基于二维激光诱导炽光法的棉籽油扩散火焰碳烟生成特性

搭建了一套二维激光诱导炽光测试系统,获得乙烯扩散火焰的碳烟体积分数,并将其与单点标定激光诱导炽光法和消光法得到的测试结果比对,验证了该测试系统的有效性.在一台液体燃烧器上,应用二维激光诱导炽光法研究棉籽油掺混比对柴油层流扩散火焰碳烟生成的影响.结果表明:随掺混比的增加,最大碳烟体积分数以及碳烟总量呈现降低趋势.在轴心方向上随火焰高度的增加,碳烟体积分数逐渐增加,在中部达到最大值,随火焰高度的进一步增加,碳烟体积分数开始降低.径向上的碳烟浓度峰值随火焰高度的上升由火焰外侧向火焰中心移动,且峰值先增加后降低.      

O2对乙烯扩散火焰在轴线上碳烟生成的影响

为探究乙烯扩散火焰在轴线上的碳烟生成特性,在一台层流同轴扩散火焰装置上,将氧气浓度(体积分数)控制为21%,24%,26%,28%和31%,使用碳烟颗粒采样装置对乙烯扩散火焰中不同轴向位置的碳烟进行采样．利用高分辨率透射电子显微镜对不同氧气浓度的碳烟颗粒样本进行观察和分析,结果表明：在相同的氧气浓度下,随火焰高度的增加,火焰轴线位置处的基本碳粒子平均粒径呈现先增大后减小的趋势,分形维数增加,团聚体从条状和链状向团状和簇状发展;在同一火焰高度,随着氧气浓度增大,基本碳粒子平均粒径减小,团聚体的分形维数变大,生成更多致密的网状团聚体,微晶的平均碳层间距和扭曲度都有所增加,碳层从平行排列变成弯曲排列．     

基于辐射光谱的对冲扩散火焰碳烟温度和体积分数的测量实验研究

对冲扩散火焰是研究碳烟生成特性的理想平台，温度是碳烟生成的重要影响因素，碳烟体积分数是衡量碳烟生成率的重要指标，因此对冲火焰中碳烟温度和体积分数的准确测量对于开发减少碳烟排放策略至关重要。文章基于碳烟多光谱辐射(soot spectral emission, SSE)方法同步测量对冲火焰中的碳烟温度和体积分数。考虑到对冲火焰空间尺度小，需要较高测量空间分辨率和位置精度的特点，开发一种用于对冲火焰精准测量定位的方法，有效地提高实验测量的位置精度；同时建立一套基于热电偶的光谱响应函数原位标定系统；最后使用SSE方法对常压环境不同工况下乙烯对冲扩散火焰的碳烟温度和体积分数进行测量。测量结果验证了对冲火焰碳烟温度场和浓度场的准一维性质；通过与消光法实验数据和采用详细化学反应机理的数值计算结果的对比，验证了SSE方法测量对冲火焰中碳烟温度及体积分数分布的可行性。     

高可控非稳态对冲扩散火焰的实现及其时变流场特征

为研究火焰拉伸变化对流场、碳烟生成的瞬态效应，进一步完善层流火焰面模型在湍流火焰中的应用，设计并搭建了一个高可控的声激励对冲火焰燃烧器及其流场和碳烟浓度场的测量系统，利用相位锁定的粒子图像测速和激光诱导白炽光技术，测量了简谐振荡的对冲火焰中流场以及碳烟生成随时间的变化特性。结果表明：设计的声激励对冲燃烧器喷嘴出口速度为非均匀分布；非稳态工况下，施加的声激励电压信号幅值与出口速度振幅呈线性关系，频率为40 Hz的乙烯和丙烷火焰出口速度分别滞后电压信号0.09、0.14周期；随着电压信号频率的增加，速度的滞后程度也随之扩大。此外，40 Hz频率下乙烯火焰的碳烟体积分数滞后准稳态值0.35周期，具有明显的瞬态效应。研究成果可为非稳态层流火焰面模型开发提供理论依据。     

不同海拔条件下柴油燃烧火焰温度和碳烟特性研究

为了研究海拔条件对柴油机冷起动阶段柴油燃烧过程的影响,在定容燃烧弹台架上模拟了平原和海拔2000 m工况下柴油机缸内的热力学状态,利用双色法获取了不同工况下柴油火焰温度和表征碳烟浓度的KL因子分布. 结果表明,随着海拔由0 m增加至2000 m,环境温度、压力同时降低产生了耦合作用,导致柴油滞燃期由2.0 ms增大至3.13 ms.海拔升高后,柴油燃烧过程中平均火焰温度降低,局部高温区域消失,KL因子总量减少. 海拔条件变化影响了碳烟特性和火焰温度的关系. 随着海拔升高,火焰温度降低,导致碳烟氧化主导阶段碳烟氧化速率降低,局部火焰温度对局部碳烟浓度的影响减小.      

主碳链长度对脂肪酸甲酯扩散火焰碳烟生成及其演变规律的影响

研究主碳链长度对于脂肪酸甲酯的同轴层流扩散火焰中碳烟的生成及其演变规律的影响.针对丁酸甲酯、辛酸甲酯及癸酸甲酯扩散火焰,采用激光诱导炽光法,结合热泳探针取样后的透射电子显微镜图像,分析火焰中碳烟体积分数的2维分布及碳烟颗粒的形貌特征.实验结果表明:随着主碳链长度的增加,脂肪酸甲酯扩散火焰的碳烟体积分数增大,碳烟的生成与积聚更为提前,表面生长速率更快;通过化学反应动力学模拟3种脂肪酸甲酯的热解氧化反应,验证了激光诱导炽光法的实验结果;随着主碳链长度的增加,脂肪酸甲酯的热解起始温度有所降低,C_2H_2、C_2H_4等中间物质的产生有所增加,多环芳香烃的生成速率更快;通过对苯环生成路径的敏感性分析可知,在丁酸甲酯热解中,第1个苯环的形成主要为C_4+C_2的生成路径,而辛酸甲酯、癸酸甲酯热解中苯的形成有C_4+C_2、C_3+C_3两种生成路径,且C_3+C_3生成路径占主导地位.     

正十二烷喷雾火焰中碳烟的瞬态生成特性

针对压燃式发动机中碳烟演化过程难以被实验准确捕捉的问题,研究了高温高压环境中正十二烷喷雾燃烧焰中碳烟瞬态生成特性及动力学行为,在实验方面,应用消光辐射联合技术以及燃烧成像测速技术,同步获得高温高压环境中单孔喷油器正十二烷喷雾燃烧火焰中的碳烟体积分数、碳烟温度和碳烟速度场的瞬态分布;数值计算方面,基于OpenFOAM环境,发展欧拉喷雾模型和非稳态火焰面进度变量湍流燃烧模型的耦合模型,喷雾燃烧过程的数值计算结果与实验数据有高度的一致性。研究结果表明：相比于参考工况,低喷油压力工况火焰浮起长度更短,碳烟在当量比Φ>2区间驻留时间更长,推动了碳烟的生成,碳烟峰值质量增加了80%;高温环境工况碳烟在当量比Φ>2区间驻留时间没有明显差异,但更短的火焰浮起长度使得燃料在更高的当量比开始燃烧,导致其碳烟峰值质量增加了88%;富氧工况的燃烧温度最高,碳烟粒子运动速度增大,使得碳烟在当量比Φ>2区间驻留时间明显减少,同时火焰内部当量比较小,因而碳烟峰值质量减少了42%。     

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。     

重力场作用下三种不同燃料液滴在垂直电场中的燃烧特性

该文选取丙醇、癸烷、柴油为实验液滴燃料,通过利用高速摄像机对液滴燃烧时火焰和粒径的实时测量,以及激光诱导白炽光(LII)对碳烟体积分数的测量方法,研究了重力场作用下液滴在垂直电场中的燃烧特性。研究结果表明:三种燃料火焰高度均随极板间电压的增加而增加,火焰宽度随极板间电压的增加而减小;丙醇燃烧基本不生成碳烟,癸烷及柴油火焰中碳烟体积分数随极板间电压增加而减少;燃烧速率常数随极板间电压的增加而增加,其中丙醇、癸烷、柴油燃烧速率常数最大增加值分别为9%、20%、30%。分析研究表明:电场对火焰的拉伸有助于抑制碳烟的生成和促进碳烟的氧化,降低了火焰中的碳烟生成量,削弱了碳烟对外的辐射换热,从而促进了燃料的燃烧。     

乙炔火焰中添加H_2O/CO_2对碳烟颗粒尺寸分布的影响

基于颗粒群平衡理论,构建一维层流预混火焰中碳烟颗粒动力学演化过程的数学模型.该模型包含了颗粒的成核、凝并、表面生长和氧化等过程,采用Monte Carlo随机算法进行求解.结合详细的化学反应机理,搭建了求解碳烟颗粒尺寸分布的计算平台.分析了乙炔层流预混火焰中添加二氧化碳和水两种组分时对碳烟生成的影响,获得了0%、20%和40%3组不同添加比例下的碳烟尺寸分布.结果表明,在当量比为2.5且保持不变的情况下,添加二氧化碳和水能够有效降低碳烟的生成,其中添加40%水时对碳烟的抑制效果更加明显;同时,二氧化碳和水的添加使得大粒径碳烟颗粒数量降低.     

激光二极管准直光源光学机械系统设计与调试

在数字音频唱机(CD)的开发方面,激光二极管(LD)由于具有一系列独特的优点,在科学与工程应用领域获得越来越广泛的应用.值得指出的是,LD激光器其光学和电气特性方面存在一些特别的问题,LD输出光束是:a.发散的;b.椭圆的;C.存在固有像散.环境温度的变化不仅影响其使用寿命,还会影响到其波长漂移和量子效率的变化.因此在实用时,必须对LD光束进行高质量准直,同时还应考虑系统的光能利用效率问题.为此,在研制高性能LD准直光源时,必须解决好以下四个问题:a.设计好准直物镜使其与激光二极管特性相匹配;b.设计合适的机械机构使LD与准直物镜集于一体,同时能够方便地进行精密光学对准,而且要具有一定的机械强度,使其能够承受一定的振动与冲击;C.研制有效的质量测试系统,以确保获得高质量的准直光束;d.研制安全可靠的LD驱动电源,以确保使用安全,延长寿命.     

小口径光束准直性的实时检测

对普通平行平板剪切干涉在结构上进行了改进, 将傅立叶光学空间频率合成原理应用于横向剪切干涉对光束的准直性进行检测. 普通剪切干涉方法通常是根据干涉条纹密度判断光束, 本文通过条纹倾斜状况判断光束; 实验数据处理应用计算机对采集到的图像进行Radon变换, 提高了对条纹倾斜的判断精度, 从而提高了判别光束口径的范围和精度.     

高温下掺氢天然气层流预混火焰传播特性

利用本生灯-纹影系统及CHEMKIN-PRO对高温下掺氢天然气层流预混火焰传播速度进行实验及数值模拟研究,并从热力学及化学动力学效应方面讨论了初始温度对掺氢天然气层流预混火焰传播特性的影响.结果表明:GRI-3.0机理能较准确地预测293~500K条件下的掺氢天然气层流预混火焰传播速度;在相同初始温度下,混合物层流预混火焰传播速度在高掺氢比时增幅更显著;在相同当量比下,混合物层流预混火焰传播速度及绝热火焰温度随初始温度的升高呈近线性增加;高温下,H自由基浓度的增大进一步增强了H+O₂=O+OH对整体燃烧反应的促进作用,使混合物层流预混火焰传播速度显著加快.     

CO2/N2稀释对H2/CH4层流火焰传播特性的影响

利用本生灯-纹影系统实验研究含有CO₂，N₂的掺氢天然气层流预混火焰传播速度，并应用GRI-3.0机理模拟计算不同组分预混燃气绝热火焰温度、敏感性系数及重要自由基浓度等，详细讨论CO₂，N₂的稀释效应.研究表明，GRI-3.0机理能较好地预测掺氢天然气层流预混火焰传播速度；CO₂，N₂稀释组分会显著抑制掺氢天然气层流预混火焰速度及其绝热火焰温度；与N₂相比，CO₂不仅具有较强的热力学效应，且随着CO₂稀释比的增加，火焰中重要自由基H浓度显著减少，抑制氧化反应H+O₂O+OH对燃烧的主导促进效应，使预混燃料的层流火焰传播速度显著降低.     

火焰拉伸率对层流燃烧速度的影响

将层流火焰消耗速度的概念与反应进程变量(progress variable)的定义相结合,给出了积分层流燃烧速度的广义定义.在准一维稳态系统中,分析了积分层流燃烧速度与未燃气体位移速度和已燃气体位移速度之间的关系.对甲烷空气和丙烷空气拉伸层流预混火焰在常温常压下进行了数值计算,研究不同当量比时,火焰拉伸率对层流燃烧速度的影响.通过火焰前锋放热率的积分层流燃烧速度和燃料消耗率的积分层流燃烧速度进行比较,结果表明,低拉伸火焰的马克斯坦数(Markstein number)与渐进分析一致,也与球形火焰获得的实验数据吻合.     

Measurement of laminar burning velocities of iso-butanol-air mixtures

The laminar burning velocity of iso-butanol-air mixtures was measured under different initial pressures, initial temperatures and equivalence ratios using high-speed schlieren photography and outwardly propagation flame in a constant volume combustion bomb. Based on the analysis of stretched flame propagation speed and stretch rate, the laminar burning velocities and Markstein lengths of iso-butanol-air flames are obtained. In accordance, with photos of flame, an analysis of flame stability and the influencing factors is carried out. The results show that the laminar burning velocity is decreased with the increase of initial pressure and is increased with the increase of initial temperature. The maximum value of laminar burning velocity is presented at the equivalence ratio of 1.2. The Markstein length is decreased with the increase of equivalence ratio. For specified equivalence ratio, the Markstein length is decreased with the increase of initial temperature and initial pressure. Thus, the flame instability is increased with the increase of equivalence ratio, initial temperature and initial pressure.     

低热值气体燃料掺氢火焰稳定性的研究

基于直接数值模拟方法和详细化学反应机理研究了流体动力学不稳定性和热-质扩散不稳定性共同作用下的低热值气体燃料掺氢胞状火焰的发展和演变过程.建立了多组分气体燃料燃烧控制方程,获得了不稳定性作用下的低热值气体燃料掺氢胞状火焰的多种演变形式:胞的分裂、局部熄灭、二次熄灭和再燃.研究结果表明随着燃料中H2的增加,胞状火焰出现的时间提前,火焰胞的幅值增加.随着燃料中CO2的增加,火焰的不稳定性受到抑制.低热值气体燃料掺氢火焰在不稳定时会出现火焰胞的分裂、局部熄灭和再燃等3种动力学形态.胞的二次熄灭只发生在热-质扩散不稳定性较强的稀燃H2/空气火焰中.     

Experimental study on inhibition of low pressure premixed flat methane-oxygen flames by trifluoromethane

This paper presents measurements of combustion species of low pressure laminar premixed flat methane-oxygen flames inhibited by triflnoromethane （CF3H） using synchrotron radiation-molecular beam mass spectrometry （SR-MBMS）. Fire suppression chemistry of CF3H is investigated by selective detection of combustion radicals and intermediates. Results show that SR-MBMS offers a powerful tool for studying fire suppression chemistry of halon replacements, which may extensively detect combustion species in the inhibited flames, especially radicals and intermediates. The suppressant CF3H is completely consumed in the preheat zone of premixed flames and produces fluorinated radicals such as CF3 and CF2. CF3 is the main radical participating in flame inhibition cycles in the reactive zone.Unlike HBr, HF produced by CF3H is very stable and will not act as a radical scavenger because the bond energy of H-F is much higher than that of H-Br, which is responsible for less effectiveness than conventional bromine-based suppressants.     

由水中气泡界面识别的散射光判定入射光强

光源的选择对研究水中气泡界面的光强非常重要。研究水中气泡流体可视化PIV技术时,如果CCD探测器已经获得某散射光的强度,反推照明光源的强度,这为流体可视化技术提供选择光源强度和光源位置的理论依据。首先导出散射光线与入射点的夹角公式,明确任一散射光的位置;再由CCD探测器获得某次散射光的强度,利用菲尼尔公式并考虑光的吸收导出入射点光源的光强公式;最后通过实验获得实验结果与理论值相吻合。