹中荧光强度和喷雾浓度间关系的定量标定方法,获得柴油喷雾气相、液相浓度量化数值,并针对影响定量标定的各种环境因素开展了深入的量化研究。试验中分析了荧光强度和气相喷雾浓度间的系数(Kvapor)随环境条件改变时的变化情况并发现:系数Kvapor随环境压力升高而降低;环境气体成分的变化对系数Kvapor并没有明显影响;环境温度升高使得系数Kvapor呈现先上升后下降的趋势,600K左右是拐点位置,600K以前随温度升高而升高,600K以后随温度升高而快速下降。最终,根据试验结果建立了系数Kvapor随环境温度和环境压力变化的三维Map图,并应用其获得喷雾气相当量比浓度数值和液相浓度数值的定量结果。

瞬态流场定量测量中平面激光诱导荧光图像的降噪

研究并评价了单幅荧光图像的降噪方法,以便真实、有效地获得用于瞬态流场测量的荧光图像的流场参数。分析了单幅荧光图像中的噪声来源,根据对双线测温信息提取的影响程度,确定米散射强噪声作为主要的滤波对象。分析了不同数字滤波方法的适用范围,并对丙酮荧光显示的流场图像进行了降噪处理。通过检查荧光图像与滤波处理图像的差值图像中含有荧光图像结构信息的程度评价了降噪效果。比较表明,形态学开运算图像重构滤波方法对荧光图像中米散射强噪声去除效果较好,并可较好地保护图像中原有荧光信息的细节。采用形态学开运算图像重构滤波方法对Q2(11)线与P1(7)线激励甲烷/空气预混火焰获得的荧光图像进行处理,得到了较为平滑的二维温度分布,测量温度在2 000K左右。结果表明,形态学滤波方法在瞬态流场定量测量的PLIF图像降噪处理方面具有一定的应用潜力。