燃烧反应中间组分瞬态浓度及其随时间变化规律的理论与实验研究

It necessitates the development of assisted combustion technologies to improve the combustion efficiency and reduce the pollutants emission of the combustion power plants, such as industrial combustion furnaces, internal-combustion engines, combustion gas turbines and aerospace engines and so on. However, since a lack of the experimental data of the intermediate components in combustion reaction, it is not clearly understood what intermediate components, elementary reactions and reaction paths are the most important and how the assisted combustion technologies change them. All of these make the mechanism of assisted combustion cannot be fully comprehended, and the assisted combustion kinetic models which have been established are not enough to guide the research of the assisted combustion technology, which seriously restrict the further development and application of the assisted combustion technologies. The project will utilize the methods of high speed two-photon absorption laser-induced fluorescence spectroscopy and planar laser induced fluorescence spectroscopy to research the transient concentrations of O and OH which are the intermediate species in combustion reaction and their variation law with time, and set up the laser assisted combustion kinetic model containing time dimensionality, to boost a better understanding of the mechanism of assisted combustion, and to promote the further development of assisted combustion technologies.

提高工业燃烧炉、内燃机、燃气轮机、航天航空发动机等燃烧动力装置的燃烧效率和降低污染排放的迫切需求，成为助燃技术发展的强劲动力。然而，由于缺乏燃烧反应过程中间组分信息的实验数据，不能确定燃烧反应过程中哪些中间组分、基元反应和反应路径是最重要的，以及助燃技术会对它们产生什么影响，使得助燃机理得不到充分理解，建立的助燃模型也不足以指导助燃技术的研究，严重制约了助燃技术的进一步发展和应用。本课题拟应用高速双光子激光诱导荧光光谱和高速平面激光诱导荧光光谱测量技术研究燃烧反应中间组分氧原子和OH基瞬态浓度及其随时间的变化规律，建立含有时间尺度的激光助燃化学动力学模型，推进对助燃机理的认识，促进助燃技术的进一步发展。

提高工业燃烧炉、内燃机、燃气轮机、航天航空发动机等燃烧动力装置的燃烧效率和降低污染排放的迫切需求，成为助燃技术发展的强劲动力。然而，由于缺乏燃烧反应过程中间组分信息的实验数据，不能确定燃烧反应过程中哪些中间组分、基元反应和反应路径是最重要的，以及助燃技术会对它们产生什么影响，使得助燃机理得不到充分理解，建立的助燃模型也不足以指导助燃技术的研究，严重制约了助燃技术的进一步发展和应用。本课题应用时间分辨双光子激光诱导荧光光谱、高速平面激光诱导荧光光谱和化学荧光光谱成像测量技术研究燃烧反应中间组分氧原子和OH基瞬态浓度及其随时间的变化规律，建立含有时间尺度的激光助燃化学动力学模型，推进对助燃机理的认识，促进助燃技术的进一步发展。. 首先，设计了可实现激光诱导等离子体助燃机理微观动态过程研究的试验方案，采用了先进的时间分辨能力达到百us量级的高速PLIF、时间分辨TALIF和高速化学荧光成像测量方法。其次，发展了基于平面火焰标定的OH-PLIF定量测量方法，应用高速OH-平面激光诱导荧光光谱（OH-PLIF）测量技术，实现了激光诱导等离子体助燃过程OH基相对浓度的高时空分辨测量方法。再次，优化了双光子激光诱导荧光光谱（TALIF）测量技术，应用10Hz O-TALIF系统和精准的时序控制技术实现了10kHz O-TALIF测量技术。. 通过测量实验研究获得了激光诱导等离子体助燃过程中O原子和OH基相对浓度随时间的变化规律。建立了含有时间尺度的激光诱导等离子体助燃化学动力学模型。通过实验和数值模拟仿真相结合的研究方法，深入认识了激光诱导等离子体助燃机理。研究表明O原子对燃烧化学动力学过程有促进作用，且激光诱导等离子体助燃机制是热助燃和化学动力学助燃的混合作用机制。. 通过本项目研究，首先，开发了可用于点火和湍流燃烧动态过程诊断的高时间分辨光谱测量技术。其次，深入了激光诱导等离子体助燃机理的认识，为激光诱导等离子体点火助燃方法的实用化奠定了基础。