预混火焰传递函数的测量与分析

火焰传递函数是理解和控制振荡燃烧的理论基础.本文通过自发化学荧光法测量放热率,双传声器技术获得燃烧器出口的压力和速度脉动,研究了不同雷诺数、当量比和扰动频率下的预混火焰传递函数.结果显示,随着脉动幅值的增加,火焰传递函数将出现由线性到非线性的变化过程.当量比、雷诺数和扰动频率的改变,都会影响火焰传递函数的幅值和相位特性...     

声激励下低旋流火焰动态响应特性研究

针对声激励下甲烷/空气预混低旋流火焰动态响应特性开展实验研究.声激励频率为55～295 Hz,相对幅值为0.1～0.3.采用光电倍增管记录火焰自发OH*荧光信号,采用双麦克风法测量入口气流速度脉动,采用高速相机捕获火焰结构动态响应过程.实验结果表明,小幅值激励下火焰时均结构变化不明显,大幅值低频激励下火焰长度明显增加,...     

微型摆式发动机内丙烷/空气单次燃烧实验研究

在厘米尺度百瓦级微型摆动式发动机样机上进行了单次燃烧实验,燃用当量比φ=0.9~1.2的丙烷/空气预混合气时,对燃烧室内的火焰传播形态、气体动态压力和摆臂运动进行测量,获得了平均火焰传播速度、燃烧持续时间、燃料质量燃尽率、压力和摆臂止点角度随当量比变化的规律特性。结果表明:在进气初始温度300 K、压力0.13 MPa条件下,φ=1.0~1.2工况时,微摆发动机内燃烧为湍流燃烧,燃烧持续时间在5 ms以内,压力峰值高于8个大气压;随当量比增加,燃烧持续时间缩短、平均火焰传播速度加快和压力峰值升高,更接近定容燃烧,有利于提高输出功率。     

振动对电视成像系统传递函数的影响研究

为了研究系统平台振动对电视成像系统传递函数的影响,通过将不同振动条件下系统的传递函数进行对比分析,利用能量积分法,建立系统平台在不同振动条件下系统传递函数仿真模型。利用快速反射镜系统和I SITE测量平台组合,对振动条件下系统传递函数进行测量和验证。仿真和实验数据结果表明:对于在研电视成像系统,当振动频率低于曝光频率时,随着系统平台振动频率的增加,系统传递函数的下降速度由静止时的0.167逐渐增加到0.237;当振动频率高于曝光频率时,随着系统平台振动频率的增加,系统的传递函数的下降速度波动性增加,并逐渐趋于在静止时的1.42倍附近。     

多孔介质中甲烷预混气火焰传播特性实验研究

本文对甲烷预混气在多孔介质中的火焰传播特性进行了实验研究,在开口竖直管中充填多孔介质,通过改变预混气氧含量使火焰在不同多孔介质中传播并测量火焰传播速度。预混气中氧含量最高达到29％。实验结果表明:多孔介质中甲烷可燃预混气火焰传播速度大于其层流火焰传播速度,可达到5倍以上(当量比的甲烷-空气预混气);多孔介质当量孔直径越大,或预混气层流火焰速度越高,则预混气火焰传播速度越高;多孔介质中可燃混气的火焰传播界限变小,当量孔直径大的多孔介质其界限值较大。实验结果与Babkin提出的多孔介质中的火焰传播机理相符。     

障碍物扰动对预混气点火的影响

在一根半开口管道中,以乙炔为燃料,改变当量比和进气速度,实验研究了障碍物扰动对预混气点火的影响。实验表明,在小当量比情况下,在没有障碍物的光管中,随着进气速度的增加,点火所需要的当量比逐渐减小,回火区域逐渐增大。而添加障碍物后,回火区域的位置和点火所需要的当量比相对来说比较稳定,基本不随进气速度的增加而大幅度变化。并且由于障碍物引起的扰动使得点火所需要的当量比要比无障碍物时大得多。     

高氧气浓度甲烷不稳定燃烧实验研究

采用无回火的急速混合管状燃烧技术,以二氧化碳和氧气的混合气体为氧化剂,基于CH~*自发光高速摄影图像及同步声压曲线,分析氧气浓度β=0.67的甲烷富氧燃烧特性。研究发现当量比0.6~1.0之间的火焰结构呈周期性变化,其频率与燃烧室内声压振荡频率一致,均为高频振荡。分析结果表明,燃烧器内的富氧燃烧振荡模式属于轴向声学共振。混合气体当量比由0.6增至1.0,热释率提高,热释率脉动与声压耦合增强,低频声压幅值减小,高频声压幅值增大,低频振动能量向高频振动能量转变,频谱特性由具有两个特征频率的周期性振荡转变为只有一个高频的周期振荡燃烧。     

定容燃烧弹内压力振荡机理研究

本文基于一种具有较好发展前景的醚类汽油添加剂异丙醚(DIPE),在定容燃烧弹内研究了该燃料在不同初始压力下随当量比变化的压力振荡特性。实验结果表明,压力振荡强度随当量比增加呈先增大后减小的趋势,且在当量比1.4附近达到最大值;随初始压力增大,压力振荡的强度也增强。本文通过利用He和CO₂以不同掺混比替代N₂作为稀释气体,验证了定容燃烧弹内的压力振荡主要由压力波与火焰相互影响引起,火焰自加速和混合气能量密度对压力振荡有至关重要的作用。     

不同宽度和角度下木材表面火蔓延特性的实验研究

选取宽2～11 cm、厚3 mm的樟木、杉木和白木试样进行了一系列实验,测量了火蔓延速度、火焰高度、火焰温度和试样表面温度。结果表明,火焰高度随试样宽度增加而增大,并在宽度增加至某个值后不再增大;同宽度下,密度大的试样火焰高度大。放置角度为负时,不同密度试样的火蔓延速度差较小,角度为正时,火蔓延速度随角度增加而增大,且不同密度试样的火蔓延速度差变大.     

较高当量比氢气空气预混合气的燃烧特性研究

利用纹影法,在定容燃烧弹中研究了较高当量比和不同初始压力下氢气空气预混合气的燃烧特性,分析了两参数对其燃烧特性的影响。试验结果表明,本实验条件下的氢气空气预混合物燃烧过程中,主火焰两侧出现挤流火焰,且挤流火焰的传播明显快于主火焰;根据出现挤流火焰与否、两侧挤流火焰相遇与否、实验时的热力参数、燃料浓度等条件,燃烧过程可分为四个阶段;在本文的实验条件下随着当量比增加,挤流火焰燃烧速度加快,其倾向于自燃时的多点燃烧;随着初始压力降低,挤流火焰逐渐出现在主火焰层流燃烧阶段。     

基于线性摩擦模型的水力机械测压管路特性

针对水力机组压力及压力脉动监测过程中传感器示值不能真实反映流道内真实情况的问题,模拟电路理论对测压管路进行建模,获得了测压管路末端与实际测点始端位置处的传递函数。在此基础上,采用线性摩擦模型对参数进行计算,研究了不同管路长度、不同管路半径情况下的测压管路的频率幅值响应特性,研究结果表明:目前水力机械长测压管路对实际测点的压力具有明显的放大效应;随着管长的增大,特征频率的阶数明显增多;一阶临界频率与管长成反比例关系;测压管路内径不影响频率幅值响应关系。研究结果为测压管路的设计提供了指导,解释了目前调保计算验证时测量值误差大的原因。     

气化炉内柴油火焰光谱辐射特性及CH*二维辐射特性研究

火焰的自发辐射光谱与火焰的结构、温度分布等燃烧特征参数密切相关。对激发态自由基辐射的辐射强度与二维分布进行研究,可清晰地反映火焰燃烧状态而不对火焰产生扰动。基于多喷嘴对置式气流床气化实验平台,利用光纤光谱仪和配置CCD相机的高温内窥镜,对柴油扩散火焰的辐射光谱及CH*辐射二维分布特性进行研究。考察了当量比和撞击作用对火焰辐射光谱和CH*辐射分布的影响。结果表明,柴油火焰在306.47及309.12 nm处存在OH*辐射特征峰,在431.42 nm处存在CH*辐射特征峰,且存在明显的碱金属原子Na*(589.45 nm),K*(766.91和770.06 nm)发射光谱。此外,由于柴油不完全燃烧生成大量碳黑,在辐射光谱的可见光波段产生了强烈的连续黑体辐射。火焰中的黑体辐射对CH*辐射特征峰的检测存在干扰,且当量比越低时背景辐射越强,对自由基特征峰检测干扰越大。基于普朗克定律利用插值法可扣除430 nm附近波段背景辐射。柴油火焰中CH*辐射峰值随当量比的增加单调减小,CH*辐射等值线沿火焰发展方向依次出现三峰状、双峰状及单峰状,最终收缩为以反应核心区为中心的圆核。随着当量比的提高,出现各个形状的CH*辐射强度阈值不断降低,火焰主反应区面积减小且向下游移动,当量比增加到1.0附近时,理论上柴油完全燃烧,CH*辐射强度显著降低,贫燃火焰的CH*辐射强度及分布区域几乎稳定不变。利用CH*辐射强度值判定火焰举升长度,对于单喷嘴射流火焰,火焰举升长度随当量比的增加经历了显著增加后小幅下降的过程。相同当量比时两喷嘴撞击火焰CH*辐射强度峰值始终高于单喷嘴射流火焰对应值;火焰举升长度随当量比的增加小幅增加。火焰撞击的约束作用使得火焰举升长度不易随着当量比变化发生较大波动,燃烧更加稳定。这为定量判断火焰燃烧状态提供了一种直观、有效的方法,同时为柴油燃烧的化学动力学研究提供了实验依据。     

非均匀来流中斜爆轰波对扰动的动态响应特性

在斜爆轰推进系统中,经过进气道压缩的气流速度仍然很大,导致斜爆轰波前的气流难以达到均匀预混,进而对斜爆轰波系产生影响。以高空飞行条件下非均匀来流中的斜爆轰波系为对象,采用Euler方程结合氢气-空气基元反应模型,通过波角变化和波面位置偏移研究了斜爆轰的受扰动特性。采用当量比作为非均匀的表征变量,在斜爆轰波面上游引入了一个高度可变的扰动区,定义φ_A为扰动幅值,扰动区的当量比分布通过正弦函数进行模化。研究发现,随着φ_A的减小,波角减小,波面向下游移动;随着φ_A的增大,波角增加,波面向上游移动。当φ_A为负值且足够小时,可以观察到波角突变的新现象,分析表明此现象源于来流当量比非均匀作用下的重新起爆。当φ_A为正值且足够大时,被扰动区的波角处于非平衡状态,较大的当量比梯度会导致其高于理论值,而较小的当量比梯度会导致其低于理论值。对波面位置的偏移量进行了量化分析,发现波面位移随φ_A的变化仅在其为正值时是非线性的,在其为负值时是线性的,随扰动区高度的变化也是线性的。     

微尺度预混合火焰结构和熄火特性研究

本文以空气中的无约束甲烷预混合火焰为对象,用实验和数值解析的方法研究了微尺度预混合火焰的火焰结构和熄火特性。实验测得不同尺寸下混合气当量比和喷出速度与熄火关系图,在不到理论当量比(φ>1)时,火焰已经熄灭,管径越小,极限混合气当量比φu越大。数值解析研究了d=0．3 mm无约束甲烷预混合火焰,在混合气当量比大于 1的富燃料燃烧条件下,空气中形成的预混合火焰结构是内层预混合火焰和外层扩散火焰,极限当量比约为1,解析结果再现了实验现象。     

高超声速条件下7°直圆锥边界层转捩实验研究

在Ma=6低噪声风洞中开展了半锥角7?的直圆锥边界层转捩相关实验研究.利用响应频率达到MHz量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行了测量,研究了高超声速圆锥边界层中扰动波的发展过程.结果表明:高超声速圆锥边界层中第二模态扰动波产生的位置以及扰动波特征频率和波长等参数受雷诺数影响较大,当单位雷诺数从2×106m~(-1)增加到8×106m~(-1)时,第二模态波的特征频率从55 k Hz增加到226 k Hz;随着单位雷诺数增加,边界层中扰动增长速度加快,第二模态波出现在圆锥表面更靠近上游的位置;相同单位雷诺数条件下,随着第二模态波的向下游传播,其特征频率逐渐减小.通过对比发现自由来流湍流度对边界层中扰动波的发展同样有较大影响,自由来流湍流度降低,边界层中的第二模态波的特征频率明显减小.利用互相关分析得出第二模态扰动波在边界层中的传播速度大约为当地主流速度的0.8—0.9倍.在1?小攻角条件下,圆锥迎风面和背风面边界层发展呈现出明显的差异,背风面边界层中扰动发展提前,第二模态波出现在更靠近上游的位置,而迎风面中扰动发展受到抑制,第二模态波特征频率更大.     

管状火焰燃烧器中高氧气浓度丙烷燃烧特性

对两种不同入口尺寸的急速混合管状火焰燃烧器开展了丙烷富氧燃烧特性研究,着重从火焰结构、燃烧范围、燃烧模式等,分析了燃料与氧化剂切向入口尺寸分别为0.5/0.5 mm(燃烧器A)及0.25/0.5 mm(燃烧器B)的丙烷燃烧特性,并基于Chemkin计算分析了内在机制。结果表明:在氧气浓度β≤0.5时,两者均能获得均匀稳定的管状火焰,火焰特征和燃烧范围相近;对于燃烧器A,随着β增加至0.7,化学反应时间缩短,掺混效果不足以维持火焰稳定;燃烧器B入口尺寸较小,入口速度更大,掺混更充分,在β=0.7时火焰仍稳定,β=0.8时火焰不均匀但仍稳定。此外,β≥0.7时,随当量比增加,燃烧器A、B均在低当量比和化学计量当量比附近出现了声不稳定现象,管状火焰区随β增加不断缩小。     

流体力学不稳定性增长测量方法研究

本文通过静态样品定标的方法, 在神光II实验装置上获得了给定空间频率下分幅相机系统的调制传递函数. 在相同实验配置的情况下, 利用定标的结果, 实现了对正弦扰动样品的流体力学不稳定性增长的绝对测量, 获得了不同时刻的增长因子, 结果表明现阶段已具备辐射驱动流体力学不稳定性实验的扰动增长表征能力.     

涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性影响的实验研究

为了研究涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性的影响,以氢气为燃料,空气为氧化剂,在不同当量比下开展了实验研究.基于高频压力传感器及静态压力传感器的信号,详细分析了带涡轮导向器的旋转爆轰燃烧室的工作模式以及涡轮导向器对非均匀不稳定爆轰产物的影响.实验结果表明:在当量比较低时,爆轰燃烧室以快速爆燃模式工作;逐渐增大当量比,爆轰燃烧室开始以不稳定旋转爆轰模式工作;继续增大当量比,爆轰燃烧室以稳定旋转爆轰模式工作,且旋转爆轰波的传播速度和稳定性均随当量比的增大逐渐提高.爆轰波下游的斜激波与涡轮导向器相互作用,涡轮导向器对压力振荡的幅值具有明显的抑制作用,但对压力振荡频率的影响较小.随着当量比的增大,涡轮导向器上下游的静压均同时增大,经过涡轮导向器的作用,涡轮下游静压明显降低.     

甲烷层流和湍流预混火焰OH^*和CH^*的化学发光特性

化学发光能够对火焰结构和燃烧过程进行良好的表征,但利用化学发光对湍流火焰进行测量的研究相对较少。为了更深入地研究和发展湍流燃烧理论,设计了伴燃射流燃烧器,通过ICCD相机和相应滤波片获取了OH^*和CH^*的化学发光图像,对甲烷/空气层流和湍流预混火焰的化学发光特性进行了研究,并利用分布高度、峰值位置、强反应区占比、峰值等参数对不同速度和当量比时的OH^*和CH^*进行表征。结果表明,层流时OH^*和CH^*的分布明显不同,而湍流的混合作用导致二者的分布范围趋向一致。随着当量比增大,不同速度下OH^*和CH^*的分布高度都呈单调递增趋势,但湍流的增长趋势要相对平缓;峰值位置的变化趋势与分布高度几乎一致,间接表明OH^*和CH^*的主导生成反应不变。强反应区占比在层流和湍流状态下的表现完全相反:从贫燃到富燃,层流中由大于0.1降低到0.05以下,而湍流中则由0.05上升到0.1以上,表明湍流对贫燃时的燃烧反应起抑制作用,在富燃时反而起促进作用。另外, OH^*和CH^*的峰值变化可以对火焰的流动状态进行判断,且CH^*尤为明显:随当量比增加,如果峰值先升后降,则可以认为火焰为层流状态;如果峰值单调递增,则是湍流状态。以速度和当量比为自变量,以OH^*和CH^*的峰值比为因变量,提出了不同速度条件下利用化学发光对当量比进行定量表征的统一关系式,解决了不同速度时需要分别进行拟合的问题,对后续的化学发光燃烧诊断研究具有重要意义。     

富燃料丙烷/空气预混火焰特性的微重力实验研究

地面常重力(1g)条件下,丙烷/空气预混火焰向上传播的富燃极限为9.2%C_3H_8,而向下传播时的富燃极限仅为6.3%C_3H_8,二者之间存在明显差距。利用微重力条件下的实验,对燃料浓度从6.5%到8.6%(微重力实验中测定的可燃极限)范围内的丙烷/空气预混火焰特性进行了研究。实验发现,重力对近极限丙烷/空气火焰的传播有显著影响,影响程度随着当量比的增加而增大。微重力下丙烷/空气的富燃极限为8.6%C_3H_8(φ=2.24),明显高于1g条件下向下传播火焰的可燃极限,略低于向上传播火焰的可燃极限。随着当量比的增大,根据压力变化曲线计算的火焰层流燃烧速度从8.5cm/s逐渐减小到2.7 cm/s,可燃极限处的层流燃烧速度与前人实验数据一致。