基于超高重复频率激光的湍流射流火焰中碳烟、温度和流场速度的二维同步测量

Soot is responsible for notoriously detrimental effects on human health, air quality, and global and regional climate. Controlling soot emissions to the atmosphere will require overcoming large gaps in the understanding of soot formation and physical and chemical evolution during combustion. Soot is formed in a variety of engineering devices and natural phenomena including gas turbine and reciprocating engines, industrial furnaces, and fires. In all of these environments, the underlying flow field is turbulent. The result of turbulence is a both spatially and temporally intermittent soot fields. The understanding of soot formation in combustion processes and the optimization of practical combustion systems require in situ measurement techniques that can provide important characteristics, such as particle concentrations and sizes, under a variety of conditions. Laser-induced incandescence (LII) has become a workhorse for in situ measurements of mature-soot particles in combustion and ambient atmospheric environments. In this work, primary-particle sizes and soot volume fractions were determined by planar LII and theromgraphic particle image velocimetry (PIV) was used to measure the velocity and temperature of the mean flow. All the measured parameters were analyzed as a function of location in the combustion field in order to resolve the underlying physics for the soot discontinuity. This work will greatly simplify the setup and the influence of bulk-flow structures on soot formation can be demonstrated.

碳烟对人类健康、空气质量、全球和区域气候的影响是非常不利的。控制向大气的烟尘排放需要加深对于燃烧过程碳烟的形成机理以及物理和化学演变机制的理解。实际的燃烧器中均为湍流燃烧以提高燃烧效率，而湍流的不稳定性导致了碳烟分布的高度时空间歇特性。因此，理解燃烧过程中碳烟的形成和对实际燃烧系统进行优化，需要原位实时测量技术，可以在各种复杂燃烧条件下提供例如碳烟颗粒的浓度和尺寸等重要参数的信息。在本研究中将使用激光诱导炽光法（LII）测定湍流非预混火焰中碳烟颗粒，粒子成像测速（PIV）用于绘制二维流场的速度与温度分布，可同时获得二维的碳烟浓度、粒径分布和燃烧场的温度及流速等信息，并将所测参数通量作为燃烧场相对位置的函数进行分析，研究流场是如何对碳烟的产生造成间歇性的影响。

低污染燃烧室的研制是制约航空发动机发展的关键瓶颈之一。由于污染物的形成机理复杂且受不同工况的影响，很难对各种燃烧污染物进行计算与仿真，因此特别需要在大量实验的基础上进行低污染燃烧技术攻关。理解燃烧过程中碳烟的形成和对实际燃烧系统进行优化，需要原位实时测量技术，为燃烧效率的提升和污染物排放的降低提供理论支撑和技术指导。本项目中，设计、搭建了多维、多物理量同步测量实验平台一套，采用了100kHz超高重频脉冲群式激光系统，具有超高的时间（可达μs量级）和空间（可达μm量级）分辨率。基于超高重频激光诊断同步测量手段，本项目从理论和实验两方面研究了碳烟生成机理和燃烧不稳定性问题，掌握来流速度脉动、当量比等关键流场参数对碳烟生成的影响规律，总结燃烧不稳定发生的边界速度、温度和压力条件，深入分析火焰传播和碳烟生成机理。此外，由于实际发动机均使用液体燃料，本项目研究工作还拓展到液体燃料的燃烧不稳定性及喷雾策略优化。紧密结合发动机设计的实验需要，针对新型能源纳米流体燃料的研究，阐明了纳米流体新型燃料的喷雾和燃烧特性，并促进其在推进系统中的应用。同时，揭示了分段喷射策略和环境压力/温度对喷雾几何形状、流场和喷雾-涡旋相互作用的影响，这些结果对于理解喷射涡旋相互作用以及对分流喷射发动机进行建模的实用价值是必不可少的。在该项目支撑下所取得的研究进展，已为国际同行所认可，也为燃气轮机和航空发动机燃烧室相关问题的理解提供了参考。