瞬态湍流燃烧多场耦合分子光谱诊断方法

The instable combustion inside the engine is the result of the coupling effect between turbulence in a limited space and chemical reactions, the complexity of which brings tremendous difficulty to multi-field, multi-parameter, and high-resolution on-line measurement under conditions approximate to reality. This project employs interdisciplinary cooperation to combine fluorescence spectroscopy imaging technique characterized by high photon efficiency and Raman spectroscopic technique featuring the ability of registering molecular fingerprints, building a series of coupled molecular spectroscopic diagnostic method of studying turbulent combustion multi-field under near-reality conditions. In this project, quantitative parameters, temperature, concentration, pressure, and flow rate etc., are to be acquired by spot measurement of the molecular spectroscopic features of the species in the combustion system and pertinent analysis; the influence of turbulence on combustion and the prohibition/inducement mechanism of combustion will be discussed by acquiring relatively exquisite multi-field distribution data collected by spot and surface combined approach; the physical chemical mechanism of the combustion field and the essential rules of the turbulent combustion will be revealed, and a new on-line measurement method for turbulent combustion will be developed. This project also will provide effective parameters for the development of theoretical models of turbulent combustion field, and both theoretical and practical basis for the optimization and design of engines. In the meantime, the project will be instrumental to the understanding of the multi-parameter coupling mechanism of the turbulent combustion and the modulation of combustion field under extreme conditions.

发动机内部的不稳定燃烧是受限空间内湍流与化学反应相互耦合的结果；其复杂性使得在接近真实条件下多场、多参数、高分辨率的在线测量具有相当大的难度。本项目以多学科的交叉合作的方式，将具有高光量子效率的荧光光谱成像技术与具有突出分子指纹特征的拉曼光谱学技术结合，建立一系列接近真实条件下的湍流燃烧多场耦合分子光谱诊断方法。通过对燃烧体系中各物种的分子光谱学特性的点测量及相关分析获得温度、浓度、压力、流速等参数；通过瞬态光谱影像学方法动态获得湍流燃烧场的形态图像；以点/面结合的方式全面获取相对精细的多场分布数据，用于探讨湍流对燃烧的影响及燃烧对湍流抑制/诱导机制；揭示燃烧反应的物理化学机制和湍流燃烧的本质规律，发展湍流燃烧在线测量新手段。为发展湍流燃烧理论模型提供实际有效的参数，为发动机的优化设计提供理论和实践依据；对认识湍流燃烧的多参数耦合效应机制，建立极端条件下燃烧的调控方法有非常重要的意义。

本项目构建了用于湍流燃烧的瞬态光学和光谱探测和成像方法在发动机缸内测量诊断的新手段；项目按计划完成：1.在单缸发动机的多个方向安装了光学窗口；包括用于光引入气缸-燃烧室的石英窗片、用于进行信号和图像采集的气缸延长-燃烧室光学窗口；在发动机下部设计安装了反射光路系统，与光学成像和光谱采集部分匹配。2.搭建了光学-光谱探测实验平台；主要包括：平面激光诱导荧光(PLIF)探测、激光诱导白炽光（LII）、激光拉曼光谱探测系统。完成了外部光学激发检测系统的搭建。3.整合了维持发动机运行外围辅助系统、拖动-测功系统、工况控制及状态测试系统；使各部分适合于与光学-光谱探测实验平台整体匹配；实现了光源与检测器及发动机的时序同步。可获得时空分辨率高、具有可视性的直观燃烧场分布图像。4.对标准燃烧炉及发动机缸内燃烧进行了测试实验。在不同发动机工况情况下，进行 FT，D05，D10 三种试验燃料的缸内燃烧图像拍摄。呈现了不同曲轴转角下的空间火焰发展形态，观测到最初的火焰核心及湍流火焰的扩展过程。5.采用PLIF、LII对发动机缸内燃烧图像拍摄。用示踪剂对排气管内的废气进行示踪、PLIF光学测量方法研究排气回流的缸内分布规律。探讨在滚流气道发动机上采用排气门进气行程二次开启实现EGR分层的策略。通过对采集的数据进行分析，探讨和分析了发动机在不同工况下进气对湍流燃烧状态的影响。.本项目构建的光学-光谱发动机燃烧诊断系统，适合于用于探讨湍流对燃烧过程的影响及燃烧对湍流抑制/诱导机制；采用瞬态光谱和影像方法结合，动态获得湍流燃烧场的形态；通过对湍流燃烧体系中各物种的分子光谱学特性的相关分析获得温度、浓度、压力等参数；以获取相对精细的多场分布数据，揭示燃烧反应的物理化学机制和湍流燃烧本质规律，可为发展湍流燃烧理论模型和实验及模拟方法提供实际有效的参数。对认识多参数耦合对湍流燃烧影响机制，建立极端条件下燃烧的调控方法有非常重要的意义。.