热协流助燃射流火焰中预混和非预混无焰燃烧机理的激光光谱学研究

High thermal efficiency, low NOx emission as well as other merits make flameless combustion one of the most promising combustion techniques in the future. At present, no general criterion has been proposed to characterize the flameless combustion regime. In this proposal, we would like to adopt various laser/optical spectroscopy techniques to perform in situ and non-intrusive diagnostics of flameless combustion, and from the point view of spectroscopy to give flameless combustion regime a more systematic, clearer and more general characteristic criterion. Premixed and non-premixed flameless combustion will be realized on a jet-in-hot-coflow type burner. Visualization of the reaction zone of the flameless combustion will be achieved by planar laser-induced fluorescence (PLIF) and two-line atomic indium fluorescence thermometry. NO emission will be measured by laser saturated fluorescence technique. Emission spectroscopy will also be applied to monitor the flameless combustion, targeting reaction zone. In this application we propose for the first time: 1) using CH PLIF to study the characteristic criterion of flameless combustion regime; 2) using high spatial resolution PLIF and thermometry techniques to study the structure of the reaction zone of flameless combustion; 3) to study the influence of the mixing state of the reactants on flameless combustion. Besides, the experimental data will be used to validate the flameless combustion model.

无焰燃烧具有高燃烧效率和低NOx排放等一系列优点，是最有前景的燃烧技术之一。目前，对于无焰燃烧模态尚无一种通用的判定标准，因此本申请拟采用各种激光光谱技术，对于无焰燃烧进行在位、非干扰的诊断，从光谱学的角度，针对无焰燃烧给出一种更系统、更清晰且更具有普适性的判定标准。本项目围绕射流-热协流结构的燃具展开，在其上实现预混和非预混两种无焰燃烧模式，通过发射谱、二维激光诱导荧光（PLIF）、双线铟原子荧光以及饱和激光诱导荧光等技术手段，实现无焰燃烧反应区结构的可视化，并获得发射谱和NO排放等信息。本申请首次提出：1）将CH PLIF应用于无焰燃烧判定标准的研究中；2）采用高空间分辨率PLIF和测温手段研究无焰燃烧的反应区结构；3）研究预混状态对于无焰燃烧判定标准的影响。此外，本项目的实验数据将用于无焰燃烧模型的验证。

湍流燃烧研究的重要实验手段是燃烧结构可视化，并在此基础上获取定量湍流参数，例如湍流燃烧速度和火焰面密度等。Driscoll在文章中建议，新一代模型的标准之一就是对于这些参数能够做出正确的预测。.而国内外所采用的火焰结构可视化技术，最常用的是OH PLIF。但是，在高湍流条件下，OH PLIF具有很大的局限性。为了更好实现火焰结构可视化，我们找到了另外两种重要的反应火焰结构的中间产物——CH3和原子氢，并针对这两种组分开发新的可视化技术。.CH3是碳氢燃料燃烧过程中最重要的中间产物之一。但是，CH3的电子能级激发态不具备束缚性势井结构，对其进行电子态激发会造成光解，因此无法采用传统的激光诱导荧光技术测量。为此，我们找到了CH3的一条双光子光解-荧光发射路径，针对性的开发了激光光解-诱导荧光技术，成功的实现了CH3的探测。同时，我们综合考虑可实现的激光能量密度以及吸收截面，找到了一个高效的激发策略，从而在国际上首次实现了具有高空间分辨的燃烧中间产物CH3成像测量。.原子氢同样是氢气和碳氢燃料燃烧过程中的重要中间产物，在火焰点火、传播、熄灭甚至炭黑生成过程中都起到至关重要的作用。原子氢的电子能级间隔较大，需要采用多光子激光诱导荧光技术进行测量。传统方法采用深紫外纳秒激光，通过双光子实现原子氢的激发。这需要强的激光功率密度，加上激发光处在深紫外，因此，原子氢的探测受到光解的严重干扰。我们提出了飞秒双色三光子激发策略，从原理上彻底消除了其中一个主要光解通道；另外，针对另一光解通道，我们提出了一种简单的光解干扰评估和排除方法。最后，我们首次从光谱技术出发，实现了火焰中原子氢的无光解干扰成像测量。.这两种原创性燃烧诊断技术的开发，为燃烧研究特别是湍流燃烧的研究，提供了新的手段，扩展了实验可测量的范围，可以为CFD提供更多的验证数据，并为我国自主研发汽车和航空发动机提供了新的诊断工具。 .本项目已发表（接收）SCI论文4篇，培养硕士研究生2名，完成任务书的既定目标。