LIBS诊断煤油空气局部当量比的研究及其在超燃应用的探索

The diagnostics based on laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) for local equivalence ratio of kerosene/air mixture measurement will be developed . First, a standard test flatform for evaluation diagnostics technique will be set up and then fundemental problems about application of LIBS for local kerosene/air equivalence ratio measurement will be carried out on this flatform. The dependence of emission intensity of atomic composition(C,H,N,and O) in LIBS spectrum on fuel/air ratio will be studied. Moreover,the dependence of emission intensity of radical components (CN,OH,NO,C2 and CH) in LIBS spectrum on fuel/air ratio will be also studied.Time resolved laser induced kerosene/air breakdown spectroscopy for different equivalence ratio will be proceeded in this flatform. Investigation of LIBS line shape function and effects of line shape on equivalence ratio measurement in elevated pressure will be carried out.comparison between LIBS diagnostics and fluid visualization ,CFD calculation will also be proceeded for accuracy evaluation. Application of LIBS for kerosene fueled scramjet diagnostics will be carried out in a direct connected supersonic combustion test facility ,and the technique problem will be explored for practical application.

发展一种基于激光诱导击穿光谱（LIBS）光谱的煤油燃料/空气局部当量比的光谱诊断技术，建立验证该光谱诊断技术准确性的实验平台，探索应用LIBS 进行煤油/空气超声速燃烧局部当量比诊断时涉及的基础问题。研究激光诱导的替代煤油燃料/空气光谱的谱线中C、H、O、N 特征发射谱线强度比同燃料/空气局部当量比的依赖关系。探索激光诱导的替代煤油燃料/空气光谱中自由基（CN、OH、NO、C2、 CH）特征发射谱线强度比同局部当量比的相互关系。研究替代煤油燃料/空气在高压环境下LIBS 特征谱线线宽加宽机制以及特征谱线加宽对局部当量比测量精度的影响。利用标准燃烧设备验证此测量方法的准确性和适用性。将该方法在直联超声速实验台进行实际燃烧诊断应用，探索此方法在实际燃烧状况下应用可能面临的技术问题。

对于超声速燃烧，燃料与空气的混合评估或者当量比的测量是一个很重要的参数。而现有的目前已经成熟的激光光谱诊断方法（PLIF、LAS、CARS 等）很难作到同时多组分测量，因此，没有办法确定燃料/空气局部当量比。本研究针对燃烧研究中诊断技术的需要,发展一种基于激光诱导击穿光谱（LIBS）的煤油燃料/空气局部当量比的光谱诊断技术。首先，建立验证该光谱诊断技术准确性的实验平台，探索应用LIBS 进行煤油/空气超声速燃烧局部当量比诊断时涉及的基础问题。利用所建立的实验平台了，研究激光诱导的代煤油燃料/空气光谱的谱线中C、H、O、N 特征发射谱线强度比同燃料/空气局部当量比的依赖关系。发现了确定了不同气压下煤油/空气混合气体中燃料和空气当量比数值与LIBS中的H/O和H/N原子发射光谱相对强度比之间的对应关系，得到了定标直线斜率随压强的变化规律，并且研究得到了压强变化对Hα谱线半高宽的影响，解决了待测区域压强测量等在线测量时可能涉及到的问题，为下一步在线定量测量大分子复杂燃料系统的燃烧过程中燃料的局部当量比提供了必要的前提实验数据和经验。进一步的研究工作包括在超声速燃烧设备上开展了相关试验，并获得了光谱数据。相关研究结果已经发表于国际刊物,同时在本项目执行期间,培养了多名博士硕士研究生。