激光燃烧诊断技术及应用研究进展

介绍了用于燃烧场温度、组分、火焰构造和流场速度等参数测量的相干反斯托克斯喇曼散射、自发振动喇曼散射、激光诱导荧光和OH示踪测速实验系统,给出了在预混火焰、高能固体推进剂瞬态燃烧场和超声速高温流场测量的部分实验结果,并分析了激光作用区域燃烧场温度、主要组分及流场速度的分布和火焰构造。     

基于OH - PLIF 的甲烷/空气旋射流扩散火焰实验研究

利用平面激光诱导荧光技术研究甲烷-空气旋射流扩散火焰中氢氧自由基(OH)的分布。通过OH-PLIF测量技术在已经设计完成的燃烧器(旋风燃烧器)开口上观察不同甲烷和空气的质量流量配比对火焰的温度、颜色变化、火焰的尺寸的影响以及这些因素和OH浓度分布的关系。OH-PLIF的图像是研究火焰结构和流场的有效工具;通过了解OH基的浓度分布来进一步改造发动机内部的结构,从而提高燃烧的效率。     

合成气预混层流火焰结构的实验和数值研究

利用OH-PLIF方法获得了当量比分别为0.6、0.8、1.0、1.2,CO2或N2稀释比分别为3%、5%时,合成气/空气/稀释气本生灯预混层流火焰中OH基的分布,结合STAR-CD模拟计算所得火焰中的流场和组分分布进一步分析了火焰结构。研究结果表明:随着混合气当量比的增加,OH基高浓度分布区域由火焰前锋面附近转移到火焰边缘;混合气较稀时,火焰前锋面附近OH基浓度最高且沿已燃区方向逐步递减,火焰顶端处OH基浓度减小,模拟计算结果显示火焰顶端并未发生燃料泄漏;化学当量比下,火焰前锋面附近和火焰边缘区域OH基浓度较高,火焰前锋面附近出现了预混燃烧区和扩散燃烧区,该区域中OH基呈现"W"型分布;受N2和CO2稀释的影响,混合气层流燃烧速度降低,火焰前锋面拉长,CO2对火焰结构的影响比N2更显著;火焰前锋面附近OH基浓度减小,扩散燃烧区OH基浓度增大,说明火焰的预混燃烧有所减弱,扩散燃烧有所加强。     

中国空间站燃烧科学实验柜火焰温度及碳烟体积分数地面重建

基于双色法和Tikhonov正则化算法,应用燃烧科学实验柜科学实验系统开展乙烯扩散火焰二维和三维温度及碳烟体积分数分布重建实验,以期为将来的微重力-常重力燃烧对比实验提供技术支持和地面数据。研究结果表明：火焰温度的计算误差约为3.03%,碳烟体积分数的计算误差约为3.86%;火焰温度沿径向先升高后降低,其峰值出现在靠近火焰边缘的位置;火焰上游处的碳烟体积分数分布呈中心低、四周高的趋势,而火焰下游的碳烟体积分数峰值则出现在火焰中心区域;依据SN571、SN610和SN573光学诊断设备采集的图像信息重建的峰值温度分别为1 942、1 954和1 981 K,最高碳烟体积分数分别为11.34×10^-6、11.23×10^-6和11.02×10^-6;三维重建的温度和碳烟体积分数分布与二维重建的分布一致,三维重建出的火焰峰值温度约为1 900 K,最高碳烟体积分数约为10.60×10^-6。     

激光选择性作用下的原子荧光效应

从激光与原子体系相互作用的微分方程出发,在合理的简化条件下,解出了原子受激能级粒子数瞬态分布。以此为基础,导出了荧光光谱的强度公式,研究了荧光光谱的时间特性,解释了激光荧光光谱实验中所观察到的饱和现象,并且指出了利用激光的选择性作用提高荧光分析中灵敏度及准确性的途径。     

Pr３＋∶ZBLAN光纤中4f5d能级上转换激发

利用粒子数速率方程和有关的辐射跃迁理论， 计算模拟了Pr^３＋∶ZBLAN光纤中Pr^３＋离子4f5d能级频率上转换激发的动力学过程. 在不同Pr^３＋浓度下， 研究了抽运功率的 纵向分布和有效光纤长度随抽运功率的变化关系， 给出抽运效率与抽运功率的变化关系. 通过 计算各能级的粒子数密度， 给出可能与4f〖KG*9〗5d组态形成布居数反转的4f ²能级.     

Android平台上基于粒子系统的喷射型火焰模拟

针对传统粒子系统的燃烧型火焰模型在Android移动平台上模拟火焰喷射装置发射喷射型火焰运动状态时,由于采用了随机运动方式,产生大量粒子,无法满足系统实时性及逼真性的问题。提出一种燃烧学模型与粒子系统相结合的改进方法来模拟喷射型火焰。根据喷射型火焰燃烧学理论,提出按火焰生命周期进行分阶段渲染多种纹理的火焰仿真方法来减少每帧生成的粒子数。同时,构建了半四面体粒子图元来增强喷射火焰的细节,能生成较真实喷射火焰效果。实验证明,改进的模拟方法可以通过较少粒子数达到较好的视觉真实感,满足实时喷射火焰生成需求。     

一种改进的低密度薄壁中空微球预混料均匀性及密度表征方法

基于多级粉体堆积理论，建立了低密度薄壁中空微球预混料的堆积模型和理论密度计算方法；基于微球混合物的图像色彩亮度和混合均匀性存在一定映射关系，使用图像二值法进行图像采集处理，并引入综合分散度表征混合均匀度；设计了低密度薄壁中空微球预混料的密度及混合均匀性测量系统，通过PLC可实现压力和位移的可控精确测量。使用本测量系统对微球预混料进行了10组实验的密度值测定，结果表明：测得的预混料的平均密度为0.431 2 g/cm³，预混料的理论密度为0.428 2 g/cm³；密度测定的相对标准差为0.25%，与手工称量瓶法相比，本测量系统的密度重复测试精度提高了1.12倍，且平均密度更接近理论密度。测定了不同混合程度的3种预混料的混合均匀性，结果表明：随着预混料由粗混到精混，其对应的综合分散度逐渐增大并接近理想样品，采用本文算法得到的预混料的综合分散度量化数值能够反映预混料的混合均匀度。     

基于光场分层成像的火焰三维温度场测量

为了实现瞬态火焰的三维温度场的测量,提出了一种基于光场分层成像技术的火焰温度场测量方法.利用光场相机通过一次曝光,将各个聚焦平面的信息储存在一张原始光场图像上,通过光场重聚焦技术获得了不同聚焦面的火焰图像序列,结合图像反演算法得到了高精度、实时性的火焰各断层图像,进而实现三维温度场分布的重建.建立了基于光场分层成像技术的火焰温度测量系统,实现对火焰三维空间上4个断层面的温度场重建.结果表明,重建的第1,4层的火焰面积较小,低温区域位置较低,第2,3层的火焰面积较大,低温区域位置较高;每层的火焰分布都是中部边缘处温度最高,且各层的火焰分布之间有明显差别.火焰重建实验结果符合燃烧火焰的外形结构和内部的温度分布结构,证明了此方法的可行性.     

激光诱导热助振动荧光光谱及其应用

基于分子激发态振动能级之间粒子碰撞能量弛豫过程理论,提出利用激光诱导分子热助振动荧光光谱实现瞬态燃烧温度测量新技术,从理论上建立了描述分子激发态振动能级粒子碰撞能量弛豫模型的速率方程组。以BaCl分子为对象,研究了激光诱导热助振动荧光的特性,通过选择以517nm波长激发Bacl C~2π_(1/2)(V′=1)(?)X~2∑(v″=0)能级跃迁,实验测量了液化石油气/空气的轴对称预混层流火焰温度,测得焰锥顶部附近的温度为1792±30K。     

5-甲氧基水杨醛缩3-羟基-2-萘甲酰肼席夫碱的合成及其荧光性质研究

通过加成-消除反应合成了5-甲氧基水杨醛缩3-羟基-2-萘甲酰肼席夫碱,通过IR、¹H NMR和元素分析对其结构进行了表征.并对其与不同金属离子如Ag⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、La³⁺、Ce³⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Sr²⁺等作用前后的荧光性质进行了研究.实验结果表明,不同的金属离子能使该席夫碱荧光强度发生不同程度的改变.Ag⁺使席夫碱的荧光强度略有增强,其他金属离子则使席夫碱的荧光强度发生不同程度的减弱,Pb²⁺与席夫碱作用后荧光强度降低最大,甚至发生荧光猝灭现象.     

湿度变化对双旋流合成气非预混燃烧特性的影响

利用平面激光诱导荧光(PLIF)、高温细丝热电偶及红外气体分析仪对不同空气湿度下的双旋流合成气非预混燃烧流场进行了实验研究.实验结果表明,随着空气湿度的增加,合成气火焰的基本形态已经发生很大变化,燃烧室中心轴线处OH自由基浓度越来越低,荧光信号强度明显变弱,火焰根部逐渐出现W型分布特征,燃烧室排气温度缓慢下降;当空气加湿量φ(空气中水蒸气体积与干空气体积之比)为0~30%时,CO排放量变化不大,但是当φ=40%时CO排放迅速增加,而当φ=50%时,CO排放已经不稳定,燃烧振荡,容易熄火.此外,NOx排放随着φ增加下降明显,但是当φ20%时,NOx排放的下降趋势会变慢,继续增加水蒸气对NOx排放的影响不大.     

紫外激光激发下Er3+ ∶YAG晶体的荧光谱

利用时间分辨激光诱导荧光光谱技术, 用262 nm和276 nm紫外激光对原子数分数为x(Er³⁺)=10.5%和x(Er³⁺)=8.4%两种情况下Er³⁺ ∶YAG晶体的4D5/2和2H9/2能级分别共振激发, 记录了每种情况下的荧光发射谱, 对其中所有荧光谱峰对应的能级跃迁做了详细标定. 用Judd-Ofelt理论计算其辐射跃迁几率, 发现实验荧光强度比和理论辐射跃迁几率比基本一致.     

工业废水中金属离子对水煤浆性能的影响及作用机理研究

工业废水用于制备水煤浆,有利于其资源化利用,降低工业废水的处理成本,减少环境污染。为了探究工业废水中金属离子对水煤浆黏度、稳定性和燃烧特性的影响,选用Na⁺、Ca²⁺两种金属离子进行实验研究。成浆实验研究结果表明,Na⁺、Ca²⁺存在时均会增加水煤浆的黏度,并且Ca²⁺的增黏幅度明显高于Na⁺;Na⁺、Ca²⁺对水煤浆稳定性的影响较小。燃烧特性研究表明,Na⁺、Ca²⁺水煤浆的着火温度、燃尽温度降低,最大燃烧速率增大,Na⁺对燃烧特性产生的积极影响比Ca²⁺显著。     

基于强激光场与固体靶相互作用的等离子体光栅产生新机制研究

等离子体光栅由于不存在电磁场击穿效应,因此在强场物理研究中有着重要的应用.通过粒子(particle-in-cell, PIC)模拟的方法,利用皮秒强激光脉冲(激光场强度I的数量级约为10¹⁵W/cm²)与超临界密度固体靶(粒子数密度n≈10nc)相互作用,发现了一种等离子体数密度光栅产生的新机制.研究表明,这种新型等离子体光栅来源于强激光在固体靶中激发的等离子体波的干涉.因此只需要单束激光就可以激发产生,其持续时间可达数皮秒量级.该光栅具有纳米尺度的空间周期,相比于传统的通过两束激光在稀薄等离子体中干涉产生的激光波长尺度(微米)的等离子体光栅,这一发现对于x波段的强光操控有着潜在的应用价值.     

一种改进的低密度薄壁中空微球预混料均匀性及密度表征方法

基于多级粉体堆积理论，建立了低密度薄壁中空微球预混料的堆积模型和理论密度计算方法；基于微球混合物的图像色彩亮度和混合均匀性存在一定映射关系，使用图像二值法进行图像采集处理，并引入综合分散度表征混合均匀度；设计了低密度薄壁中空微球预混料的密度及混合均匀性测量系统，通过PLC可实现压力和位移的可控精确测量。使用本测量系统对微球预混料进行了10组实验的密度值测定，结果表明：测得的预混料的平均密度为0.431 2 g/cm³，预混料的理论密度为0.428 2 g/cm³；密度测定的相对标准差为0.25%，与手工称量瓶法相比，本测量系统的密度重复测试精度提高了1.12倍，且平均密度更接近理论密度。测定了不同混合程度的3种预混料的混合均匀性，结果表明：随着预混料由粗混到精混，其对应的综合分散度逐渐增大并接近理想样品，采用本文算法得到的预混料的综合分散度量化数值能够反映预混料的混合均匀度。     

燃油喷雾气液两相三维浓度的同步激光测量

燃油喷射瞬态雾化、蒸发及与空气混合过程的研究，是目前国内外柴油机燃烧与净化研究的前沿课题。利用激光技术与计算机图象处理技术，首次提出了对燃油喷雾蒸发过程中，气液两相的油滴密度与燃气浓度的三维分布，进行动态非接触同步定量测量的理论，通过自建的测试系统，给出了部分试验结果，为柴油机燃烧性能及排污的进一步改善提供了一定的理论依据。     

壁面冷却空气对贫油吹熄特性影响的激光诊断研究

针对燃烧室中冷却壁面的冷却气膜会影响燃烧室内的流场、改变回流区结构,从而影响贫油吹熄特性这一问题,在一带有气膜冷却的旋流燃烧室上开展了不同壁面空气占比下的贫油吹熄极限测量。结果表明：壁面冷却空气占比达到0.2时,不同燃油流量下,以全局空气流量计算,燃烧室吹熄当量比降低的范围在0.09～0.1之间;以主流空气计算,吹熄当量比降低范围在0.01～0.028之间。为了更加深入研究这一规律的原因,开展了平面激光诱导荧光(PLIF)激光诊断测量,可知引入壁面冷却空气后,OH基更集中分布在靠近燃烧室底部的火焰根部。在稳定火焰工况中,与近吹熄火焰相比,在燃烧室底部附近的火焰中央有大量OH基分布,这将有助于火焰的稳定,并拓宽贫油吹熄极限。米氏散射实验结果表明,引入壁面冷却空气后可使燃油液滴更集中分布在燃烧室底部附近,这将导致根部火焰局部当量比提高,易于形成稳定的火焰。结合所得实验结果,在所使用的旋流模型燃烧室内,加入占比为0.2的壁面冷却空气,可以拓宽燃烧室的贫油吹熄极限,有助于火焰的稳定。研究结果有望对带有冷却气膜的燃烧室的燃烧稳定性调控问题提供一定的理论指导。     

双色脉冲场量子调控H2+的光电离动力学

 利用精确求解核与电子运动的三维含时量子波包法,理论研究了双色激光脉冲场(790-395 nm)量子调控H₂⁺的光电离动力学方案。与单色场790 nm和395 nm相比,H₂⁺在双色脉冲场(790-395 nm)中的电离几率明显增强。通过改变双色脉冲场的初始相位差,H₂⁺的光电离产物的空间非对称性分布几率可达52%。该调控方案的理论机理是通过精确操控激光场的瞬间波形,使其电场强度在正、负方向上的非对称性达到最大值,进而达到对光电离动力学过程的高效调控。通过系统分析活跃电子在强场缀饰势阱中的运动,阐明了H₂⁺的光电离几率和产物空间分布随电场强度的变化关系。该研究结果将为后续的量子调控光电离动力学实验提供科学的理论预测和指导。     

基于点状火源的秸秆火焰蔓延及燃烧特性

该文开展了圆柱形堆积秸秆的燃烧实验，测量并研究了不同堆积直径和堆积厚度条件下秸秆火焰发展蔓延过程、火焰结构、秸秆质量损失以及火焰温度等，推导并建立了关于质量损失速率■、无量纲火焰温度的定量模型。结果表明：秸秆燃烧过程中随着燃烧区域的扩大，火焰结构会依次出现中空的锥形火焰、分离的环形火焰以及断裂的环形火焰形态；秸秆质量损失速率呈现先增加后减少的趋势，其峰值与秸秆初始质量具有良好的线性关系，表明秸秆的初始质量越大越有助于燃烧过程的热量积累；火焰轴心温度也呈现先增大后减小的趋势，无量纲火焰温度与■具有幂函数关系，随■增加呈现不同斜率的线性下降趋势，其中z-z₀为火焰相对高度。该研究结论有助于加深对秸秆火灾发展蔓延过程的认识。