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。

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.

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。

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。

OH在火焰中浓度分布图像及与温度关系的PLIF和CARS研究

用平面激光诱导荧光（ＰＬＩＦ）技术测量了平面火焰炉、狭缝火焰炉的单脉冲激光诱导ＯＨ荧光。由平面荧光图可得到氢氧基相对浓度分布和它的宽度。对扩散火焰，高温区在ＯＨ带内侧；ＯＨ带的外侧则是火焰的边界，相干反斯托克斯拉曼光谱（ＣＡＲＳ）的测量结果对此提出了有力的佐证。湍流火焰的ＰＬＩＦ图则清晰地显示出火焰面的不规则性。氢氧基的ＰＬＩＦ图像是研究火焰结构和流场的有力工具。

基于PLIF的水平三向撞击流径向流型的研究

利用平面激光诱导荧光技术(PLIF)测量了水平三向撞击流反应器内液体混合时变化的二维浓度场,发现了其内部存在两种不同的径向流型:漏斗径向射流和自由径向射流。借助径向射流偏转角β对两种流型的变化规律进行了探索,实验结果表明等效喷嘴间距L*=1D时,偏转角变化范围Δβ很小;L*增大到2D时,Δβ急剧增大,出现峰值。当L*继续增大到3D、4D和5D时,Δβ略微下降,最终趋于稳定。流速u的变化对Δβ的影响较小。小喷嘴直径D工况下,最佳喷嘴间距为L*=2D或L*=3D;中等喷嘴直径D工况下,最佳喷嘴间距为L*=2D。通过计算离析度IOS得到完全混合所需时间t,发现Δβ越大,混合所需时间t越短,混合效果越好。

超声速燃烧火焰放热区结构CH-PLIF成像技术

超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器的关键部件之一,超燃冲压发动机燃烧室内火焰结构的研究对揭示超声速燃烧的稳焰机理具有重要意义。利用平面激光诱导荧光(Planar Laser-Induced Fluorescence,PLIF)技术测量了超声速燃烧直连式试验台燃烧过程中重要自由基CH的二维分布,实现了超声速燃烧火焰放热区结构的可视化。在开敞空间的低速射流火焰炉中使用甲烷/空气预混火焰对CH-PLIF技术进行了初步验证和系统优化,再利用CH-PLIF技术在凹腔稳焰的超燃直连台上实现了超声速燃烧火焰放热区结构的二维可视化,并与OH-PLIF和CH自发辐射测量结果进行了对比。实验结果表明,在开敞空间的低速射流预混火焰中,火焰放热区会发生扭曲、褶皱和分裂等现象,随着雷诺数的增大,火焰锋面褶皱程度更加显著;在凹腔稳焰的超声速燃烧中,火焰放热区高度褶皱和破碎,放热区结构的厚度为0.5～6.5 mm,同时也存在放热区的分裂与剥离等现象。CH-PLIF技术能够以较高的空间分辨率更准确地呈现凹腔超声速火焰放热区的结构,其在凹腔稳焰的超声速燃烧诊断中具有重要的应用价值。

CH_4/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。

时间分辨AlO-PLIF成像技术应用

含铝推进剂燃烧过程中间组分AlO的测试手段以低分辨率的发射光谱为主,无法满足固体火箭发动机燃烧流场高分辨率测试需求。报道了一种时间分辨的高空间分辨率(~10μm)AlO-PLIF成像技术,采用激光诱导铝等离子体产生小尺度AlO基团,时间和空间易于实现高精度控制,且受其他组分干扰小,为优化AlO-PLIF测量技术提供了高稳定性、高重复性的实验平台。在常压和低压条件下优化了激发和探测机制,并对激光诱导铝等离子体中的高温AlO基团时空演化规律进行了研究。在常压及70 Pa低压条件下,获得时间分辨的AlO图像序列。结果表明,基态AlO出现时刻要早于激发态的AlO,但存在时间较短;低压条件下,AlO基团存在区域广,结构变化快,整体信号强度强。研究表明,PLIF技术在含铝固体推进剂燃烧特性研究领域的巨大应用潜力。

气液喷射反应器内液滴粒径分布PLIF研究

气液喷射反应器是一种高强度反应器,反应器内部液滴粒径大小和分布对反应收率和选择性具有决定性影响。本文建立了气液喷射反应器内液滴粒径分布测量实验装置,并利用面激光诱导荧光(PLIF)技术对气液喷射反应器内液滴粒径分布进行了研究,得到不同气液流率情况下的液滴粒径的分布规律,结果显示:液相流率不变时,随气相流率的增大,反应器内液滴平均粒径逐渐减小,分布范围变小;气相流率不变时,随液相流率的增大,液滴平均粒径逐渐减小,粒径分布趋于集中。

温度和黏度对PLIF的影响

平面激光诱导荧光（PLIF）用于测量流体流动过程的浓度场，混合流体的浓度和温度及示踪物质的浓度都会对结果产生影响。为了把PLIF方法用于黏性流体的混合研究，设计实验用以探究混合流体的浓度和温度及示踪物质的浓度这些因素对PLIF结果的影响。在实验中罗丹明B（RhodamineB）作为荧光染料，氩离子激光器作为激光光源。流体黏度、流体温度、罗丹明B的浓度在实验中可相应改变用以研究这些改变对荧光强度的影响，比如流体黏度从1mPa·s增加至200mPa·s。CCD照相机用以作数字图像采集，采得的图像作数字图像处理。混合液装于密封良好的3．5mL的玻璃容器中，玻璃容器放置于可控温度的水浴中以控制混合流体温度。结果表明：溶液黏度增加使得荧光光强增加，温度增加使得荧光光强减弱，在溶液黏度从1-200mPa·s范围内，荧光光强与染色剂浓度成正比，所以PLIF能用于测量黏度从1～200mPa·s范围内的流体混合现象。

电热破膜激波管及其PLIF测量系统的研制

探讨了用Nd:YAG脉冲激光器作为泵浦光源对激波管内瞬态非定常流场进行平面激光诱导荧光(Planarlaser induced fluorescence,PLIF)测量的时序同步问题。由于该激光器需要预热以获得稳定的倍频输出,作者研制了低压大电流的电热破膜装置,实现对激波产生时机的控制。在大尺寸矩形截面的激波管上搭建了PLIF测量平台,并在此平台上进行了丙酮示踪流场显示和氢氧基分布测量。

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。

双波长NO-PLIF法测量激波马赫反射温度场的实验研究

利用双波长NO-PLIF法,研究激波管内运动激波在15°斜劈上的马赫反射的温度场分布.实验中以NO作为温度测量的示踪剂,分别选取波长为225.072nm和225.282nm的染料激光作为激发光,获得了较好的荧光图像.对激波在斜劈上的马赫反射流场的波前、波后和反射区的温度分布进行了实验测量,结果表明:NO的荧光强度对温度的敏感程度与激发波长有关,当波长为225.072nm时,荧光强度随温度变化不明显,当波长为225.282nm时,荧光强度随温度变化而剧烈变化.实验测得的温度分布相对数值模拟的误差在15%以内,这表明该方法具有较高的精度,具有一定的工程应用价值.

用PLIF测量GDI发动机滚流平面的混合气浓度

通过一台全透明石英气缸套的汽油缸内直喷光学发动机,利用平面激光诱导荧光法(PLIF)定量测量了发动机滚流平面内的混合气浓度分布.在不同节气门开度及不同喷射策略下研究了缸内混合气分布随曲轴转角的变化,讨论了气流运动强弱、喷射时刻及喷射量对发动机混合气的影响;针对可视区域的平均及局部燃空当量比提出了评价不均匀度,并开展了循环变动分析.结果表明:节气门开度不为0时,单次早喷策略均可在上止点附近形成不均匀度评价指标小于0.14的混合气,且不均匀度随进气流动增强而下降;推迟喷射时,油气混合速度明显加快,单次晚喷及双喷工况在上止点附近均可形成不均匀度评价指标小于0.15的混合气;单次早喷、非怠速工况的平均燃空当量比在上止点附近的循环变动小于0.06,而大部分单次晚喷及双喷工况均大于0.13;局部燃空当量比循环变动较大的区域通常为混合气云团运动方向的前沿,较弱的进气流动及推迟喷射会提高整个有效区域内的循环变动.

双波长NO-PLIF法测量运动激波前后温度场的实验研究

利用双波长NO-PLIF法,研究激波管内运动激波前后温度场分布.实验中以NO作为温度测量的示踪剂,分别选取波长为225.072nm和225.282nm的染料激光作为激发光,获得了较好的荧光图像.对入射激波流场的1区和2区温度分布进行了理论估算和实验测量,结果表明NO的荧光强度对温度的敏感程度与激发波长有关,当波长为225.072nm时,荧光强度随温度变化不明显,当波长为225.282nm时,荧光强度随温度变化而剧烈变化.实验测得的温度分布相对理论估算值的误差约为10%左右,这表明该方法具有较高的精度,具有一定的工程应用价值.

基于OH-PLIF测量技术的煤粉射流火焰着火燃烧特性

在光学诊断型煤粉燃烧器系统上研究煤粉着火燃烧特性,利用ICMOS相机捕捉射流火焰总光强信号、自发辐射信号以及PLIF荧光信号,根据获得信号的品质,判断各种测试手段的优缺点.计算射流火焰总光强和PLIF荧光信号的着火延迟时间,分析PLIF测量手段的可靠性,结合OH-PLIF技术的瞬态图像,以及着火延迟时间的变化规律,分析射流火焰挥发分着火及燃烧特性.研究结果表明,颗粒群着火是挥发分先析出着火燃烧,然后加热焦炭颗粒燃烧的过程.