OH示踪同时测量流场温度与速度方法研究

Simultaneous temperature and velocity measurements are extraordinarily valuable for disclosouring the interdependency mechanism between turbulent flow and combustion heat release. However, the simultaneous temperature and velocity measurements experiments have not been carried out widely at the present time. And each of the developing techniques has unique feature and the special application environment. In this project, a novel temperature/velocity simultaneous measurements approach based on the OH from photodissociation of water will be studied. First, the OH tracers are produced by a UV laser interaction with the water in flow. Then, a double lines planar laser induced fluorescence is used to display the OH tracers. The velocity distribution will be obtained by the position difference of the OH, and the temperature will be calculated from the OH fluorescence intensity. It is an expected approach, due to any seeder matter is not needed to add to flow, and can be competent in high temperature and hypersonic flow. The rotational energy population distribution of the OH tracer and the OH fluorescence characteristic will be studied to establish accurate temperature/velocity calculation model. And the key technical issues including fluorescence excited lines selection, data processing, calibration methods will also be studied to setup reliable measurements system. The project research would provide powerful support for engine inner flow study.

同时获得流场的速度和温度场信息，对揭示湍流流动与燃烧化学反应释热之间的相互耦合机理具有重要意义。但目前开展速度温度同时测量的研究工作并不多，已发展的测量方法也具有各自的适用范围。本课题用激光解离流场中的水分子产生的OH作为示踪粒子，提出一种新型的速度温度同时测量方法。原理是先利用紫外激光与流场中的水分子相互作用产生OH，然后利用双色平面激光诱导荧光技术对这些OH进行显示，基于其位置信息进行速度场的解算，基于其荧光强度信息进行温度场的反演。该方法具有无需在流场中撒播种子，适用于高温高速流场等优势。本课题通过研究激光解离水产生的OH的能级布居特性、荧光特性等基础物理问题，建立速度温度反演计算模型，解决荧光激励线选择、温度测量标定、数据图像处理方法等关键技术，实现对高速高温流场温度速度场的同时测量，为应用于发动机内流场研究提供技术支撑。

为了揭示流动与燃烧之间的相互耦合机理，速度和温度的同时测量具有重要意义。实现燃烧流场速度和温度参数同时测量的途径通常采用速度测量技术和温度测量技术联合的方式进行，在复杂的发动机流场环境中实现起来难度很大。本项目基于羟基标记示踪速度测量技术，提出利用该技术中光解水产生的OH进行温度测量，进而实现速度温度的同时测量的方法。项目开展了激光解离水机理及产生的OH特性、基于光解OH的速度温度测量方法、速度温度分布同时测量实验等研究内容，验证了该方法的可行性，取得的重要结果如下：.（1）利用波长193nm激光解离流场中的水产生OH，在解离激光停止后，对于本项目使用的准分子激光器（脉宽20ns），也即在光解延迟时间td>50ns以后，利用光解OH粒子能级布居与温度的关系，可以进行准确的温度测量。.（2）在解离激光停止后，光解OH标记尺寸由于扩散的作用逐渐增大，通过分析标记尺寸的变化可以得到OH在流场中的扩散系数，并利用标记尺寸与温度的关系，可通过标记尺寸对流场温度进行反演。 .（3）利用波长193nm激光解离水产生的OH产额与温度呈单调变化关系，综合考虑共振激励下OH荧光强度与温度的关系，可以选择合适的荧光激励线得到OH荧光强度随温度的单调增加的变化关系，以此提出了利用光解OH荧光强度反演温度的新方法。.（4）利用建立的速度温度同时测量装置对射流流场的速度温度进行了测量验证，并与热电偶测量结果进行了对比标定，结果表明了本项目建立的速度温度同时测量方法可行，温度测量相对不确定度5%，速度测量相对不确定度约0.5%。.研究工作为湍流燃烧科学研究提供了新的速度温度同时测量方法。在超燃发动机流场测量研究中对该方法开展了应用尝试，利用在凹腔位置获得的OH标记位置和荧光强度信息同时获得了沿标记线上流场的速度和温度结果。