高速平面激光诱导荧光超声速燃烧诊断研究

Planar laser induced fluorescence (PLIF) is key technique for diagnostics of the supersonic combustion processes. With a typical sampling rate of 10-30 Hz, the current commercial PLIF system has many limitations for the diagnostics of the highly time-varying, dynamic and turbulence-coupled supersonic combustion field. It can only provide the averaged combustion structure and cannot get the transient temporal sequences of the combustion field. In this project, we will firstly determine the excitation and detection scheme for the OH-PLIF diagnostics under the extreme supersonic combution conditions. Then we will design and optimize the high-speed PLIF diagnostic system according to filed test conditions of the model scramjet engine, and investigate the detection of the weak PLIF signals with a complicated combustion background. We will also perform investigations on the method to correct the distortions in the PLIF images resulting from the inhomogeneity of the excitation laser sheet and the distortion of the detection system. Finally, based on the house-made high-speed PLIF system, we will carry out the high-speed PLIF diagnostics on the supersonic combustion structures of the model scramjet engine with a millisecond temporal resolution. The transient evolution of the cavity injection ignition and flameholding, and the structure of the supersonic combustion filed will be investigated and validations of the numerical simulation models will also be performed using the measured experimental results. The project will fill the blank of high-speed PLIF diagnostics on the supersonic combustion field and promote the development of the scramjet engines in China.

平面激光诱导荧光（Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF）是研究超声速燃烧过程的重要技术手段。现有商用PLIF系统的采样频率仅为10-30Hz，只能获得燃烧场的平均信息，难以获得快时变、高动态、强湍流耦合的超声速燃烧场的动态发展序列，具有很大的局限性。本项目将研究超声速燃烧场极端条件下的OH-PLIF的激发与探测机制，设计并优化高速PLIF超声速燃烧场诊断方案，研究复杂燃烧背景下PLIF信号的探测方法和激发光强不均匀性和PLIF图像空间畸变的校正方法；基于已开发的高重频PLIF系统，开展ms量级时间分辨率的高速PLIF超声速燃烧诊断研究，获得超声速来流条件下凹腔喷注点火、稳燃的动态演化过程和超声速燃烧的火焰组织结构，校验数值仿真模型，填补国内高速PLIF超声速燃烧诊断的空白，促进我国超燃冲压发动机研究领域的发展。

本项目针对现有商用PLIF系统采样频率仅为10-30Hz，只能获得燃烧场的平均信息，难以获得快时变、高动态、强湍流耦合的超声速燃烧场动态发展序列的局限性，研究了超声速燃烧场极端条件下OH-PLIF的激发与探测机制，设计并优化高速PLIF超声速燃烧场诊断方案，研究复杂燃烧背景下PLIF信号探测方法和激发光强不均匀性和PLIF图像空间畸变的校正方法；基于已开发的高速PLIF系统，开展了ms量级时间分辨率的高速PLIF超声速燃烧诊断研究。. 首先，通过理论与实验研究发现，OH（1,0）振动带的Q1（8）吸收谱线随温度和压力的增大不发生平移，但会发生展宽；OH基的300-325nm波段荧光强度随压力增加而衰减，压力为5atm时，LIF信号强度约为1atm时的13.5%。为高速PLIF超声速燃烧诊断制定激发与探测策略提供了指导。. 其次，针对超声速燃烧特性，通过应用时域滤波、空域滤波和频域滤波噪声抑制方法实现了复杂燃烧背景PLIF 信号探测方法；建立了激发光强不均匀性校正方法和PLIF 图像空间畸变校正方法；为高速PLIF超声速燃烧诊断方案设计与试验研究提供了支撑。. 再次，应用双向激光诱导荧光技术实现了甲烷/空气预混火焰OH基浓度测量方法，并成功校验了甲烷/空气预混火焰OH基浓度数值计算模型。. 再次，通过风洞流场试验，证明高速PLIF诊断技术可用于复杂流场诊断，不仅可以清晰显示流场结构，而且还能再现其动态演化过程，比如“涡”的发生及运动过程。由试验结果可预测，为了再现超声速流场结构动态演化过程，高速PLIF诊断系统的工作频率需达到10kHz量级。. 最后，通过应用高速PLIF诊断技术开展了超声速来流条件下凹腔中气体燃料喷注混合、点火和稳燃过程，及火焰组织结构研究，揭示了超声来流条件下气体燃料喷注混合、点火、火焰传播与稳燃特性，为超声速燃烧机理研究和超燃冲压发动机燃烧室的设计提供支撑。. 本项目的研究成果填补了国内高速PLIF超声速燃烧诊断技术空白，将促进我国超声速燃烧机理研究和超燃冲压发动机研究领域的发展。