Transcript 第一章绪论
燃烧诊断学 Combustion Diagnostics （No. 075016） 范玮 航空楼A205 燃烧诊断学学习提纲 一、燃烧诊断学的内容和方法 二、燃烧流场的速度测量 2.1 热线风速仪 2.2 激光多普勒测速（LDV---Laser Doppler Velocimetry） 2.3 粒子影像测速（PIV——Particle Image Velocimetry） 三、燃烧流场的密度与成分测量 3.1 阴影法，纹影法，干涉法 3.2 激光诱导荧光LIF（Laser Induced Fluorescence） 3.3 相干反斯托克斯喇曼散射光谱CARS （Coherent Anti-Stokes Raman-Scattering Spectroscopy） 燃烧诊断学学习提纲 四、燃烧流场的温度测量（色温、亮温、辐射温度） 4.1 热电偶 4.2 钠线转换法 4.3 CARS 4.4 热成像仪 五、颗粒测量 5.1 LDV（Laser Doppler Velocimetry） 5.2 激光全息( Holography ) 5.3 激光多普勒测粒仪PDPA( Phase Doppler Particle Anemometer ) 5.4 粒度仪 燃烧诊断学学习提纲 六、其它诊断技术 6.1 高速摄影 6.2 X射线光谱 6.3 激波管测试 6.4 半导体激光吸收诊断技术 燃烧诊断学参考文献 1．汪亮编著. 燃烧实验诊断学. 国防工业出版社, 2005. 2. 张平. 燃烧诊断学. 兵器工业出版社，1988. 3.（英）J. M. 比埃尔 N. A. 切给尔. 燃烧空气动力 学. 科学出版社，1979 4.（德）W. 梅尔兹科奇. 流动显示. 科学出版社，1991. 5. Experimental Diagnostics in Gas Phase Combustion Systems (edited by B. T. Zinn). 6. Combustion Measurements (edited by Norman Chigier), 索书号：TK16，C731.3, 1991（新图书 馆，北4楼）. 7. 张国威，王兆民编著，激光光谱学原理与技术，北京 理工大学出版社，1989。 一、燃烧诊断学的内容和方法 1.1 概 述 燃烧诊断的任务是： 采集能反映燃烧系统工作进程的各种信息，主要有 各燃烧反应区的压力、温度、速度、浓度及其 随空间与时间的分布 火焰锋面的位置与传播速度 火焰结构与反应流场的显示 粒子尺寸分布 固体燃料燃烧表面与亚表面状况及其化学结构 排放物的温度分布、组分分布与信号特征等。 特点： 复杂性、多样性，使得。。。极其困难——烃燃 料+空气：30多种组分和100多种基元反应。且随燃 烧条件不同而异。 燃烧——湍流反应流，需考虑： 湍流本身的传输特性 动力学参数 湍流对火焰结构的影响 湍流漩涡流 湍流两相流 在各种动力装置中的诊断，如……中工作过 程的实验诊断则更为复杂。 为了弄清楚燃烧室中发生的实际过程，需要发展能 测定燃烧室中速度、压力、温度、化学组分浓度和液雾 参数等平均量及紊流脉动量的先进诊断方法。无论在 先进燃烧室的研制中，或是在物理模型的建立与发展中， 燃烧诊断技术都起着关键作用。尽管常规的测试技术仍 需要发展和应用，但各种非接触式激光测量技术乃是先 进燃烧诊断技术的主体。 以多普勒效应为基础的激光风速仪已成为燃烧室“冷流” 或高温紊流反应流中时均速度和脉动速度测量的重要工具。 燃气温度和各种化学组分浓度的时均量或脉动相关量的分布 可以靠激光拉曼散射或激光荧光的技术测量。目前，相干 反斯托克斯-拉曼散射 (CARS) 技术受到特别重视。 因为 它的光线强、信噪比高，可以广泛用于各种燃烧装置。 在原理上，该技术可以检验任何具有拉曼共振特性的化学组 分的浓度。 液体燃料的液滴尺寸，液滴数分布和速度分布的测量 在燃烧诊断技术中占有十分重要的位置，目前已出现许多 新的测量方法。基于激光衍射原理的滴径仪（粒度仪）是 目前应用比较广泛的油珠尺寸的测量仪，但它只限于测量 非蒸发液滴的尺寸分布，只提供线积分数据，难以作空间 点的测量。多脉冲激光全息摄影技术可以测量三维空间 的液滴尺寸和位移分布及液滴速度分布，还可以用来研究 两相燃烧过程。 历史： 20世纪60年代前： 插入式探针——简单、经济、便于使用，但。。。， 限制了精度和应用范围； ——后： 激光发明+对过程了解（分子水平）+光电测试与数 据处理的发展与应用——为燃烧诊断开创新局面： 光谱法实验诊断技术——为反应流提供了瞬时流动 与热力学性质，并具有必要的时间和空间分辨率， 速度、温度与组分浓度的同时测量可直接确定能量 和组分浓度守恒方程的相关项。 局限：需要光学通路，因为观察窗、背景照明、激 光诱导效应和激光杂散散射等的干扰有时难以避免。 例如穿过稠密燃烧区——强激光——介质受热，诱 发Raman散射、光分解和光磁裂效应——精心设计 光路结构，采用空间滤波，选用合适的激光波长和 光路接收系统等。 1.2 实验诊断技术简介 表1.1 燃烧实验诊断法 分类 方法或仪器设备名称 热电偶温度探针 应用举例 无屏蔽式 吸入式 测温度 气动式双声速孔温度探针 两孔皮托管 探针法 气动式速度探针 五孔皮托管 测速度 热线风速仪 气体取样探针 金属或石英探针 分子束探针 采集试样 两相取样探针 高速摄影（摄像） 普通摄影 （摄像）法 电影显微摄影 流场与火焰结构显示， 粒子尺寸与速度测量 等 表1.1 燃烧实验诊断法（续） 干涉 量度 法 干涉法 测气体密度 纹影法 测密度梯度 阴影法 测密度的二阶导数 单脉冲激光全息摄影 双（或多）脉冲激光全息摄影 全息摄影 高速实时全息干涉摄影 双参考光全息摄影 流场显示， 燃烧波与激波传播， 粒子尺寸与速度测量 等 反射光全息摄影 谱线反转法 辐射计法 光谱 法 光学发射 与吸收 色温法 分光辐射计法 原子谐振吸收光谱法 光散射 辐射吸收法 测气体温度 绝对强度法 相对强度法 测组分浓度 见表1.2 质谱法 测组分相对浓度 表1.1 燃烧实验诊断法（续） 俄歇电子能谱 电子 能谱法 测材料表面的 化学成分等 X射线光电子能谱 光学显微镜 粒子 尺寸 分析法 显微镜 扫描式(SEM) 电子显微镜 透射式(TEM) 马尔文粒子分析仪 为粒子阻尼与喷管两 相流损失等的 数值计算提供数据 单粒子计数器 稳压式燃速仪 稳态燃速 燃速 测量法 （8.1） 密闭弹 声发射 微波法 非稳态燃速 主要用于 固体火箭推进剂 超声波法 X射线实时荧屏高速动态分析法 燃烧 声导纳 测量法 （8.2） 压力耦合响应 速度耦合响应 T型燃烧器 旋转阀 阻抗管 测量发动机响应的调制喉部发动机 主要用于固体火箭 发动机不稳定燃烧 的实验研究 电磁波： 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 内层电子跃迁 外层电子跃迁 分子振动 X射线光谱 紫外可见光谱 红外光谱 宇 宙 线 Γ 射 线 χ 紫 射 外 线 1022 1020 1018 1016 1014 100 102 104 波长/m 分子转动；电子自旋； 核自旋 顺磁共振；微波波谱 核磁共振谱 红 外 可 见 光 10-2 微 波 1012 1010 电磁波谱 无 线 电 108 106 104 频率/Hz 激光器： 激光具有单色、相干、定向、高能量密度和线性 偏振等特性，它在非接触式燃烧实验诊断中得到了广 泛的应用。 一般指标有：功率、波长、直径、准直性、 稳定性、偏振性。具体选择时，还要考虑测量所需 的时间与空间分辨力。空间分辨力则与辐射波长有关。 一般说，波长越小，分辨力越高。 分类 实例 特点 用途 光束直径小，激 光功率较低 稳定的燃烧过程， 流场诊断，特别是 速度测量（LDV） 泵浦染料激光器 Nd:YAG激光器 尺寸重量大，不 适于现场测量 CARS、LIF 脉冲固态激光器 红宝石激光器 可调谐，产生可 见与紫外线波段 的光辐射 全息摄影，需要瞬 时高功率的测量， 瞬态过程（脉冲持 续时间ms级） XeC1激态激光器 较高的能量和 重复率 可代替Nd:YAG 激光器 铜蒸气激光器 几千Hz的特征 重复率 光屏照明 氦－氖激光器 连续激光器 氩离子（Ar+） 激态激光器 微小型二极管 激光器 半导体二极管激光器 小尺寸,低耗能, +雪崩光电二极管 高可靠和廉价 微型激光测速仪的 开发应用 以往因受信号强度和监测仪器灵敏度的限制，激光 诊断技术大多限于空间局部点的测量。现在，强激光 散射和微光检测技术的结合使这种技术更多地用于二维 场测量。 接收的信号强度IS表示为：I s KI 0l(d / d )ni l——接收光学在立体角 内所观测的激光长度； ni ——散射粒子或分子的数密度； K为标定常数。 d / d 2 ——微分散射截面（cm / sr , sr 为立体角） 因此，同样实验条件下散射横截面直接反映了所 接收信号的强弱。通常，浓度信息与散射强度有关； 温度则取决于谱分布，即强度随频率变化。 燃烧温度与组分浓度测量——光散射法： 表1.2 光散射测量法 分 类 一阶 弹性 散射 过程 名 称 散射 介质 特 点 散射光 频率 微分 横截面 d / d 米氏散射 d vs vo 107 ~ 10 13 瑞利散射 d vs vo 10-27 应 用 LDV和PDPA的基本效 应，测瞬时速度、 密度和混合物分数 总密度测量，等压 下测量温度 表1.2 光散射测量法（续） 自发拉曼 散射(入射 光任意频率) 一阶 非弹性 散射过程 激光诱导荧 (有频移) 光（LIF） (入射光须为 吸收光频率) 相干反斯托 克斯拉曼散 斯（CARS） 二阶 简并四波混 非弹性 合(DFWM) 散射过程 技术 (信号强) 受激拉曼散 射（SRS） 反向拉曼散 射（IRS） 分子 d 分子 190nm vR vo v 1030 ~ 1031 vF vo 1019 ~ 1024 测量CO2、O2、CO、N2、 CH4、H2O、H2等主要组 分质量分数以及温度 测量NO和OH之类10-6 (ppm)量级的活性组分 测量温度和主要稳定 组分。与LRS和SRS相 比，信噪比高。 监测碰撞跃迁所形成 的低浓度受激原子及 跃迁组分——微量组分 增强型Raman散射，测 量火焰温度 速度测量——LDV和PIV法（激光测量技术）： LDV——多普勒测速仪，空间点测量；常用双光束差动 多普勒系统，两等强度的激光束聚焦相交形成控制 体并产生明、暗交替的干涉条纹。运动粒子穿过这 些条纹时，散射光强度的周期性变化产生多普勒波系， 所测频率即与信号波束平面上粒子的瞬时速度分量 成正比。为保证跟随性，示踪粒子必须足够小。若 用。。。，则LDV有望实现小型化。 PIV——粒子成像速度场仪，作为2D平面速度场测量； 通过测量照明屏平面上单个粒子图像的位移，可得到 燃烧系统二维平面的速度场。 激光散斑测速仪（LSV）：和PIV一样，也属全场测速技术。 它是利用流体中粒子散射光产生的远场散斑谱的 运动来导出粒子速度，因要求高密度的散射率， LSV在燃烧流中的应用有限。 粒度测量： 凝聚相粒子的速度、尺寸、数密度、质量流量及轨迹等 信息对预估燃烧效率与喷管效率以及控制污染等起着十分 重要的作用。测量粒子尺寸的非接触光学法可分为以下3类： ⑴成像法—用摄影或摄像（包括全息摄影）并借助短时间 脉冲“冻结”两相流图像，可测量大于 5 m 的粒子尺寸。 此外，根据粒子尺寸范围的不同，还可以选择不同 类型的显微镜来配合测量，如光学显微镜（OM）或扫描 电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）。通常认 为，OM和TEM的组合，可分析燃烧诊断领域所感兴趣的全 部粒子尺寸。 。 ⑵ 积分法—例如常见的马尔文（Malvern）粒子分析仪所用 的夫琅禾费（Fraunhofer）衍射谱法，考察粒子 分布和散射光强度空间分布间的关系。测量范围 约为1 m ~ 1800 m ,这时激光扩束后照射被测的 粒子场并被接收透镜接收。检测屏则位于透镜 的焦面处。因而非衍射光聚焦在中心点上，衍 射光则在该点周围形成环形谱（粒子运动并 不引起衍射谱运动）。不同环的光强度提供了 粒子尺寸信息。一般，检测器标定误差和透镜 效应等可导致15%的偏差。 ⑶单粒子计数器法—给定时间内分析穿过一定测量容积 的单个粒子。这时，尺寸分布与粒子浓度关系很大。 具体测量时可找出粒子尺寸与下述某一参数间的依从关系, 10 m 如①白光源90°散射光强度，主要用于测量直径 以下浓度直到105cm-3的气悬液粒子；②双色激光信号强度， 测量范围 0.2 m ~ 200；③空间不同位置散射光强度 m 比，适于 4的小尺寸粒子等。这些技术易于实现，并 m 可用来测量非球形粒子的尺寸，例如分析粉煤焰等。 对球形粒子，为求得尺寸信息，可由空间不同 点的两个检测器分别测量同一粒子的相位差，此即 所谓相位多普勒粒子分析仪（PDPA）。它可同时 测量粒子速度与尺寸分布，且对轨迹含糊性和流动 浑浊性不很敏感，因此日益受到研究人员的重视。 用3个光电检测器可进一步避免含糊性并拓宽尺寸 测量范围。PDPA还可延伸来测量浓度与质量流量。 流场显示技术： 包括直接摄像（或摄影）以及干涉、纹影、阴影或激光全 息等。纹、阴影技术易显示温度与密度一、二阶导数的分布谱。 近来用高速激光纹影可分析气缸内不稳定旋涡焰。而彩色纹影 提供了必要的梯度响应灵敏度，同时可检测周围气体中流体的 运动。全息摄影主要用于火焰结构显示，记录火焰形成与传播， 测定粒子尺寸与速度等。 为提高复杂三维反应流中光谱的分辨率，拓宽流 场显示技术的应用范围，可采用光屏照明技术。为此 利用柱面透镜，圆柱形反射镜或放置镜来扩展光束。 常用铜蒸气之类脉冲激光器，并用多通道元件以在所 测过程的特征时间内提供足够信号。信号光被垂直收 集，借助透镜与滤光镜的组合，聚焦到二维检测器上 （光电二极管，光导摄像管，CCD等），摄像机与脉 冲激光器同步。 与单点法相比，这种二维测量通过平面成像可提 供有时间分辨力的空间相关性、特征长度、旋涡和火 焰等额外的信息，在燃烧实验诊断中占有越来越重要 的位置。 二、探针法测量（接触式测量）概述 热电偶温度探针 无屏蔽式 吸入式 测温度 气动式双声速孔温度探针 两孔皮托管 探针法 气动式速度探针 五孔皮托管 测速度 热线风速仪 气体取样探针 两相取样探针 金属或石英探针 分子束探针 采集试样 1. 温度探针： （热电偶） 有时，热电偶表面包覆有氧化硅或铍/钇氧化物， 以消除催化效应所致的温度测量误差。若测量环境比 较恶劣，则可选用吸入式热电偶探针（见图9.2）。 这时，热电偶接点周围装有屏弊装置并带冷却通道。 但因尺寸增加，对流场的扰动增大。 高速流中，可应用气动式双声速孔温度探针。 因基于下述气体动力学方程 P A CD1 F1 / TT 1 PT 2 A CD 2 F2 / TT 2 * T1 1 * 2 2. 速度探针： 皮托管测速 皮托管又称风速管，是一种专门设计的测压探针。把它放在 流场内可同时测量出流体在该点处的总压和静压或两者之差。 根据伯努利方程，可用下式求出流体在该点处的流速公式： 2( p 0 p) 式中， 为测点处流体的密度，p0和p为测点处流体的总压和 静压， 为考虑到探针类型和气流可压缩性的修正系数。 2. 速度探针： 皮托管测速 热线风速仪测速 有较高的频响和灵敏度，可测高湍流气流的平均速度和瞬 时脉动速度（低于500kHz）。工作原理是：将一个热线探针头 置于待测流场中，很细的铂金属丝的轴线垂直于流动方向，气 流速度的变化会改变热线被冷却的速率，因而可利用热线的瞬 时热量损失来度量流场内该点的瞬时速度。 热线风速仪测速 热线探针的敏感元件是一根直径很小的金属丝（例如直径为 3.8—50微米，长度为1—2mm的铂丝、镀铂钨丝或铂铱合金丝）。 它由电流加热，其温度高于周围流体介质的温度，通常是在强迫 对流散热状态下工作。测量散热损失有等温度（等电阻）法和等 电流法两种。前者是使金属丝的温度保持不变，此时所需的加热 电流反映了气流的速度；后者则是使加热电流保持不变，而热线 电阻的变化反映出气流速度的变化。目前等温度法的风速仪用的 比较广泛，因为它可以测量高频速度脉动而不需复杂的补偿电路， 操作简单，工作可靠，使用寿命较长。 由于热线探针的金属丝十分脆弱，它只能在清洁的空 气和其它气体中应用。对于液体和非清洁气体的速度 测量，宜采用热膜探针，它比热线要耐用得多，热膜 探针的敏感元件是一片高纯度的铂膜，在测量气体流 速时，在铂膜的外面覆盖一薄层致密石英，以提高绝 缘性能。 热线或热膜探针的几何尺寸各不相同，因此在使用前 必须对每台待用的热线或热膜风速仪进行单独标定， 但动态标定又不易做得准确，这是采用热线或热膜风 速仪测速的一个主要缺点。 • 超声波法测燃速的基本原理是利用超声波测厚原理在不同时 刻测试未燃推进剂药柱的长度。 • 固体推进剂燃速的超声波测试方法是通过连续测量超声波脉 冲在推进剂中的往返时间，确定推进剂燃烧端面的位移，从 而得到推进剂的燃速。 3. 取样探针： 有气体取样与气液两相取样之分。以气体取样 为例，可应用金属或石英探针。但要注意，在有大 密度梯度的反应流或组分相对分子质量很不相同的 流动中，务必采用等动力取样，即探针进口取样速度 要与局部流速相匹配，也即探针壁静压应与局部自由 流静压相匹配。 为得到有代表性的取样，抑制化学反应颇为重要。 常用两种抑制方法： ①大幅度降低温度，以减小因后续化学反应以及蒸发 或脱挥发分而致的误差。通常应用对流冷却，如等动力 气体取样探针（见图9.7）。此外，也可用气动冷却式 气体取样探针（见图9.8）。显然，这时就不可能应用 等动力取样。 ②降低探针表面的催化活性，例如可用石英探 针。不过，正因石英材料的催化活性低，与同样 设计的金属探针相比，石英探针中原子的复合速 度来得慢。这时，探针内的自由基可能与稳定组 分发生反应，引起错误的浓度测量。另一方面， 即使采用冷却的金属探针，也不能忽略催化反应 的影响。 4. 探针测量误差： ⑴ 探针所致的流场扰动，包括：①流体动力学扰动 （影响静压分布与流谱，还可能产生探针激波）； ②热扰动（引起热沉效应或辐射与传导换热）； ③化学动力学扰动（探针壁面对化学反应的催化或抑制）。 ⑵ 探针对紊流脉动的非线性响应：流动中，不论速度、 温度、压力或组分浓度的脉动都会影响所测平均值的 精度。例如，宽广范围内对流动角不敏感的总压探针， 测得的平均总压会混有速度脉动的影响，进而影响平均 压力。 ⑶ 各类探针特有的误差，例如双声速孔温度探针， 主要是测量条件（气体成分、温度与雷诺数）同标定 条件的偏差以及声速孔面积的变化。 应注意三点： ①要求等动力取样； ②取出的混气试样迅速冷却； ③不同相态的组分要能精确地分离。 而在环流区、旋涡流与紊流燃烧区，尽量减小探针的扰 动作用尤为重要。 使用表明，以取样探针为例，对较小尺寸的层 流焰，不冷却的气动式石英探针为佳。而在含有粒子 的火焰中，则宜用冷却的等动力探针。至于误差， 特定条件下，温度的探针测量可在其时间平均值5%左 右，而流速及主要组分的质量分数则可在其法夫利平 均值的10%之内。但对NOX的测量，由于它们对取样与 分析技术极其敏感，目前只能作到定性测量。 总之，在尽可能接近实际燃烧的条件下仔细标定 探针，是可靠测量火焰结构的先决条件。 谢 谢！