利用平面激光诱导荧光技术测量燃烧场内NO的浓度分布

介绍了平面激光诱导荧光的原理及实验装置,利用可调谐OPO激光器,在甲烷 空气火焰及一些高能燃剂燃烧火焰中测得了NO分子在不同压力、不同燃烧时刻的系列荧光谱线及二维浓度分布,并给出实验结果分析。

平面激光诱导荧光法硼浓度分布特性研究

针对高浓度硼酸溶液进入反应堆压力容器后的对堆芯安全性的影响,本文应用平面激光诱导荧光技术对压力容器环形下降段内流体混合过程进行了实验研究和理论分析。通过平面激光诱导荧光技术对流体混合过程及浓度场分布进行定量的可视化测量,采用标定法测量了不同流速下观测区域内浓度场分布状况。实验结果表明:当安注速度较大时,同一截面上浓度分布趋于均匀;质量力会引起硼溶液在竖直方向的扩散,造成安注口下方流道截面的混合程度相比于其他位置更好。

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.

现代流动测量技术用于撞击流混合器内流动特性的研究进展

分别介绍了几种现代典型的流动测量技术包括热线风速仪(HWA)、激光多普勒测速技术(LDV)、相位激光多普勒技术(PDA)、激光粒子图像测速技术(PIV)及平面激光诱导荧光技术(PLIF)的基本工作原理。在对这些技术在近几年的应用状况进行了介绍和分析,指出使用这些测量技术对撞击流混合器内流场进行测试的重要意义。同时介绍了一种新型撞击流装置,并对撞击流的进一步研究进行展望。

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。

电弧风洞NO平面激光诱导荧光可视化方法与试验验证

高焓气流平面激光诱导荧光(PLIF)可视化是近年来发展起来的一种高效的电弧风洞流场诊断方法,但由于大功率电弧风洞测量环境较为恶劣,相关研究工作开展难度大。面向解决低密度宽温度范围激发、远距离探测和背景辐射强等电弧风洞高焓流场测量难题,以NO作为示踪粒子,优化选择了适合宽温度范围的激发波长,设计了根据试验模型需求可变攻角与高度的片光整形系统,并采用大通量、高增益探测系统,在大功率电弧风洞上开展了NO-PLIF可视化试验,获得了自由流和平板模型边界层不同攻角、不同壁面高度的NO-PLIF图像,为飞行器热防护研究提供基础数据支撑。

电场强化层流搅拌的荧光可视化试验及模拟分析

在层流搅拌中,搅拌桨的周期性扰动使搅拌槽内出现封闭、孤立的环状隔离流场。隔离流场严重阻碍了搅拌介质之间的有效交换,降低了搅拌效率。本文提出外加电场以强化层流搅拌的方案,利用电流体动力学效应改变流场的对称结构,消除混合死区。试验采用平面激光诱导荧光(planner laser induced fluorescence,PLIF)技术实现了搅拌槽内流场结构的实时可视化,并通过自编程程序识别并计算出非混合区域面积百分比。结果表明,随着电场强度的增大,混合效率逐渐提升,当电场强度为1.5kV/cm时混合效率可达98%。研究建立了基于有限元法及浓度扩散模型的混合搅拌模拟平台,探究搅拌槽内部流场结构时空演变规律。通过模拟分析发现,当外加平行板电场强度达到0.5kV/cm以上时,搅拌槽内部出现明显的二次涡流。二次涡流的出现与径向混合相互作用从而不断削弱隔离流场。在电场强度不变的条件下,外加周期性电场可以进一步提高搅拌效率,电场强度1kV/cm条件下的外加周期性电场可以使搅拌效率提升至98%以上。

水平对置双向液体撞击流的振荡特性

利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对水平对置双向液体撞击流流场进行了实验研究,考察了等动量下撞击面驻点在不同喷嘴间距、不同进液流量下的稳定性和振荡特性。结果表明,撞击面驻点的振荡并没有一个固定的周期,并且频率主要集中在低频,而其幅度集中在0.1d^0.5d范围内:在L∈[1d,3d](L为喷嘴间距,d为喷嘴直径)范围内,振荡幅度随着L的增加而增大;在L∈[3d,5d]范围内,振荡幅度随着L的增加而减小。同时,撞击面的振荡幅度并不会随着流速的增大而一直增大,而是在达到一个峰值后逐渐降低。撞击面驻点的这种振荡特性对混合和传质具有一定的促进作用。

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。

浸没对置撞击流的液相混合行为研究

利用无干扰流场测试手段——平面激光诱导荧光技术(PLIF),对浸没对置撞击流混合反应器在等动量撞击下的浓度场进行分析,并分析比较对称撞击和不对称撞击下的液相混合行为。利用混合均匀度U和均匀混合时间τ95定量描述测量平面的示踪剂浓度分布,得出其在不同内径比、不同喷嘴间距下的变化规律,并进一步分析对称撞击时,两喷嘴出口流体的不同动量比对混合的影响。研究发现:在小喷嘴间距L<10D(L为喷嘴间距;D为两对置喷嘴内径和的平均值)下,等动量撞击时,对称撞击的混合效果要优于不对称撞击;对称撞击和不对称撞击的最优混合间距均为L=3D。对称撞击时,两喷嘴出口流体的动量比越接近于1,越有利于液相混合。

小型受限撞击流反应器内混合特征及激励强化

利用平面激光诱导荧光技术（planar laser induced fluorescence，PLIF）研究了小型受限撞击流反应器（confined impinging jets reactor，CIJR）内混合特征及激励强化，射流入口Reynolds数范围为75～150。研究结果表明，在受限撞击流反应器内，由分离流模式向自持振荡模式转变过程中，两股流体间的混合效果逐渐提升；当流动为分离流模式时，激励能有效地强化两股流体间的混合，而当流动转变为自持振荡模式时，激励对流体混合的影响较小。

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.

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。

双组分层不对称撞击流流场能量的研究

采用二维高速粒子图像测试技术(TR-PIV)和平面激光诱导荧光技术(PLIF)测量了双组分层不对称撞击流流场,利用POD分析方法提取流场含能大尺度结构,分解瞬时流场得出主要模态能量,考察了双层撞击流在不同射流Re、不同间距及不同直径比下不对称流场能量的变化规律。主要结论如下:同喷嘴直径下,不对称流场能量总是大于对称流场,在上下撞击驻点形成交叉时,流场整体能量较高,同时流场能量随喷嘴间距的增大而减小;不同喷嘴直径下,流场能量随直径比K增大而增大,直径比K>1时,不对称流场能量也总是大于对称流场。综上所述,流场的这种不对称性有利于整体提高流场能量及流动特征。

基于PLIF技术的气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴试验

以数值仿真的结果作为参考,开展了基于PLIF(平面激光诱导荧光)技术、高速摄影技术等非接触光学燃烧诊断技术的气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴试验研究。通过联合光学诊断对不同设计工况的燃烧流场进行诊断测量,获得燃烧室内OH分布,燃烧流场发展演化过程、火焰的结构等信息,对燃烧流场进行详细的分析。研究结果表明:气氧/气甲烷剪切燃烧火焰存在明显的剪切燃烧层,且随着轴向距离的增加,火焰逐渐失稳;随燃氧速度比的增加,流场涡旋作用明显加强,火焰根部稳定段变短,瞬时火焰结构卷曲和褶皱增多;仿真计算的OH分布与试验测得的OH分布相似,仿真模型能够合理预测气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴的燃烧流场。

水平对置撞击流的POD分析及混合特性

利用平面激光诱导荧光技术和二维高速粒子图像测速技术对浸没对置撞击流的湍流场进行了测量,利用本征正交分解方法对所测两喷嘴出口流体不同动量比(M)和不同喷嘴间距(L/d)下的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构.结果表明,撞击流瞬时流场的能量基本集中在1阶模态,M?1工况下,1阶模态的能量占总湍动能的比例最高,约为50%,2阶模态约占总湍动能的2%?5%,3阶模态约占2%,与4阶模态差异甚微;在L/d?3时前4阶模态能量占比最大,约为38.6%;低阶本征模态中存在明显的相干结构,主要位于非稳定径向射流附近区域,且大尺度的流动结构与撞击流的液相混合行为直接相关,流场中相干结构尺度越大,能量越大,越有利于快速均匀混合.

变转速耦合偏心结构实现高效层流混合的荧光可视化试验研究

机械搅拌广泛应用于化工、食品、冶金、环保等过程工业领域。层流搅拌工况下,搅拌槽内由于搅拌桨叶的规律性扰动使桨叶的上下方产生环状隔离流场。隔离流场的封闭性使流场内外工质无法交换,成为实现高效层流混合的主要障碍。采用平面激光诱导荧光(Planner laser induced fluorescence,PLIF)技术显示瞬态流场结构。通过编写图像处理程序,识别非混合区域并定量计算出混合效率。试验结果表明,传统中心搅拌的混合效率停留在63%左右,经过多个周期的变转速搅拌后混合效率可提升至约78%。搅拌轴的偏心布置破坏了流场的周期对称性,促使隔离区域减小。当偏心率E=0.1、0.3、0.4、0.5、0.6时,在200 s内混合效率分别为79%、85%、89%、90%、86%。研究发现偏心率与混合效率并非单调线性关联,偏心率存在最优值范围(E=0.4~0.5)。然而流动隔离区仅通过搅拌轴的偏心布置仍然无法完全消除。提出变转速耦合搅拌轴偏心布置的策略,通过施加非定常非对称扰动实现层流搅拌工况下的高效混合。荧光可视化结果表明,与中心变转速搅拌相比,偏心变转速搅拌对流场的改变更为明显。当偏心率E=0.3、0.4、0.5时,经过三个周期的变转速层流混合,隔离区域大幅缩减,混合效率最高可达97%以上。将为高效层流搅拌混合器的设计提供技术与理论指导。

水平对置双向撞击流混合器的混合效果

采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)对浸没状态下水平对置双向撞击流混合器在湍流时的混合情况进行了研究,考察了进口处雷诺数(Re)、喷嘴间距、喷嘴内径、进口速度比对混合效果的影响.结果表明,对称撞击下,喷嘴间距L从d’增加至3d’时(d’为两喷嘴内径平均值),混合时间减小;L由3d’增加至5d’时,混合时间增加,L=3d’时混合时间最小.两端进口处Re=17544时,喷嘴内径由6 mm增至14 mm,混合时间减小且减小趋势逐渐放缓;两喷嘴进口速度比由0.71增至1.67时,混合时间先减小后增加,速度比为1时,混合时间最小;雷诺数Re由7519增至40936时,混合时间减小.对称撞击下,L=3d’时混合效果最好,增加喷嘴内径及雷诺数可显著提高混合效果.

波形板壁面液膜的神经网络及混沌特性分析

波形板干燥器是船用核动力系统中重要的汽水分离设备,其壁面上自由下降液膜的流动特性对干燥器的汽水分离效率及船用核动力装置的安全性指标有着较大的影响。基于平面激光诱导荧光技术(PLIF)对不同雷诺数下的壁面薄层液膜厚度进行测量。通过小数据量法计算不同工况下的液膜厚度时间序列的最大Lyapunov指数,分析壁面液膜的混沌特性并进行相空间重构。利用反向传播(BP)神经网络解决非线性问题的优势对液膜厚度进行预测,完成了单隐层BP神经网络预测模型的建立并实现了自由液膜厚度的非线性特征分析。结果显示:最大Lyapunov指数与液膜雷诺数呈正相关关系;在大雷诺数区生成的孤立峰同重力及液膜间的叠加作用相互耦合,使液膜混沌特性变得更加明显。