受限空间内高强度小尺度湍流与燃烧相互作用机理的多场多组分高时空分辨激光光谱可视化研究

Following the guidance of the Major Research Plan especially the 2nd core scientific issue, i.e. Interaction between complex turbulence and combustion in a confined space, the research plan of this proposal focus on the understanding of the governing mechanism of complexed highly turbulent combustion in confined space regarding the detailed flame front structure severely stirred by small scale eddies. Novel laser combustion diagnostic techniques will be developed and combining with the well-developed techniques a comprehensive setup will be established aiming at providing visualization of complexed turbulent flame structures relevant to internal combustion engine applications using simultaneous two-dimensional imaging of multi-species. Detailed fine structures of the turbulent combustions in confined space will be revealed using high resolution laser-induced fluorescence and laser Rayleigh scattering. These high quality data will be extensively analyzed to provide crucial parameters and quantitative descriptions of the under investigated turbulent combustion conditions, and consequently form an integrated database serving the establishment of comprehensive models and CFD validation. Different fuels, turbulent intensities, and physical parameters of the confinements will be investigated to reveal the complexed interaction mechanism. This work will form reliable experimental fundamentals for turbulent engine combustion models and numerical simulations. The proposal will also promote the effective application of comprehensive state-of-the-art laser combustion diagnostic techniques to engine combustion research so as to improve the interpretation methodology and improve the interdisciplinary research in engine combustion and eventually serving the substantial improvement of the fundamental engine combustion research level in our country.

本项目针对重大研究计划指南中的第二个核心科学问题“受限空间内复杂湍流和燃烧相互作用”，拟在受限空间预混高速射流火焰中开展高强度小尺度湍流与燃烧相互作用机理的研究。通过开发新的燃烧诊断技术并结合已有实验手段，建立面向发动机湍流燃烧的多场多组分激光光谱可视化实验平台。通过高时空分辨激光诱导荧光和激光瑞利散射等技术，获得受限空间湍流燃烧的精细结构，并在此基础上计算相应的定量化湍流燃烧参数，建立受限空间湍流燃烧实验数据库。揭示不同燃料、不同湍流强度以及受限空间多物理参数对于湍流燃烧的影响规律，阐明受限空间内湍流和燃烧相互作用机制。为发动机湍流燃烧模型的开发奠定实验基础，为数值模拟提供实验验证。该项目对于推动激光光谱技术在发动机燃烧中的应用，丰富发动机燃烧表征手段，促进多学科交叉，提高发动机基础燃烧研究水平具有重要的意义。

激光诱导荧光（LIF）是研究湍流燃烧结构可视化的重要手段。在本项目的支持下，针对燃烧场中的不同组分开发了CH3瞬态测量技术，原子氢无干扰测量技术以及CO飞秒双光子激光诱导荧光测量技术。.CH3是碳氢燃料燃烧过程中最重要的中间产物之一。由于CH3的电子能级激发态不具备束缚性势井结构，对其进行电子态激发会造成光解，因此无法采用传统的LIF测量。为此，我们开发了激光光解-诱导荧光技术，通过高效的激发策略，在国际上首次实现具有高空间分辨的CH3可视化测量。.原子氢同样是燃烧过程中的重要中间产物。原子氢的电子能级间隔较大，需要采用多光子LIF进行测量。传统的双光子原子氢激发方法需采用深紫外高功率密度纳秒激光，原子氢的探测受到光解的严重干扰。因此，我们提出了飞秒双色三光子激发策略，彻底消除了其中一个主要光解通道。针对另一光解通道，我们提出了一种简单的光解干扰评估和排除方法，从而实现了火焰中原子氢的无干扰可视化测量。.CO是重要的燃烧中间产物之一。传统采用纳秒及皮秒双光子激光诱导荧光可实现CO可视化测量，但信噪比较低。针对此问题，我们采用飞秒双光子激光诱导荧光（fs-TPLIF）方法，并实现了高灵敏的CO单脉冲可视化测量。我们建立了fs-TPLIF理论，并分析了fs-TPLIF的技术优势。同时，我们发现由于飞秒激光宽光谱特征，fs-TPLIF可同时激发CO分子的整个振动带B1∑+→A1∏，该振动带可以实现热布局，且光谱对温度十分敏感，有望用于燃烧场温度测量。.此外，我们还拓展性的开发了OH-PLIF和CH2O-PLIF双组分同步测量技术，以及联合可调谐二极管激光吸收光谱和LIF实现组分一维定量测量技术。.以上原创性燃烧诊断技术的开发，为燃烧研究特别是湍流燃烧的研究，提供了新的手段，扩展了实验可测量的范围，可以为CFD提供更多的验证数据，并为我国自主研发汽车和航空发动机提供了新的诊断工具。