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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

作　者: 李麦亮
导　师: 周进
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 燃烧过程诊断 CARS LIFS PLIF 温度测量 浓度测量 超声速燃烧 火箭发动机
分类号: V231
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要


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A2∑←X2Π（1,0）跃迁的Q1（8）和Q1（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A2Σ←X2Π（1,0）跃迁的Q1（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

全文目录


插图目录  8-13
表目录  13-14
摘要  14-16
ABSTRACT  16-20
第一章 绪论  20-44
  §1．1 开展激光光谱诊断技术及其应用研究是推进技术发展的需要  20-22
    §1．1．1 深化燃烧机理研究需要先进的燃烧诊断技术  20-21
    §1．1．2 激光光谱诊断技术是先进的燃烧研究工具  21-22
  §1．2 激光光谱诊断技术基本概念  22-28
    §1．2．1 CARS的基本概念  22-25
    §1．2．2 LIF的基本概念  25-28
  §1．3 燃烧的激光光谱诊断技术及其应用研究概况  28-40
    §1．3．1 CARS技术及其应用研究概况  28-34
    §1．3．2 LIF技术及其应用研究概况  34-40
      §1．3．2．1 LIFS研究简况  34-35
      §1．3．2．2 PLIF技术及其应用研究概况  35-40
  §1．4 本文的主要研究内容及结构安排  40-44
    §1．4．1 本文的研究重点  40-41
    §1．4．2 论文的主要结构  41-42
    §1．4．3 论文的主要章节  42-44
第二章 CARS技术研究  44-96
  §2．1 CARS基本理论要点  44-53
    §2．1．1 非线性光学效应基本方程  44-46
    §2．1．2 气体介质中的CARS光强  46-50
    §2．1．3 三阶非线性极化率的表达  50-52
    §2．1．4 CARS信号与温度和浓度的关系  52-53
  §2．2 理论CARS光谱的计算方法  53-65
    §2．2．1 三阶非线性极化率的计算  53-57
    §2．2．2 激光线宽的处理  57-58
    §2．2．3 仪器函数  58-59
    §2．2．4 谱线宽度和计算模型的考虑  59
    §2．2．5 计算结果示例  59-65
  §2．3 CARS测量系统及实验参数设置  65-72
    §2．3．1 CARS实验测量系统组成  65-66
    §2．3．2 主要测量系统参数设置  66-72
  §2．4 稳态场中多脉冲叠加和单脉冲氮气Q支CARS测温结果与分析  72-85
    §2．4．1 测量对象  72-73
    §2．4．2 多脉冲叠加CARS测温  73-78
    §2．4．3 单脉冲CARS测温  78-82
    §2．4．4 不同测量环境和方式的测量结果统计对比  82-85
  §2．5 CARS测温的准确性研究  85-95
    §2．5．1 问题的提出  85-86
    §2．5．2 管式电炉中氮气Q支CARS测温准确性  86-88
    §2．5．3 平面火焰中氮气Q支CARS测温准确性  88-95
  §2．6 小结  95-96
第三章 激光诱导荧光技术研究  96-124
  §3．1 激光诱导荧光(LIF)理论  97-100
    §3．1．1 单光子激发简单二能级系统  97-99
    §3．1．2 多能级模型  99-100
  §3．2 氢氧基LIFS测量火焰温度  100-114
    §3．2．1 LIFS测温方案选择  100-101
    §3．2．2 扫描双线激发宽带氢氧基LIFS测温原理  101-104
    §3．2．3 测量系统设置  104-105
    §3．2．4 氢氧基LIFS测量结果及分析  105-114
  §3．3 PLIF测量火焰中的氢氧基浓度分布  114-122
    §3．3．1 单线激发氢氧基PLIF浓度测量原理  114-116
    §3．3．2 PLIF测量系统设置  116-117
    §3．3．3 PLIF测量结果与讨论  117-122
  §3．4 小结  122-124
第四章 激光光谱诊断技术在超声速燃烧研究中的应用  124-156
  §4．1 引言  124-125
  §4．2 超声速燃烧实验系统简介  125-128
    §4．2．1 超声速燃烧实验装置结构及主要设计参数  125-127
    §4．2．2 超声速燃烧实验供应系统  127-128
    §4．2．3 超声速燃烧实验测控系统  128
  §4．3 氢氧基PLIF浓度分布测量技术在超声速燃烧研究中的应用  128-147
    §4．3．1 实验系统基本设置及实验结果的表示方法  129-130
    §4．3．2 基于PLIF的超燃火焰结构分析及PLIF测量与数值仿真结果的比较  130-136
    §4．3．3 凹腔扰动对点火的影响及凹腔稳定火焰的机理研究  136-137
    §4．3．4 凹腔长深比对超声速燃烧的影响  137-139
    §4．3．5 不同凹腔后缘倾角对超声速燃烧的影响  139-140
    §4．3．6 不同燃料喷注位置对超声速燃烧的影响  140-141
    §4．3．7 剪切层扰动对超声速燃烧的影响  141-143
    §4．3．8 氢气引燃的酒精超燃火焰结构及成因分析  143-147
  §4．4 单脉冲氮气Q支CARS测温技术在超声速燃烧研究中的应用  147-153
    §4．4．1 实验条件设置  147-148
    §4．4．2 实验结果及分析  148-153
  §4．5 小结  153-156
第五章 光谱诊断技术在液体火箭发动机燃烧过程研究中的应用  156-178
  §5．1 引言  156
  §5．2 PLIF及发射图像在发动机羽流研究中的应用  156-159
    §5．2．1 实验设置  157-158
    §5．2．2 实验结果及分析  158-159
  §5．3 PLIF及自发发射测量在三组元发动机燃烧过程研究中的初步应用  159-167
    §5．3．1 模型三组元发动机简介  159-160
    §5．3．2 氢氧基PLIF技术在三组元发动机燃烧过程研究中的初步应用  160-164
    §5．3．3 不同推进剂组合燃烧时的三组元发动机燃烧流场紫外自发发射图像  164-167
  §5．4 CARS技术在三组元火箭发动机研究中的应用初探  167-176
    §5．4．1 模型三组元发动机及CARS测量系统设置  167-168
    §5．4．2 氮气Q支CARS在三组元火箭发动机燃烧诊断中的应用  168-176
  §5．5 小结  176-178
第六章 总结与展望  178-182
  §6．1 结论  178-180
  §6．2 未来工作展望  180-182
致谢  182-184
参考文献  184-204
附录  204

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空发动机（推进系统） > 发动机原理
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