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。

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。

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。

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。

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。

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.

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PLIF的液膜测温系统设计

根据平面激光诱导荧光(PLIF)测温与高速摄影技术构建PLIF液膜测温系统,基于UCOS II与UCGUI框架对温控系统ARM软件程序进行设计。标定PLIF测温系统,并依据标定曲线,实现对液膜的温度场测量与测温误差分析。结果表明:PLIF液膜测温系统的测温误差小于2%,且具有非侵入、高时空分辨率等特性,适用于实际工业液膜测温过程。

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.

PLIF技术及其在反应堆热工水力研究中的应用

哈尔滨工程大学核反应堆工程研究团队(HEU-NUREL)长期致力于平面激光诱导荧光(PLIF)技术的探索及其在反应堆热工水力研究中的应用。PLIF技术作为非侵入式先进测量手段,可实现物理场全平面的定性和定量测量,为数值模型验证提供基准实验数据。本文全面展示HEU-NUREL基于PLIF技术在核反应堆热工水力研究等方面的最新成果和进展,重点介绍应用PLIF技术在浓度测量、温度场分析、两相分布及技术探索等方面的实践路径和测量效果,阐述PLIF技术及相关方法在热工水力不同领域的技术特点和独特贡献,旨在促进PLIF技术更好地服务反应堆系统设计与安全分析。

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。

超声速气流中液体横向射流的破碎特性

为了研究超燃冲压发动机燃烧室内液体燃料雾化掺混特性,确定影响雾化的关键因素以实现高效燃烧,在超燃冷态雾化实验平台,以纹影法为主,同时辅助以平面激光诱导荧光（PLIF）技术和基于向前散射原理的颗粒直径测量技术,分别对横向射流航空煤油RP-3和水在超声速气流中的流场波系结构、射流穿透深度和诱导弓形激波强度等进行了实验研究,并对射流雾化掺混特性进行了数理分析.结果表明：定义的无量纲参数能够定性分析两种液体横向射流在超音速流场中的变化规律,并得到与实验结果一致的结论;在动压比1.0-3.3范围内,射流穿透深度和诱导弓形激波强度随着动压比和射流速度的增加而增加;表面张力和黏度对超声速射流掺混有重要影响.

面激光诱导荧光技术用于快速液液微观混合研究

建立了面激光诱导荧光技术研究液液微观混合过程的实验方法,在无干扰流场条件下,研究了毫米尺度流道内、错流接触的两股液膜的时空混合行为,以可视化的手段揭示了液液微观混合过程的二维瞬态浓度场,发现了液膜快速错流接触后形成的有序波形涡结构,涡的尺度大小为1～2mm,涡的发展过程是影响两股流体混合的主要因素.同时建立了混合过程的定量表征方法,用混合液膜中组分的离析度(intensityofsegregation,IOS)定量描述了混合过程所达到的程度,获得了不同液膜流速下液液混合过程IOS值随着液体流动方向的变化趋势图,并分析了两股液膜之间的速率比以及混合液膜的Reynolds数对混合过程的影响.

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 。

H_2含量和湍流强度对典型烟煤合成气火焰结构影响的测量研究

针对典型烟煤合成气湍流预混火焰,利用平面激光诱导荧光技术测量燃烧中间产物OH自由基分布,研究H2含量和湍流强度对实际合成气火焰结构的影响。实验结果表明,H2对合成气火焰中OH生成具有正向促进作用,H2含量高的合成气在实际燃烧中更容易稳定着火,且燃烧速度更快,有利于合成气充分燃烧。湍流强度的增加使合成气火焰锋面的皱褶程度增大,且使火焰中OH自由基增多,强化了合成气燃烧。合成气湍流火焰的脉动特性受H2含量的影响不大,主要与湍流强度有关。

平面激光诱导荧光实验中激励激光的光束整形

分析了激励激光光强分布对平面激光诱导荧光(PLIF)实验中荧光强度的影响。基于柱面微透镜列阵设计了一套激光片状光束匀滑整形系统,并根据PLIF实验的具体要求,通过光线追迹方法优化了系统参数。建立了片状光束整形实验系统,对染料激光进行了匀滑整形,获得了不均匀性<4%的均匀片状光束,满足了PLIF实验所需。在此基础上建立了PLIF实验系统,获得了酒精灯火焰和CH4/air预混火焰中OH的二维荧光分布。