航空发动机燃烧室三维光学测量

Three-dimensional（3D） measurement technique can overcome the disadvantages and uncertainty of traditional 1D or 2D technique on the highly turbulent flow measurements. 3D technique is able to obtain key 3D properties (i.e., 3D volume, surface area, flame surface density and turbulent wrinkle curvature) of combustion processes occurred in the restricted space with extreme conditions. 3D measurements with high time and space resolution can deeply reveal the mechanism of the interaction between combustion and turbulent flow on the small scale, which is of significance to the design of the new concepts aero-engine combustor. This project aims to perform the 3D measurements with high accuracy and high time space resolution on the realistic combustor based on the combination of the computed tomography technique，the ray-tracing model and the fiber based endoscopes. The goal of this project is two-fold. First, this project is aiming to provide abundant thermodynamic data to address the main issues in the design of the aero-engine combustor，including the issues of the ignition，extinction and flame instability. Second，this project tries to establish a standard 3D measurement approach under the context of aero-engine combustor diagnostics based on the computed tomography technique and ray-tracing model.

三维测量技术可以克服传统一维或二维测量技术对于高湍流度流体测量过程中的缺陷与误差，获得受限空间内极端条件下点火过程与稳定燃烧过程的重要三维参数，如火焰面体积、表面积、火焰面密度、褶皱曲率等。高时空分辨率的三维测量可以深入地了解小尺度燃烧与湍流作用机理，对于航空发动机先进概念燃烧室的设计非常重要。本项目拟以计算机层析技术为基础，以光线追踪算法构建物理模型，并结合多通道光纤束，对航空发动机燃烧室开展高精度高时空分辨率的三维测量研究，一方面面向国家空天发动机技术发展的重大需求，为航空发动机燃烧室设计过程中遇到的湍流燃烧机理问题（引起的点火、熄火机制不明，燃烧不稳定性等问题）提供丰富的热力学和动力学数据，另一方面紧跟国际燃烧学科领域研究趋势，探索以光线追踪算法和计算机层析技术为基础、以发动机燃烧特性（如点火延迟时间、火焰传播速度和喷嘴出口温度分布）为验证标尺的三维燃烧诊断技术的构建、优化和验证。

航空发动机燃烧室伴随着高速、复杂的旋流场，产生的湍流火焰在空间尺度具有复杂的三维结构，在时间尺度是高速演变的，传统的一维或二维测量手段并不能准确地、全面地揭示湍流燃烧的特性与机理，发展高速的、三维的光学测量技术成为航空发动机燃烧诊断领域亟需发展的方向。同时，三维火焰数据的产生对数据分析技术提出新的要求，传统的二维图像处理方法不能适用于三维数据，需要发展新的三维火焰数据分析技术。本项目围绕上述两个问题开展了系统探索，开展了近真实工况的航空发动机燃烧室三维测量，基于三维数据分析了燃烧室火焰振荡特性及点火特性，发展了三种三维火焰数据后处理方法，来实现火焰面振荡特性分析，三维火焰面传播速度获取，以及破碎火焰追踪。. 搭建了适用于航空发动机燃烧室三维测试系统，开发了平行光模型重建算法、角度标定算法、并行重建算法；开展了近真实工况的航空发动机单头部燃烧室三维测量与分析，研究了旋流场对火焰面振荡的影响，揭示不同涡尺度对火焰面全局振荡的影响机制；研究了贫油条件下燃烧室的点火特性，首次揭示了火核在整个点火过程中的运动、生长规律。. 基于三维火焰测量数据，开发了数据后处理算法，包括：湍流火焰流体不稳定性的三维测量与分析技术，通过该技术获得剪切层火焰局部振荡与全局振荡的耦合关系；湍流火焰传播速度三维测量技术，通过该技术获得了三维火焰面瞬时局部传播速度分布，并发现火焰传播速度与曲率之间存在线性关系；湍流场破碎火焰的三维追踪技术，该技术实现了对多个破碎火焰的同时追踪。. 本项目搭建的航空发动机燃烧室三维测量系统，成本较低，并适用于受限恶劣的测量环境，有望在航空发动机研制单位及其他燃气轮机研究所推广使用，基于三维测量系统取得的研究结果，对加深燃烧室点火过程及湍流火焰相互作用过程的理解提供了实验数据和理论支撑，对极端条件下航空发动机的稳定点火方式的设计具有重要的参考价值。