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。

LIPF法对甲烷-空气火焰温度及OH分布场的测量

介绍了激光感生预分离荧光法（ＬＩＰＦ）的原理及一维与二维测量实验装置。利用可调谐ＫｒＦ准分子激光器，在甲烷一空气火焰中测得了燃烧中间产物ＯＨ的系列荧光谱线及ＯＨ分子的二维荧光图象，对它的话线结构进行了分析，并给出了燃烧火焰的一维温度值，测量的相对误差小于３％。二维荧光图象也定性表明燃烧火焰的ＯＨ分子密度分布和二维温度场等信息。

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。

燃气轮机燃烧室预混燃烧器天然气燃料/空气掺混均匀性研究

采用数值模拟与实验研究相结合的方法开展了应用于燃气轮机燃烧室的预混燃烧器中燃料/空气掺混均匀性问题研究。在CHEMKIN软件中建立化学反应网络模型,通过零维模拟研究了燃/空预混不均匀度对NO_x排放的影响规律。针对某预混燃烧器,从影响燃料/空气掺混均匀性角度,采用三维数值模拟手段对预混段长度和燃料孔径结构开展了参数化研究,评估了预混段长度对流场和组分场的综合影响,着重关注燃/空动量比对燃料射流深度的影响,进而分析其对燃料/空气掺混性能的影响。最后,选取2种典型预混燃烧器结构,实验测量了预混火焰在不同当量比工况下的OH分布和NO_x排放。结果表明,相同当量比工况下,2种预混燃烧器火焰结构相似,尺寸变化不大,但燃/空掺混性能更优的火焰OH峰值信号强度低,脉动小;燃/空预混不均匀度直接影响NO_x排放,尤其在高当量比工况下影响更加显著。研究结果将对预混燃烧器优化设计提供参考。

不同基底对等离子体射流放电及薄膜特性的影响

等离子体材料表面处理包括等离子体–基底相互作用过程,绝缘或金属基底的存在会改变等离子体放电和化学气相沉积过程,进而影响沉积薄膜特性。为此重点研究大气压等离子体射流薄膜沉积体系中,等离子体射流激发态粒子和基态OH浓度发展规律,并进一步将等离子体射流放电过程与薄膜特性建立联系。结果表明:薄膜沉积过程中,检测到Ar、N2以及OH相关谱线,有机玻璃(PMMA)基底时谱线强度略高;对于OH自由基的相对密度分布,当基底为PMMA时主要分布在管口附近,而当基底为铜(Cu)时分布在管口与基底间的整个空间区域,并且TEOS的含量增加使得其分解形成的中间产物增加,进而增加薄膜沉积速率。此外,不同的材料会造成靠近基底处的场强有较大差异,如PMMA基底处场强基本维持不变,而Cu基底处场强有所增加。通过对薄膜成分分析和对比,发现PMMA表面沉积的薄膜氧化程度更高且所含的杂质较少。通过对不同基底上沉积薄膜以及沉积过程的对比和诊断,对于理解并解决在应用中的相关问题具有重大意义。

交叉射流分级燃烧器中CH_4柔和燃烧特性分析

柔和燃烧具备燃烧稳定、烟气出口温度均匀、NO和CO排放低的特点,有望成为新一代燃气轮机燃烧技术。因此,开展柔和燃烧技术应用于燃气轮机燃烧室的探索研究非常必要。烟气温度、氧浓度及其与新鲜空气的掺混对柔和燃烧的发生及燃烧性能有重要影响。为此,基于轴向分级概念建立燃烧器,通过精确控制烟气回流比例和当量比使得烟气的流量、温度、氧浓度连续可调,设计合适的燃烧器结构型式使得烟气在掺混区和燃料、空气以交叉射流方式掺混。通过数值模拟结合实验的方法,从流动、热力学角度研究分析了回流比例、当量比对OH﹡分布、火焰稳定性、NO/CO排放等燃烧性能的影响规律和机制。实验以甲烷为燃料,在回流比例r 0.5、当量比0.6工况下获得最佳的污染物排放性能:NO为6 mg/m3,CO为5 mg/m3。研究结果将为柔和燃烧在燃气轮机燃烧室上的应用提供理论依据和基础数据。

MILD燃烧条件下掺氢比对甲烷-氢气湍流扩散火焰的影响

采用二维轴对称的仿真方法对JHC实验中的第二级MILD燃烧进行数值模拟,研究了燃料体积流量不变时,掺氢比对甲烷-氢气湍流扩散火焰的影响规律.结果表明:随着掺氢比增加,燃料与氧化剂的混合程度逐渐提高,混合气体的总流速及其径向分量不断减小,火焰锋面逐渐向氧化剂侧倾斜,OH自由基的最大质量分数呈现出先上升后下降的趋势;在燃烧温度方面,虽然MILD燃烧主要放热反应区域内的燃烧温度随掺氢比的增加不断增大,但当掺氢比大于20%时,掺氢比的进一步提高对最高燃烧温度影响很小.

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。

蒸汽稀释均匀性对天然气扩散火焰污染物排放特性的影响

采用数值模拟与实验相结合的方法进行蒸汽稀释均匀性对天然气扩散火焰污染物排放特性影响的研究。建立化学反应网络模型,通过零维模拟研究天然气/蒸汽掺混不均匀度对CO、NO_x生成的影响规律。利用某天然气扩散燃烧器,实验研究蒸汽稀释比和稀释均匀性对天然气扩散火焰结构和污染物生成的影响。结果表明,蒸汽稀释均匀性对火焰结构影响较小,但增强稀释均匀性后反应区OH峰值信号强度减弱,NO_x、CO均呈下降趋势。