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 中国科学技术大学 先进技术研究院, 安徽 合肥 230022
2 中国科学技术大学 工程科学学院, 安徽 合肥 230022
化学发光（chemiluminescence）与层析成像（CT）结合能够测量燃烧流场的三维信息。为了研究层析成像的重建效果, 实现了两种经典的迭代类算法: 代数迭代法（ART）和最大似然期望最大化法（MLEM）, 比较了两种算法在不同布置方式、不同流场以及不同噪声水平下的重建性能。仿真结果表明, 在投影数目较少的情况下, 非共面布置方式可以有效提升重建精度; 当投影数目达到9个时, ART算法和MLEM算法的均方根误差均小于2%, MLEM略优; 同时MLEM算法的抗噪声能力更强, 更适合在复杂环境下重建, 但ART算法的时间成本占优, 9个投影时ART算法比MLEM算法快约56.57%。实验结果表明, 两种算法均能得到良好的重建效果, MLEM算法的计算精度略高于ART算法。在待测流场划分的体素更多的情况下, MLEM耗费的时间成本约为ART算法的8.37倍。
光学测量 层析成像 代数迭代法 最大似然期望最大化法 燃烧诊断 optical measurement tomography algebraic reconstruction technique maximum likelihood expectation maximization combustion diagnosis
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
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电工程中心，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
4 中国科学技术大学物理学院，安徽 合肥 230026
5 中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室，北京 100190
6 中国科学院大学工程学院，北京 100049
7 中国科学院上海光学精密机械研究所红外光学材料研究中心，上海 201800
针对燃烧诊断在2~3 μm波长的光谱测量需求，设计并搭建了基于反谐振空芯光纤的可调谐半导体吸收光谱（TDLAS）测量装置，开展了高温水汽在2.5 μm波长吸收光谱的定标与测量研究。在2~5 μm中红外波段，反谐振空芯光纤可实现低损、单模长距离传输，能够有效解决商用氟化物光纤多模干涉造成的TDLAS测量精度下降的问题。经所提TDLAS系统准直后光束的直径低至2.5 mm，发散角为0.004 rad，系统信噪比为31 dB，相比基于氟化物光纤的TDLAS系统，所提系统的性能得到了极大提升。进一步分析了反谐振空芯光纤中痕量水蒸气对于4029.52 cm-1谱线测量的影响，并通过抽真空的方式降低其影响，从而提高了系统的测量精度。
光纤 反谐振空芯光纤 激光吸收光谱 多模干涉 单模 燃烧诊断 光学学报
2023, 43(13): 1306005
1 天津工业大学控制科学与工程学院天津市电气装备智能控制重点实验室，天津 300387
2 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
3 国家管网集团东部原油储运有限公司，江苏 徐州 221008
激光吸收光谱（LAS）技术因其高灵敏度、高精度以及非接触测量等优势，被广泛应用于气体流场检测。在燃烧诊断、泄漏检测和定位等应用场景中，对空间分布测量提出了需求。基于LAS技术发展而来的激光吸收层析成像（LAT）技术和激光吸收成像（LAI）技术不仅能够实现流场的2D/3D成像，而且在实现高的时间分辨率的同时对实际工程中的复杂环境有很好的适应性，未来仍是相关领域研究的重点。本文简要概述了LAS技术的基本原理以及LAT技术和LAI技术的成像方法；重点介绍了近十年LAT技术和LAI技术的国内外研究和应用现状，包括线性和非线性LAT测量技术、LAI技术的2D/3D成像技术；最后对基于LAS的2D/3D成像技术的未来发展趋势进行了展望。
仪器，测量与计量 激光吸收光谱 层析成像 激光吸收成像 燃烧诊断 2D/3D测量 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1900005
红外与激光工程
2021, 50(3): 20210033
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
1 中国科学技术大学工程科学学院, 安徽 合肥 230027
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230027
3 中国科学技术大学工程与材料科学实验中心, 安徽 合肥 230027
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是进行燃烧流场关键参数测量的有效有段。采用近红外水蒸汽的两条吸收线(7168.44 cm -1与7185.60 cm -1),分别利用直接吸收法与波长调制法对不同噪声干扰下的高斯峰流场进行了温度重建的数值仿真。将波长调制法和直接吸收法的二维重建结果进行对比,结果显示基于波长调制法的二维重建有更强的抗噪声能力。以McKenna平面燃烧炉产生的甲烷-空气预混火焰为测量对象,进行了二维温度重建。实验结果显示基于直接吸收法和波长调制法的二维重建的最大偏差分别为8.5%和5.9%,均方相对误差分别为0.0469和0.0268。弱吸收下基于波长调制法的二维重建技术显示了更好的重建效果。
激光技术 光谱学 波长调制 二维重建 燃烧诊断
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
青岛科技大学机电工程学院, 山东 青岛 266061
燃烧诊断与流场显示领域的研究热点已延伸至研发同时满足非侵入式、多参量同步测量、定量计算、多维可视化等技术要求的显示、测量新方法。研究复杂燃烧三维温度场和速度场的同时激光测量,表征燃烧化学反应和流场输运的重要特性。提出一种光偏折层析测温方法与粒子图像测速方法相结合的燃烧多参量场激光测量方法。设计温度场和速度场激光测量的实验系统,获取4方向莫尔偏折条纹和4幅火焰粒子图像。同时重建与可视化旋流燃烧温度分布和速度云图、流线、涡量等流场,并分析不同工况下的旋流火焰特性。对直接测量数据与重建结果进行对比,验证了所提方法的有效性。
测量 燃烧诊断 光偏折层析 粒子图像测速 旋流火焰
