1 南京理工大学能源与动力工程学院, 先进燃烧实验室, 江苏 南京 210094
2 西安近代化学研究所, 燃烧与爆炸技术重点实验室, 陕西 西安 710065
金属燃料的添加不仅能够提高推进剂的能量密度, 还能缓解冲压发动机高频燃烧的不稳定现象。 硼具有较高的质量热值和体积热值, 受到了广泛关注。 然而由于硼自身熔点高、 沸点高且表面存在氧化层, 导致点火困难, 燃烧性能差。 铝和铁的存在会使得氧化过程表面反应的放热增加, 提高温度, 促进硼的点火和燃烧。 同时由于铝和铁具有较高的燃烧热和较快的能量释放速率, 理论燃烧热利用率高, 可引入铝和铁来提高硼的燃烧效率和实际燃烧热值。 针对硼点火困难和燃烧性能差的问题, 将硼分别和铝、 铁掺混得到兼具较好点火性能和较高能量密度的复合金属燃料。 采用弥散燃烧系统研究了纳米硼基复合金属颗粒云的弥散燃烧特性, 利用高速相机获得硼及硼基复合金属颗粒云的燃烧过程, 并利用双色法测量了其温度分布变化, 应用光纤光谱仪、 扫描透射电镜、 X射线衍射和元素分析对硼基复合金属颗粒的燃烧特性及机理进行分析。 结果表明, 铝和铁的加入缩短了硼的点火延迟时间和燃烧时间, 并且使得同一时间内被点燃的硼颗粒数量增加, 硼的燃烧过程更加剧烈。 铝的加入提高了复合燃料的燃烧温度； 铁的加入降低了复合燃料的燃烧温度。 硼基复合金属颗粒弥散燃烧测温过程中观察到明显的绿光, 结合光谱图, 分析该绿光来自于硼燃烧生成的中间产物BO2。 硼基复合金属颗粒弥散燃烧后团聚物主要为氧化产物, 其中也含有少量的氮元素。 硼基复合金属颗粒弥散燃烧后产物团聚现象更为明显, 且不规则块状硼的破裂更加严重。 硼基复合金属颗粒进入管式炉后, 受到热辐射后在短时间内快速升温, 铝和铁颗粒率先达到着火温度开始燃烧, 燃烧释放的热量积聚在颗粒内部, 被硼颗粒吸收, 硼表面氧化层破裂, 内部硼与空气接触, 继而温度上升至硼的着火点, 硼开始燃烧, 从而促进了硼的燃烧。
纳米颗粒 硼基复合金属 弥散燃烧 燃烧诊断 Nanoparticles Boroncomposite metal Dispersion combustion Combustion diagnostics 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3252
1 上海理工大学能源与动力工程学院/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
火焰燃烧参数能直接反映火焰燃烧状态, 并对燃烧过程进行诊断、 预测和优化。 火焰温度及辐射率是燃烧状态的重要表征参数, 火焰温度及辐射率的准确测量对于建立燃烧模型、 优化燃烧过程和控制污染物排放有着非常重要的意义。 随着数字图像技术与光谱学的发展, 多光谱成像技术逐步应用于火焰燃烧温度及辐射率测量。 针对光谱仪空间分辨率低和RGB彩色相机光谱分辨率低的问题, 多光谱成像技术能获得兼顾空间分辨率及光谱分辨率的火焰光谱图像, 实现火焰温度及辐射率分布测量, 具有高时空分辨率、 响应快速及测温范围宽等优点。 因此, 提出了基于多光谱成像技术的火焰温度及辐射率测量方法, 搭建标准高温黑体辐射实验测量系统, 对多光谱相机665～960 nm波段开展高温黑体辐射响应系数标定实验, 获得多光谱相机25波段光谱响应标定系数, 通过四阶多项式拟合建立多光谱相机各波段下仪器响应值与理论辐射强度之间的关系, 并开展多光谱成像技术测量验证实验, 结果显示温度与辐射率测量的相对偏差分别小于1%与4%。 在此基础上, 以蜡烛火焰为研究对象, 建立了火焰多光谱成像测量系统, 获得了蜡烛火焰多光谱辐射图像, 基于普朗克辐射定律参数拟合方法, 实现了蜡烛火焰温度与辐射率分布测量。 测量结果表明： 火焰竖直平面上火焰中心区温度及辐射率均高于火焰上部和底部; 蜡烛火焰温度测量结果范围约为1 350～2 050 K, 火焰中心区最高温度约为2 050 K; 蜡烛火焰辐射率测量结果范围约为0.04～0.36, 火焰中心区最高辐射率为0.36。 测量结果与蜡烛火焰燃烧过程及辐射特性分布规律一致。
多光谱成像 燃烧诊断 辐射测温法 蜡烛火焰 火焰辐射率分布 Multispectral imaging Combustion diagnostics Radiation temperature measurement Candle flame Flame emissivity distribution 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3644
固体火箭发动机羽流具有高温、 高速与强辐射特征, 羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。 准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。 随着激光与光谱学的发展, 激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。 辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量, 具有测温范围宽、 响应快及可靠性高等优点, 可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。 在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法, 采用350~1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统, 利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定, 获得响应系数随波长的变化曲线, 并以此用作羽流辐射光谱数据修正。 之后将该测量系统应用于标准?118固体火箭发动机地面试验, 开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量, 选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征, 并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论, 验证在675~745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体, 该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%, 相对均方差为1.53%。 因此, 基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数, 并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。 最后, 开展12%, 15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量, 将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较, 两者最大偏差值为5.40%, 讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征, 并结合温度与辐射率测量结果, 分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、 羽流温度及辐射率的影响。 通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究, 为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。 分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、 温度及辐射率参数的影响, 为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。
辐射光谱 燃烧诊断 测温方法 固体火箭发动机 羽流温度 Radiation spectrum Combustion diagnostics Thermometry Solid rocket motor Plume temperature
国防科技大学空天科学学院高超声速冲压发动机技术重点实验室, 湖南 长沙 410073
激光诱导荧光(LIF)技术具有非扰动、实时原位测量、组分选择性强、灵敏度好、时空分辨率高等优点,可用于燃烧诊断中测量火焰的重要特征参数。介绍了LIF技术的原理及其在燃烧诊断中的应用,重点阐述了LIF技术在成像火焰瞬时结构、定量测量组分浓度、混合场温度、火焰温度和流场速度方面的研究进展,讨论了LIF技术在测量燃烧流场参数时的技术特点和挑战,展望了高速平面LIF、体LIF和多场同步测量方面的发展趋势。
光谱学 激光诱导荧光 燃烧诊断 发动机 火焰结构 温度 流速
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
采用激光诱导炽光和激光诱导荧光技术研究了燃料种类对碳烟演变过程的影响。以CH4、C2H4、C3H8的扩散火焰为研究对象,测量了碳烟的体积分数、粒径、颗粒数浓度以及多环芳烃相对浓度的二维分布。结果表明: CH4、C2H4、C3H8火焰的碳转化因子分别为0.0058、0.144、0.043;碳烟颗粒的平均粒径为9.2,20.8,14.7 nm,对应的颗粒数浓度分别为6.9×10
21,8.7×10
21,7.8×10
21 m
-3;对于含有较多碳原子或不饱和键的燃料,碳烟和环芳烃的生成演变过程更为迅速;比表面增长速率和生长时间的综合变化导致C2H4火焰中碳烟颗粒的粒径最大,C3H8次之,CH4最小。
光谱学 燃烧诊断 激光诱导炽光 碳烟 激光诱导荧光 多环芳烃 增长速率
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024
分析了工业发动机湍流燃烧场诊断的需求和面临的挑战，介绍了燃烧流场组分浓度、温度和速度等主要参数的激光测量技术，给出了其基本原理、在燃烧场诊断中的应用和国内外研究现状，分析了不同技术的特点及其适用性。简介了多参数综合诊断的作用和进展。对目前诊断和测量存在的主要问题和发展趋势进行了探讨。
燃烧诊断 激光 组分浓度 温度 速度 combustion diagnostics laser component concentration temperature velocity
1 上海理工大学颗粒与两相流测量研究所, 上海 200093
2 西北工业大学燃烧、 热结构与内流场重点实验室, 陕西 西安 710072
3 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
针对固体火箭发动机恶劣环境下的高温燃烧测量问题, 提出了利用辐射光谱法来开展固体火箭推进剂燃烧温度在线测量的方法, 采用200～1 100 nm光纤光谱仪测量了高压实验燃烧器下固体火箭推进剂燃烧火焰辐射光谱, 总结了其光谱特性, 并基于普朗克定律和光谱拟合方法获得了相应的推进剂燃烧温度, 这对固体火箭推进剂燃烧诊断与燃烧机理研究具有重要的参考价值。
燃烧诊断 固体火箭推进剂 辐射光谱 测温法 Combustion diagnostics Solid rocket propellant Radiation spectroscopy Thermometry 光谱学与光谱分析
2018, 38(6): 1958
1 上海理工大学颗粒与两相流测量研究所/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
3 西北工业大学燃烧、 热结构与内流场重点实验室, 陕西 西安 710072
针对光谱响应系数对辐射光谱测温法的影响问题, 利用200～1 100和900～1 700 nm两种波段光纤光谱仪测量了不同温度下黑体炉辐射光谱, 分析了不同波段高温黑体辐射光谱特征, 确定了不同波段光谱分析适宜采用的有效响应波段, 获得了不同温度下该波段光谱响应系数变化情况, 详细分析了温度对光谱响应系数的影响, 总结了辐射光谱法温度拟合时的波长范围以及响应系数选择原则, 并分析了波长范围以及响应系数选择对测温的影响, 这为提高辐射光谱测温法的测量精度具有重要价值。
辐射光谱 燃烧诊断 温度测量 影响因素 光谱响应系数 Radiation Spectroscopy Combustion diagnostics Temperature measurement Influence factors Spectral response coefficient
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
Four tomography algorithms, including the algebraic reconstruction technique, simultaneous iterative reconstruction technique, the multiplicative algebraic reconstruction technique, and the adaptive algebraic reconstruction technique (AART), are compared with each other based on the tunable diode laser absorption spectroscopy technique; the determination of the relaxation parameter is discussed to improve reconstruction quality and shorten computational time as much as possible. The calculated results demonstrate that the AART algorithm can produce the reconstruction results with better quality and less computational time. In the experimental measurement, the AART algorithm with a two-line thermometry scheme is adopted to measure the spatial distribution of H2O temperature and concentration, two H2O absorption lines near 1397.8 nm are selected, the temperature and H2O concentration in the McKenna plat premixed flames are experimentally reconstructed and analyzed, and the results of integrated tomography reconstruction are consistent with the thermocouple traverse measurement.
120.1740 Combustion diagnostics 110.0110 Imaging systems 300.1030 Absorption Chinese Optics Letters
2016, 14(11): 111201
Author Affiliations
Abstract
National Key Laboratory of Transient Physics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
We develop a self-adaptive algebraic tomography algorithm (SAATA) to investigate the simultaneous reconstruction of concentration and temperature distributions in larger temperature range from two views. The simplified optical arrangement with fewer projections is realized by extension of spectral information at multiple wavelengths, resulting in great potential in applications of practical combustion diagnosis. The results show SAATA can perform much better reconstructions in 300–3000 K temperature range than genetic simulated annealing algorithm and least-square orthogonal-triangular decomposition method with two-wavelength scheme. More phantoms are created to demonstrate the capability of SAATA to capture the peaks and adapt for both flat and sharp temperature distributions. Meanwhile, the advantage of high stability ensures better reconstruction performance at noise levels from 0.1% to 10% in projections.
110.2960 Image analysis 120.1740 Combustion diagnostics 280.3420 Laser sensors 300.6260 Spectroscopy, diode lasers Chinese Optics Letters
2014, 12(12): 121103
