基于化学发光计算断层成像的超声速燃烧特征研究

The method of computed tomography of chemiluminescence (CTC) is proposed for investigating supersonic combustion, considering its wide range of time-space scale and tense 3D characteristics. Based on previous study of laminar flame CTC, this project firstly investigates algorithms of computed tomography which can be applied to chemiluminescence image by using phantoms and standard flames. Secondly, the factors that affect the production, assumption of excited state radical are considered. The interpretation laws from chemiluminescence to combustion process are then obtained. Finally, direct-connected experiments are conducted for both of dual combustion ramjet and scramjet engine. 3D flames are reconstructed based on simultaneous chemiluminescence images through multiple ICCD. Then the characteristics of supersonic combustion can be achieved including reacting zone and distribution of heat release..This project relates with the key research plan in the area of quantitative measurement of excited state species, and supersonic combustion. This project does not take the mechanism of turbulent combustion into accounts. However, the results of this project will supply an effective experimental means for turbulent combustion, and it also supply reliable fundamental data for research of supersonic combustion.

针对超声速燃烧时空尺度范围大、三维特征显著的特点，本项目提出采用化学发光计算断层成像（Computed Tomography of Chemiluminescence，CTC）进行研究的思路。在前期已经开展层流火焰CTC研究的基础上，利用虚拟模型和标准火焰，开展针对化学发光特点的计算断层成像方法研究；然后通过考察激发态自由基的生成、跃迁和猝灭的影响因素，获得超声速条件下的化学发光对燃烧过程的定量表征规律；最后在双燃烧室冲压发动机和超燃冲压发动机直连式试验中，通过多台ICCD同时拍摄化学发光图像，重构三维火焰，获得超声速燃烧的反应区位置、热释放率分布等燃烧特征。.本项目涉及到重大研究计划中的激发态定量诊断、超声速燃烧等关键科学问题。本项目并不涉及湍流燃烧的机理机制，但本项目的成果将为湍流燃烧研究提供一种有效的试验手段，为超声速燃烧机理研究提供可靠的基础数据。

近年来，超燃冲压发动机得到了广泛研究并取得了突破性进展，但超燃冲压发动机内部的燃烧流动机理仍未完全明晰。针对超声速燃烧时空尺度范围大、三维特征显著的特点，本项目提出采用化学发光计算断层成像（CTC）进行研究的思路。..在前期已经开展层流火焰CTC研究的基础上，利用虚拟模型和标准火焰，开展针对化学发光特点的计算断层成像方法研究；通过考察激发态自由基的生成、跃迁和猝灭的影响因素，获得超声速条件下的化学发光对燃烧过程的定量表征规律；设计模拟火箭基组合循环发动机燃烧流场的伴燃射流火焰炉，通过多角度同时拍摄化学发光图像，重构三维火焰，获得超声速燃烧的反应区位置、热释放率分布等燃烧特征。..本项目针对燃烧流场的结构特性，对两种经典重构算法，即ART算法和ASD-POCS算法，进行了优化，获得了一种基于投影残差最小化的优化算法，即PDM算法；改进了之前工作中使用的平行光投影假设，建立了基于粒子辐射传播特性的新投影模型；利用虚拟模型和稳态二维火焰，验证了CTC技术在燃烧诊断中的适用性。对比分析标准平面火焰的试验测量结果与数值模拟结果，建立了包含激发态粒子的化学反应机理；通过分析基元反应放热、激发态粒子生成途径，给出了激发态粒子标记放热率的依据；对比激发态粒子浓度分布和放热率分布，提出了放热率标记效果的评价指标，从而确定标记粒子，并建立了化学发光信号与燃烧信息尤其是放热率之间的定量关系。依据组合循环发动机结构，设计伴燃射流火焰炉，产生高湍流度的高速射流火焰，并使雷诺数在4900和39200之间变化。利用CTC技术和PLIF技术，系统研究了射流流速对火焰结构尤其是放热区结构的影响规律。