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激光光谱诊断技术及其在发动机燃烧研究中的应用

李麦亮  
【摘要】:本文针对发动机燃烧机理研究的需要,以燃烧流场的温度和组分浓度测量为主要目标,系统地研究了相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS:Coherent Anti-Stokes Raman spectroscopy)技术,激光诱导荧光光谱(LIFS:Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy)技术和平面激光诱导荧光(PLIF:Planar Laser-Induced Fluorescence)技术,尤其对于CARS的单脉冲测量、CARS测温的准确性以及LIFS测量转动温度等进行了重点研究。在此基础上,将激光光谱诊断技术应用于超燃机理研究和火箭发动机燃烧过程研究,对超燃火焰结构的形成机理、凹腔的作用机理等进行了深入探讨。 在阐述了CARS的理论要点之后,对CARS光谱的理论仿真方法和实验测量方法进行了研究。通过对激光能量分配、激光模式控制、空间滤波和相位匹配等进行分析,提出了对这些实验设置进行优化的方法,实现了CARS的单脉冲(高时间分辨)测量。通过与热电偶的比较,研究了CARS测温的准确性。对CARS和热电偶在平面火焰中测温结果存在偏差的原因进行了深入分析,提出了层流预混火焰中可能存在的热力学非平衡会对氮气Q支CARS测温准确性产生影响的假设。 研究了基于双线扫描激发、谱积分求取宽带荧光强度的LIFS测温方法。从基本的激光诱导荧光理论出发,推导了该方法的测量原理。通过激发氢氧基A~2∑←X~2Π(1,0)跃迁的Q_1(8)和Q_1(5)线,得到了LIFS测量的平面火焰氢氧基转动温度。测量结果支持关于所研究的平面火焰中存在热力学非平衡的假设。 研究了利用单线激发PLIF技术测量氢氧基组分分布的方法,通过激发对温度变化不敏感的氢氧基A~2Σ←X~2Π(1,0)跃迁的Q_1(8)线得到了火焰的氢氧基分布图像。将氢氧基分布的PLIF图像与自发发射图像对比,分析了几种典型火焰的特点。 使用氢氧基PLIF技术研究了氢气/空气超燃火焰的结构,分析了可能影响燃烧性能的主要因素,特别指出湍流扩散是该超声速火焰的主要控制过程。对PLIF测量结果与数值仿真结果进行了对比,发现使用氢氧八方程化学反应模型和标准双方程k-ε湍流模型的数值仿真可以模拟超燃火焰的主要结构特征,但难以模拟湍流火焰的细节。 利用氢氧基PLIF技术,研究了氢气横喷的超燃流场中凹腔促进点火和稳定火焰的机理,发现凹腔的安装位置与燃料喷注位置的关系对发挥其促进点火的功能有影响,并且凹腔是通过持续“点燃”主流发挥其稳定火焰的作用的。研究了凹腔长深比、后缘倾角对超声速燃烧火焰结构的影响,发现火焰结构对于后缘倾角较为敏感。分析了燃料喷注方式,流动干扰对超声速燃烧过程的影响,结果显示对凹腔附近的剪切层施加干扰可有效改变燃料的混合扩散,进而改善燃烧效果。研究了氢气引燃的酒精超声速燃烧火焰,分析了酒精


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