旋流火焰高时空分辨激光光谱诊断及定量表征方法研究

Confined swirl flame in huge practical combustors play a key role in flame stabilization and extinction, combustion instabilities and pollutant formation, but systematic experimental research with high revolution is lacking in these terms. Swirl-induced vortex breakdown induces a recirculation of burned gas to the flame root, and the mixing of hot gas and radicals with fresh gas leads to a continuous ignition and flame stabilization. However, this process is prone to instabilities in the form of thermo-acoustic pulsations, unsteady stabilization or even flame extinction, and these behaviors and the dynamic processes of the flow field–flame interaction are complex and not well enough understood today. We propose to perform state-of-art laser diagnostics techniques on a confined swirl flame, and build an experimental platform measuring instantaneous temperature field and distribution of multiple intermediate species (i.e., OH/CH2O/CH) in the flame with high temporal-spatial resolution. Some novel measurement techniques such as IRS (Interferometric Rayleigh Scattering) for turbulence intensity and tuneable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) with higher spatial resolution will be studied and developed. The method of quantitative characterization of the swirl flame structures and turbulence-combustion interaction will be explored. A greater understanding of these typical phenomena in lean premixed swirl flame and the underlying turbulence–chemistry interaction responsible for them, especial the interplay of the PVC with the thermo-acoustic oscillation and the flame dynamics will be achieved based on these advanced laser diagnostics. As a result, we hope to build an experimental database in order to validate relevant theories and simulations for the study on gas turbine (GT) combustors.

受限空间旋流火焰具有很强的工业应用背景，但还缺乏系统性的精细实验研究。旋流诱导的涡破碎过程对于火焰稳定有重要作用，但其伴随的火焰失稳、热声振荡和回火等现象的物理本质，特别是湍流与燃烧耦合机制等，还不是很清楚。需要开展更加深入系统的实验研究，发展先进的高时空分辨诊断技术，为理论模型和数值模拟的发展奠定基础。本项目以受限空间旋流火焰作为研究对象，通过发展温度场/多组分同步成像、干涉瑞利散射速度脉动测量以及高时空分辨TDLAS技术等先进的激光诊断方法，对湍流与火焰相互作用机理进行定量表征，特别是对贫燃预混旋流火焰失稳和热声振荡等机制深入研究，探讨热释放与PVC对旋流火焰稳定性的影响，为我国自主研发新一代的发动机提供基础实验数据以及理论支持。

在航空发动机和燃气轮机燃烧室等实际燃烧器中，多是高压和高湍流度燃烧，是气动-热-化学（aero-thermal-chemistry）相互耦合作用的复杂物理化学过程，其中湍流流动与燃烧化学反应相互作用、诱导和耦合问题是当今最具挑战的科研领域之一，需要多学科跨尺度开展研究。当前，面向此类工程应用的湍流燃烧基础研究还很薄弱，特别是基于先进的激光光谱诊断和可视化技术的高时空分辨实验以及复杂条件下基础湍流燃烧的现象描述还相对缺乏。. 针对典型工程问题以及为湍流燃烧CFD建模提供验证数据，研制了小尺度典型旋流燃烧器，发展了一系列激光光谱技术对火焰结构以及燃烧流场温度、组分浓度等物理量进行测量，实现高时空分辨多技术联合诊断，建立旋流火焰先进激光光谱诊断实验平台。具体而言，发展了基于结构光照明和分子滤波的瑞利散射测温技术，解决了受限空间内杂散光干扰的问题，提高了二维测温精度；发展了多组分同步PLIF技术，实现了OH和CH2O同步显示，揭示了火焰结构细节，对湍流燃烧有重要意义；发展了OH-PLIF/PIV同步成像技术，同时获得重要界面的火焰形貌和流场结构；改进了CARS系统，自主开发了光谱拟合软件，并开展了标定工作，测温精度4.75%，在某工程标模发动机中得到应用；开展了超光谱TDLAS层析二维重构技术研究，实现了旋流火焰动态特性测试。在此基础上，应用发展的诊断技术以及联合TDLAS层析以及三维化学发光成像等相关手段，研究了旋流火焰燃烧不稳定性、贫燃吹熄以及其他典型现象，特别针对典型火焰结构进行了精细的定量实验研究，对湍流与燃烧耦合机制等进行探索。. 本项目工作主要基于先进的实验技术研发及应用，获得了大量的典型数据，研究了一套定量表征湍流火焰的方法，积累了大量数据，可为国内湍流燃烧机理研究与CFD团队提供基础和校验数据。