燃烧诊断学 Combustion Diagnostics

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燃燃燃燃燃 燃燃燃燃燃 Combustion Diagnostics Combustion Diagnostics No. 075016 燃 燃 燃燃燃 A205

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燃烧诊断学 Combustion Diagnostics. ( No. 075016 ) 范 玮 航空楼 A205. 燃烧诊断学学习提纲. 一、燃烧诊断学的内容和方法 二、燃烧流场的速度测量 2.1 热线风速仪 2.2 激光多普勒测速 ( LDV---Laser Doppler Velocimetry ) 2.3 粒子影像测速 ( PIV——Particle Image Velocimetry ) 三、燃烧流场的密度与成分测量 3.1 阴影法,纹影法,干涉法 - PowerPoint PPT Presentation

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燃烧诊断学燃烧诊断学Combustion DiagnosticsCombustion Diagnostics

( No. 075016 )范 玮

航空楼 A205

燃烧诊断学学习提纲燃烧诊断学学习提纲一、燃烧诊断学的内容和方法一、燃烧诊断学的内容和方法二、燃烧流场的速度测量二、燃烧流场的速度测量

2.1 2.1 热线风速仪热线风速仪 2.2 2.2 激光多普勒测速激光多普勒测速(( LDV---Laser DopplerLDV---Laser Doppler VelocimetryVelocimetry )) 2.3 2.3 粒子影像测速粒子影像测速(( PIV——Particle ImagePIV——Particle Image

VelocimetryVelocimetry )) 三、燃烧流场的密度与成分测量三、燃烧流场的密度与成分测量

3.1 3.1 阴影法,纹影法,干涉法阴影法,纹影法,干涉法 3.2 3.2 激光诱导荧光激光诱导荧光 LIFLIF (( Laser Induced Laser Induced FluorescenceFluorescence ))

3.3 3.3 相干反斯托克斯喇曼散射光谱相干反斯托克斯喇曼散射光谱 CARSCARS (( Coherent Anti-Stokes Raman-ScatterinCoherent Anti-Stokes Raman-Scatterin

gg SpectroscopySpectroscopy ))

燃烧诊断学学习提纲燃烧诊断学学习提纲四、燃烧流场的温度测量(色温、亮温、辐射温度)四、燃烧流场的温度测量(色温、亮温、辐射温度) 4.1 4.1 热电偶热电偶 4.2 4.2 钠线转换法钠线转换法 4.3 4.3 CARSCARS 4.4 4.4 热成像仪热成像仪五、颗粒测量五、颗粒测量 5.1 5.1 LDVLDV (( Laser Doppler VelocimetryLaser Doppler Velocimetry )) 5.2 5.2 激光全息激光全息 ( Holography )( Holography ) 5.3 5.3 激光多普勒测粒仪激光多普勒测粒仪 PDPAPDPA( Phase Doppler ( Phase Doppler Particle Anemometer )Particle Anemometer ) 5.4 5.4 粒度仪粒度仪

燃烧诊断学学习提纲燃烧诊断学学习提纲

六、其它诊断技术六、其它诊断技术 6.1 6.1 高速摄影高速摄影 6.2 X6.2 X 射线光谱射线光谱 6.3 6.3 激波管测试激波管测试 6.4 6.4 半导体激光吸收诊断技术半导体激光吸收诊断技术

燃烧诊断学参考文献燃烧诊断学参考文献11 .汪亮编著.汪亮编著 . . 燃烧实验诊断学燃烧实验诊断学 . . 国防工业出版社国防工业出版社 , 2, 2005.005.

2. 2. 张平张平 . . 燃烧诊断学燃烧诊断学 . . 兵器工业出版社,兵器工业出版社, 1988. 1988. 3.3. (英)(英) J. M. J. M. 比埃尔 比埃尔 N. A. N. A. 切给尔切给尔 . . 燃烧空气动燃烧空气动

力力 学学 . . 科学出版社,科学出版社, 197919794.4. (德)(德) W. W. 梅尔兹科奇梅尔兹科奇 . . 流动显示流动显示 . . 科学出版社,科学出版社,

1991.1991.5. Experimental Diagnostics in Gas Phase5. Experimental Diagnostics in Gas Phase Combustion Systems (edited by B. T. Zinn). Combustion Systems (edited by B. T. Zinn). 6. Combustion Measurements (edited by Norman6. Combustion Measurements (edited by Norman Chigier), Chigier), 索书号:索书号: TK16TK16 ,, C731.3, 1991C731.3, 1991 (新图书(新图书 馆,北馆,北 44 楼)楼) ..7. 7. 张国威,王兆民编著,激光光谱学原理与技术,北京张国威,王兆民编著,激光光谱学原理与技术,北京 理工大学出版社,理工大学出版社, 19891989 。。

1.1 1.1 概 述概 述燃烧诊断的任务是:燃烧诊断的任务是:采集能反映燃烧系统工作进程的各种信息,主要有采集能反映燃烧系统工作进程的各种信息,主要有 各燃烧反应区的各燃烧反应区的压力、温度、速度、浓度压力、温度、速度、浓度及其及其 随空间与时间的分布随空间与时间的分布 火焰锋面的位置与传播速度火焰锋面的位置与传播速度 火焰结构与反应流场的显示火焰结构与反应流场的显示 粒子尺寸分布粒子尺寸分布 固体燃料燃烧表面与亚表面状况及其化学结构固体燃料燃烧表面与亚表面状况及其化学结构 排放物的温度分布、组分分布与信号特征等。排放物的温度分布、组分分布与信号特征等。

一、燃烧诊断学的内容和方法一、燃烧诊断学的内容和方法

特点:特点:复杂性、多样性复杂性、多样性,使得。。。,使得。。。极其困难极其困难——烃燃——烃燃

料料 ++ 空气:空气: 3030 多种组分和多种组分和 100100 多种基元反应。且多种基元反应。且随燃烧条件不同而异。随燃烧条件不同而异。燃烧——湍流反应流燃烧——湍流反应流,需考虑:,需考虑:湍流本身的传输特性湍流本身的传输特性动力学参数动力学参数湍流对火焰结构的影响湍流对火焰结构的影响湍流漩涡流湍流漩涡流湍流两相流湍流两相流 在各种动力装置中的诊断,如……中工作过在各种动力装置中的诊断,如……中工作过

程的实验诊断则更为复杂。程的实验诊断则更为复杂。

为了弄清楚燃烧室中发生的实际过程,需要发展能为了弄清楚燃烧室中发生的实际过程,需要发展能测定燃烧室中测定燃烧室中速度、压力、温度、化学组分浓度和液雾速度、压力、温度、化学组分浓度和液雾参数等平均量及紊流脉动量参数等平均量及紊流脉动量的先进诊断方法。无论在的先进诊断方法。无论在先进燃烧室的研制中,或是在物理模型的建立与发展中,先进燃烧室的研制中,或是在物理模型的建立与发展中,燃烧诊断技术都起着关键作用。尽管常规的测试技术仍燃烧诊断技术都起着关键作用。尽管常规的测试技术仍需要发展和应用,但各种需要发展和应用,但各种非接触式激光测量技术非接触式激光测量技术乃是先乃是先进燃烧诊断技术的主体。进燃烧诊断技术的主体。 以以多普勒效应为基础的激光风速仪多普勒效应为基础的激光风速仪已成为燃烧室“冷流”已成为燃烧室“冷流”或高温紊流反应流中或高温紊流反应流中时均速度和脉动速度时均速度和脉动速度测量的重要工具。测量的重要工具。燃气温度和各种化学组分浓度的时均量或脉动相关量的分布燃气温度和各种化学组分浓度的时均量或脉动相关量的分布可以靠可以靠激光拉曼散射或激光荧光的技术激光拉曼散射或激光荧光的技术测量。目前,相干测量。目前,相干反斯托克斯反斯托克斯 -- 拉曼散射 拉曼散射 (CARS) (CARS) 技术受到特别重视。 因为技术受到特别重视。 因为它的光线强、信噪比高,可以广泛用于各种燃烧装置。它的光线强、信噪比高,可以广泛用于各种燃烧装置。在原理上,该技术可以检验任何具有拉曼共振特性的化学组在原理上,该技术可以检验任何具有拉曼共振特性的化学组分的浓度。 分的浓度。

液体燃料的液滴尺寸,液滴数分布和速度分布的测量液体燃料的液滴尺寸,液滴数分布和速度分布的测量

在燃烧诊断技术中占有十分重要的位置,目前已出现许多在燃烧诊断技术中占有十分重要的位置,目前已出现许多

新的测量方法。基于激光衍射原理的新的测量方法。基于激光衍射原理的滴径仪(粒度仪)滴径仪(粒度仪)是是

目前应用比较广泛的油珠尺寸的测量仪,但它只限于测量目前应用比较广泛的油珠尺寸的测量仪,但它只限于测量

非蒸发液滴的尺寸分布,只提供线积分数据,难以作空间非蒸发液滴的尺寸分布,只提供线积分数据,难以作空间

点的测量。点的测量。多脉冲激光全息摄影技术多脉冲激光全息摄影技术可以测量三维空间可以测量三维空间

的液滴尺寸和位移分布及液滴速度分布,还可以用来研究的液滴尺寸和位移分布及液滴速度分布,还可以用来研究

两相燃烧过程。 两相燃烧过程。

历史:历史:2020世纪世纪 6060年代年代前前::插入式探针插入式探针——简单、经济、便于使用,但。。。,简单、经济、便于使用,但。。。,限制了精度和应用范围;限制了精度和应用范围;————后后::激光发明激光发明 ++对过程了解(分子水平)对过程了解(分子水平) ++ 光电测试与光电测试与数数据处理的发展与应用——为燃烧诊断开创新局面:据处理的发展与应用——为燃烧诊断开创新局面:光谱法实验诊断技术光谱法实验诊断技术——为反应流提供了——为反应流提供了瞬时瞬时流动流动与热力学性质,并具有必要的与热力学性质,并具有必要的时间和空间分辨率时间和空间分辨率,,速度、温度与组分浓度的速度、温度与组分浓度的同时测量同时测量可直接确定能量可直接确定能量和组分浓度守恒方程的相关项。和组分浓度守恒方程的相关项。

局限:局限:需要光学通路,因为需要光学通路,因为观察窗、背景照明、激观察窗、背景照明、激

光诱导效应和激光杂散散射光诱导效应和激光杂散散射等的干扰有时难以避免。等的干扰有时难以避免。

例如穿过稠密燃烧区——例如穿过稠密燃烧区——强激光强激光——介质受热,诱——介质受热,诱

发发 RamanRaman 散射、光分解和光磁裂效应——精心设计散射、光分解和光磁裂效应——精心设计

光路结构,采用空间滤波,选用合适的激光波长和光路结构,采用空间滤波,选用合适的激光波长和

光路接收系统等。光路接收系统等。

1.2 1.2 实验诊断技术简介实验诊断技术简介表表 1.1 1.1 燃烧实验诊断燃烧实验诊断法法

分类分类 方法或仪器设备名称方法或仪器设备名称 应用举例应用举例

探针法探针法

热电偶温度探针热电偶温度探针无屏蔽式无屏蔽式

测温度测温度吸入式吸入式气动式双声速孔温度探针气动式双声速孔温度探针

气动式速度探针气动式速度探针两孔皮托管两孔皮托管

测速度测速度五孔皮托管五孔皮托管热线风速仪热线风速仪

气体取样探针气体取样探针金属或石英探针金属或石英探针

采集试样采集试样分子束探针分子束探针两相取样探针 两相取样探针

普通摄影普通摄影(摄像)法 (摄像)法

高速摄影(摄像)高速摄影(摄像) 流场与火焰结构显示,流场与火焰结构显示,粒子尺寸与速度测量等 粒子尺寸与速度测量等 电影显微摄影电影显微摄影

表表 1.1 1.1 燃烧实验诊断法燃烧实验诊断法(续)(续)

干涉干涉量度量度法法

干涉法干涉法 测气体密度测气体密度纹影法纹影法 测密度梯度测密度梯度阴影法阴影法 测密度的二阶导数测密度的二阶导数

全息摄影全息摄影

单脉冲激光全息摄影单脉冲激光全息摄影

流场显示,流场显示,燃烧波与激波传播,燃烧波与激波传播,粒子尺寸与速度测量粒子尺寸与速度测量

等等

双(或多)脉冲激光全息摄影双(或多)脉冲激光全息摄影高速实时全息干涉摄影高速实时全息干涉摄影双参考光全息摄影双参考光全息摄影

反射光全息摄影反射光全息摄影

光谱光谱法法

光学发射光学发射与吸收与吸收

辐射计法辐射计法谱线反转法谱线反转法

测气体温度测气体温度辐射吸收法辐射吸收法色温法色温法

分光辐射计法分光辐射计法绝对强度法绝对强度法相对强度法相对强度法

原子谐振吸收光谱法原子谐振吸收光谱法 测组分浓度测组分浓度光散射光散射 见表见表 1.21.2

质谱法质谱法 测组分相对浓度测组分相对浓度

表表 1.1 1.1 燃烧实验诊断法燃烧实验诊断法(续)(续)

电子电子能谱法能谱法

俄歇电子能谱俄歇电子能谱测材料表面的测材料表面的化学成分等化学成分等XX 射线光电子能谱射线光电子能谱

粒子粒子尺寸尺寸分析法分析法

显微镜显微镜光学显微镜光学显微镜

为粒子阻尼与喷管两为粒子阻尼与喷管两相流损失等的相流损失等的数值计算提供数据数值计算提供数据

电子显微镜电子显微镜扫描式扫描式 (SEM)(SEM)

透射式透射式 (TEM)(TEM)

马尔文粒子分析仪马尔文粒子分析仪单粒子计数器单粒子计数器

燃速燃速测量法测量法(( 8.8.11))

稳态燃速稳态燃速稳压式燃速仪稳压式燃速仪

主要用于主要用于固体火箭推进剂固体火箭推进剂

密闭弹密闭弹声发射声发射

非稳态燃速非稳态燃速微波法微波法超声波法超声波法

XX 射线实时荧屏高速动态分析法射线实时荧屏高速动态分析法

燃烧燃烧声导纳声导纳测量法测量法(( 8.8.22 ))

压力耦合响应压力耦合响应TT型燃烧器型燃烧器

主要用于固体火箭主要用于固体火箭发动机不稳定燃烧发动机不稳定燃烧

的实验研究的实验研究

旋转阀旋转阀速度耦合响应速度耦合响应 阻抗管阻抗管

测量发动机响应的调制喉部发动机测量发动机响应的调制喉部发动机

电磁波:电磁波:

电磁波谱电磁波谱1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104

10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 波长 /m

频率 /Hz

宇宙线

Γ射线

χ射线

紫 外

可见光

微 波

无线电

红 外

X 射线光谱 紫外可见光谱 红外光谱 顺磁共振;微波波谱 核磁共振谱内层电子跃迁 外层电子跃迁 分子振动 分子转动;电子自旋; 核自旋内层电子跃迁 外层电子跃迁 分子振动 分子转动;电子自旋; 核自旋

激光器:激光器:

激光具有激光具有单色、相干、定向、高能量密度和线性单色、相干、定向、高能量密度和线性偏振偏振等特性,它在等特性,它在非接触式非接触式燃烧实验诊断中得到了广燃烧实验诊断中得到了广泛的应用。泛的应用。 一般指标有:功率、波长、直径、准直性、一般指标有:功率、波长、直径、准直性、稳定性、偏振性。稳定性、偏振性。具体选择时,还要考虑测量所需具体选择时,还要考虑测量所需的时间与空间分辨力。空间分辨力则与辐射波长有关。的时间与空间分辨力。空间分辨力则与辐射波长有关。一般说,波长越小,分辨力越高。一般说,波长越小,分辨力越高。

分类分类 实例实例 特点特点 用途用途

连续激光器连续激光器氦-氖激光器氦-氖激光器

光束直径小,激光束直径小,激光功率较低光功率较低

稳定的燃烧过程,稳定的燃烧过程,流场诊断,特别是流场诊断,特别是速度测量(速度测量( LDLD

VV ))氩离子(氩离子( ArAr++ ))

泵浦染料激光器泵浦染料激光器 Nd:YAGNd:YAG 激光器激光器 尺寸重量大,不尺寸重量大,不适于现场测量适于现场测量 CARSCARS 、、 LIFLIF

脉冲固态激光器脉冲固态激光器 红宝石激光器红宝石激光器可调谐,产生可可调谐,产生可见与紫外线波段见与紫外线波段的光辐射的光辐射

全息摄影,需要瞬全息摄影,需要瞬时高功率的测量,时高功率的测量,瞬态过程(脉冲持瞬态过程(脉冲持续时间续时间 msms 级)级)

激态激光器激态激光器XeC1XeC1 激态激光器激态激光器 较高的能量和较高的能量和

重复率重复率可代替可代替 Nd:YAGNd:YAG激光器激光器

铜蒸气激光器铜蒸气激光器 几千几千 HzHz 的特征的特征重复率重复率 光屏照明光屏照明

微小型二极管微小型二极管激光器激光器

半导体二极管激光器半导体二极管激光器++ 雪崩光电二极管雪崩光电二极管

小尺寸小尺寸 ,, 低耗能低耗能 ,,高可靠和廉价高可靠和廉价

微型激光测速仪的微型激光测速仪的开发应用开发应用

————微分散射截面( 微分散射截面( 为为立体角)立体角)

ll————接收光学在立体角 内所观测的激光长度;接收光学在立体角 内所观测的激光长度;

以往因受信号强度和监测仪器灵敏度的限制,激光以往因受信号强度和监测仪器灵敏度的限制,激光诊断技术大多限于空间局部点的测量。现在,强激光诊断技术大多限于空间局部点的测量。现在,强激光散射和微光检测技术的结合使这种技术更多地用于散射和微光检测技术的结合使这种技术更多地用于二维二维场场测量。 测量。

0 ( / )s iI KI l d d n

in /d d 2 / ,cm sr sr

接收的信号强度接收的信号强度 IISS 表示为:表示为:

———— 散射粒子或分子的数密度; 散射粒子或分子的数密度; KK为标定常数。为标定常数。

因此,同样实验条件下散射横截面直接反映了所因此,同样实验条件下散射横截面直接反映了所接收信号的强弱。通常,接收信号的强弱。通常,浓度信息与散射强度浓度信息与散射强度有关;有关;温度则取决于谱分布温度则取决于谱分布,即,即强度随频率变化强度随频率变化。 。

燃烧燃烧温度温度与与组分浓度组分浓度测量——测量——光散射法:光散射法:

表 1.2 光散射测量法

d s ov v 7 13

/

10 ~10

d d

d s ov v

分 分 类类 名 称名 称

特 点特 点应 用应 用散射散射

介质介质散射光散射光

频率频率微分微分

横截面横截面

一阶一阶弹性弹性散射散射过程过程

米氏散射米氏散射LDVLDV 和和 PDPAPDPA 的基本的基本效效应,测瞬时速度、应,测瞬时速度、密度和混合物分数密度和混合物分数

瑞利散射瑞利散射 1010-27-27 总密度测量,等压总密度测量,等压下测量温度下测量温度

表 1.2 光散射测量法(续)

d R ov v v 30 3110 ~10

190nm F ov v 19 2410 ~10

分子分子

一阶一阶非弹性非弹性散射过程散射过程(( 有频移有频移

))

自发拉曼自发拉曼散射散射 (( 入射入射光任意频光任意频率率 ))

测量测量 COCO22 、、 OO22 、、 COCO 、、NN22 、、 CHCH44 、、 HH22OO 、、 HH22 等等主要组分质量分数以及主要组分质量分数以及温度温度

激光诱导荧激光诱导荧光(光( LIFLIF ) ) ((入射光须为入射光须为吸收光频率吸收光频率 ))

测量测量 NONO 和和 OHOH 之类之类 1010-6 -6 (ppm)(ppm) 量级的活性组分量级的活性组分

二阶二阶非弹性非弹性散射过程散射过程(( 信号信号强强 ))

相干反斯托相干反斯托克斯拉曼散克斯拉曼散斯(斯( CARCAR

SS ))

测量温度和主要测量温度和主要稳定稳定组组分。与分。与 LRSLRS 和和 SRSSRS 相比,相比,信噪比高。信噪比高。

简并四波混简并四波混合合 (DFWM)(DFWM)

技术技术

监测碰撞跃迁所形成的监测碰撞跃迁所形成的低浓度受激原子及跃迁低浓度受激原子及跃迁组分——微量组分组分——微量组分

受激拉曼散受激拉曼散射(射( SRSSRS ))反向拉曼散反向拉曼散射(射( IRSIRS ))

增强型增强型 RamanRaman 散射,测散射,测量火焰温度量火焰温度

分子分子

速度测量——速度测量—— LDVLDV 和和 PIVPIV 法(激光测量技术):法(激光测量技术):LDV—— 多普勒测速仪,空间点测量多普勒测速仪,空间点测量;常用双光束差动常用双光束差动 多普勒系统,两等强度的激光束聚焦相交形成控制多普勒系统,两等强度的激光束聚焦相交形成控制 体并产生明、暗交替的干涉条纹。运动粒子穿过这体并产生明、暗交替的干涉条纹。运动粒子穿过这 些条纹时,散射光强度的周期性变化产生多普勒波系,些条纹时,散射光强度的周期性变化产生多普勒波系, 所测频率即与信号波束平面上粒子的瞬时速度分量所测频率即与信号波束平面上粒子的瞬时速度分量 成正比。为保证跟随性,示踪粒子必须足够小。若成正比。为保证跟随性,示踪粒子必须足够小。若 用。。。,则用。。。,则 LDVLDV有望实现小型化。有望实现小型化。PIV—— 粒子成像速度场仪,作为粒子成像速度场仪,作为 2D2D 平面速度场测量;平面速度场测量; 通过测量照明屏平面上单个粒子图像的位移,可得到通过测量照明屏平面上单个粒子图像的位移,可得到 燃烧系统二维平面的燃烧系统二维平面的速度场速度场。。激光散斑测速仪(激光散斑测速仪( LSVLSV):和):和 PIVPIV一样,也属全场测速技术。一样,也属全场测速技术。 它是利用流体中粒子散射光产生的远场散斑谱的它是利用流体中粒子散射光产生的远场散斑谱的 运动来导出粒子速度,因要求高密度的散射率,运动来导出粒子速度,因要求高密度的散射率, LSVLSV在燃烧流中的应用有限。在燃烧流中的应用有限。

粒度测量粒度测量:: 凝聚相粒子的速度、尺寸、数密度、质量流量及轨迹等凝聚相粒子的速度、尺寸、数密度、质量流量及轨迹等信息对预估燃烧效率与喷管效率以及控制污染等起着十分信息对预估燃烧效率与喷管效率以及控制污染等起着十分重要的作用。测量粒子尺寸的重要的作用。测量粒子尺寸的非接触光学法非接触光学法可分为以下可分为以下 33类:类:⑴⑴成像法—成像法—用摄影或摄像(包括用摄影或摄像(包括全息摄影全息摄影)并借助短时间)并借助短时间 脉冲“冻结”两相流图像,可测量大于 脉冲“冻结”两相流图像,可测量大于 的粒子尺寸。的粒子尺寸。5 m

此外,根据粒子尺寸范围的不同,还可以选择不同此外,根据粒子尺寸范围的不同,还可以选择不同类型的显微镜来配合测量,如光学显微镜(类型的显微镜来配合测量,如光学显微镜( OMOM )或扫描)或扫描电子显微镜(电子显微镜( SEMSEM )和透射电子显微镜()和透射电子显微镜( TEMTEM )。通常认)。通常认为,为, OMOM 和和 TEMTEM 的组合,可分析燃烧诊断领域所感兴趣的全的组合,可分析燃烧诊断领域所感兴趣的全部粒子尺寸。 部粒子尺寸。

⑵ ⑵ 积分法—积分法—例如常见的马尔文(例如常见的马尔文( MalvernMalvern )粒子分析仪所用)粒子分析仪所用 的夫琅禾费(的夫琅禾费( FraunhoferFraunhofer ))衍射谱衍射谱法,考察粒子法,考察粒子 分布和散射光强度空间分布间的关系。测量范围分布和散射光强度空间分布间的关系。测量范围 约为 约为 ,,这时激光扩束后照射被测的这时激光扩束后照射被测的 粒子场并被接收透镜接收。检测屏则位于透镜粒子场并被接收透镜接收。检测屏则位于透镜 的焦面处。因而非衍射光聚焦在中心点上,衍的焦面处。因而非衍射光聚焦在中心点上,衍 射光则在该点周围形成环形谱(粒子运动并射光则在该点周围形成环形谱(粒子运动并 不引起衍射谱运动)。不同环的光强度提供了不引起衍射谱运动)。不同环的光强度提供了 粒子尺寸信息。一般,检测器标定误差和透镜粒子尺寸信息。一般,检测器标定误差和透镜 效应等可导致效应等可导致 15%15%的偏差。的偏差。

1 ~1800m m

。 。

⑶⑶单粒子计数器法—单粒子计数器法—给定时间内分析穿过一定测量容积给定时间内分析穿过一定测量容积的单个粒子。这时,尺寸分布与粒子浓度关系很大。的单个粒子。这时,尺寸分布与粒子浓度关系很大。具体测量时可找出粒子尺寸与下述某一参数间的依从关系具体测量时可找出粒子尺寸与下述某一参数间的依从关系 ,,如①白光源如①白光源 9090°° 散射光强度,主要用于散射光强度,主要用于测量直径测量直径以下浓度直到以下浓度直到 105cm-3105cm-3 的气悬液粒子;②双色激光信号强度,的气悬液粒子;②双色激光信号强度,测量范围 测量范围 ;③空间不同位置散射光强度比,;③空间不同位置散射光强度比,适于 的小尺寸粒子等。这些技术易于实现,适于 的小尺寸粒子等。这些技术易于实现,并可用来测量并可用来测量非球形粒子的尺寸,例如分析粉煤焰等。非球形粒子的尺寸,例如分析粉煤焰等。

10 m

0.2 ~ 200m m 4 m

对球形粒子,为求得尺寸信息,可由空间不同对球形粒子,为求得尺寸信息,可由空间不同点的两个检测器分别测量同一粒子的相位差,此即点的两个检测器分别测量同一粒子的相位差,此即所谓所谓相位多普勒粒子分析仪(相位多普勒粒子分析仪( PDPAPDPA ))。它可。它可同时同时测量粒子速度与尺寸分布,且对轨迹含糊性和流动测量粒子速度与尺寸分布,且对轨迹含糊性和流动浑浊性不很敏感,因此日益受到研究人员的重视。浑浊性不很敏感,因此日益受到研究人员的重视。用用 33个光电检测器可进一步避免含糊性并拓宽尺寸个光电检测器可进一步避免含糊性并拓宽尺寸测量范围。测量范围。 PDPAPDPA 还可延伸来测量浓度与质量流量。 还可延伸来测量浓度与质量流量。

流场显示技术流场显示技术::

包括包括直接摄像(或摄影)以及干涉、纹影、阴影或激光全直接摄像(或摄影)以及干涉、纹影、阴影或激光全息息等。纹、阴影技术易显示温度与密度一、二阶导数的分布谱。等。纹、阴影技术易显示温度与密度一、二阶导数的分布谱。近来用高速激光纹影可分析气缸内不稳定旋涡焰。而彩色纹影近来用高速激光纹影可分析气缸内不稳定旋涡焰。而彩色纹影提供了必要的梯度响应灵敏度,同时可检测周围气体中流体的提供了必要的梯度响应灵敏度,同时可检测周围气体中流体的运动。全息摄影主要用于运动。全息摄影主要用于火焰结构显示火焰结构显示,记录火焰形成与传播,,记录火焰形成与传播,测定粒子尺寸与速度等。测定粒子尺寸与速度等。

为提高复杂三维反应流中光谱的分辨率,拓宽流为提高复杂三维反应流中光谱的分辨率,拓宽流场显示技术的应用范围,可采用场显示技术的应用范围,可采用光屏照明技术光屏照明技术。为此。为此利用柱面透镜,圆柱形反射镜或放置镜来扩展光束。利用柱面透镜,圆柱形反射镜或放置镜来扩展光束。常用铜蒸气之类脉冲激光器,并用多通道元件以在所常用铜蒸气之类脉冲激光器,并用多通道元件以在所测过程的特征时间内提供足够信号。信号光被垂直收测过程的特征时间内提供足够信号。信号光被垂直收集,借助透镜与滤光镜的组合,聚焦到二维检测器上集,借助透镜与滤光镜的组合,聚焦到二维检测器上(光电二极管,光导摄像管,(光电二极管,光导摄像管, CCDCCD 等),摄像机与脉等),摄像机与脉冲激光器同步。冲激光器同步。 与单点法相比,这种与单点法相比,这种二维测量二维测量通过平面成像可提通过平面成像可提供有时间分辨力的空间相关性、特征长度、旋涡和火供有时间分辨力的空间相关性、特征长度、旋涡和火焰等额外的信息,在燃烧实验诊断中占有越来越重要焰等额外的信息,在燃烧实验诊断中占有越来越重要的位置。的位置。

二、探针法测量(接触式测量)概述二、探针法测量(接触式测量)概述

探针法探针法

热电偶温度探针热电偶温度探针无屏蔽式无屏蔽式

测温度测温度吸入式吸入式

气动式双声速孔温度探针气动式双声速孔温度探针

气动式速度探针气动式速度探针两孔皮托管两孔皮托管

测速度测速度五孔皮托管五孔皮托管

热线风速仪热线风速仪

气体取样探针气体取样探针金属或石英探针金属或石英探针

采集试样采集试样分子束探针分子束探针

两相取样探针两相取样探针

1.1.温度探针温度探针:: (热电偶)(热电偶)

有时,热电偶表面包覆有氧化硅或铍有时,热电偶表面包覆有氧化硅或铍 // 钇氧化物,钇氧化物,以消除催化效应所致的温度测量误差。若测量环境比以消除催化效应所致的温度测量误差。若测量环境比较恶劣,则可选用较恶劣,则可选用吸入式热电偶吸入式热电偶探针(见图探针(见图 9.29.2 )。)。这时,热电偶接点周围装有屏弊装置并带冷却通道。这时,热电偶接点周围装有屏弊装置并带冷却通道。但因尺寸增加,对但因尺寸增加,对流场的扰动增大流场的扰动增大。 。

* *1 1 1 1 1 2 2 2 2 2/ /T D T T D TP A C F T P A C F T

高速流中,可应用气动式双声速孔温度探针。高速流中,可应用气动式双声速孔温度探针。因基于下述气体动力学方程因基于下述气体动力学方程

2. 2. 速度探针速度探针::

皮托管又称风速管,是一种专门设计的皮托管又称风速管,是一种专门设计的测压探针测压探针。把它放在。把它放在流场内可流场内可同时测量同时测量出流体在该点处的出流体在该点处的总压和静压或两者之差总压和静压或两者之差。。根据伯努利方程,可用下式求出流体在该点处的流速公式:根据伯努利方程,可用下式求出流体在该点处的流速公式:

式中, 为测点处流体的密度,式中, 为测点处流体的密度, p0p0 和和 pp为测点处流体的总压和为测点处流体的总压和静压, 为考虑到探针类型和气流可压缩性的修正系数。静压, 为考虑到探针类型和气流可压缩性的修正系数。

皮托管测速皮托管测速

0)2( pp

2. 2. 速度探针速度探针::皮托管测速皮托管测速

热线风速仪测速热线风速仪测速

有较高的频响和灵敏度,可测有较高的频响和灵敏度,可测高湍流高湍流气流的平均速度和瞬气流的平均速度和瞬时脉动速度(低于时脉动速度(低于 500kHz500kHz)。)。工作原理工作原理是:将一个热线探针是:将一个热线探针头置于待测流场中,头置于待测流场中,很细的铂金属丝很细的铂金属丝的轴线垂直于流动方向,的轴线垂直于流动方向,气流速度的变化会改变热线被冷却的速率,因而可利用气流速度的变化会改变热线被冷却的速率,因而可利用热线的热线的瞬时热量损失来度量流场内该点的瞬时速度瞬时热量损失来度量流场内该点的瞬时速度。。

热线风速仪测速热线风速仪测速

热线探针的敏感元件是一根直径很小的金属丝(例如直径为热线探针的敏感元件是一根直径很小的金属丝(例如直径为 3.3.8—508—50微米,长度为微米,长度为 1—2mm1—2mm 的铂丝、镀铂钨丝或铂铱合金丝)。的铂丝、镀铂钨丝或铂铱合金丝)。它由电流加热,其温度高于周围流体介质的温度,通常是在它由电流加热,其温度高于周围流体介质的温度,通常是在强迫强迫对流散热对流散热状态下工作。测量散热损失有状态下工作。测量散热损失有等温度(等电阻)法和等等温度(等电阻)法和等电流法电流法两种。前者是使金属丝的温度保持不变,此时所需的加热两种。前者是使金属丝的温度保持不变,此时所需的加热电流反映了气流的速度;后者则是使加热电流保持不变,而热线电流反映了气流的速度;后者则是使加热电流保持不变,而热线电阻的变化反映出气流速度的变化。目前电阻的变化反映出气流速度的变化。目前等温度法的风速仪用的等温度法的风速仪用的比较广泛比较广泛,因为它可以测量高频速度脉动而不需复杂的补偿电路,,因为它可以测量高频速度脉动而不需复杂的补偿电路,操作简单,工作可靠,使用寿命较长。操作简单,工作可靠,使用寿命较长。

由于热线探针的金属丝十分脆弱,它只能在由于热线探针的金属丝十分脆弱,它只能在清洁清洁的空的空气和其它气体中应用。对于液体和非清洁气体的速度气和其它气体中应用。对于液体和非清洁气体的速度测量,宜采用测量,宜采用热膜探针热膜探针,它比热线要耐用得多,热膜,它比热线要耐用得多,热膜探针的敏感元件是一片高纯度的铂膜,在测量气体流探针的敏感元件是一片高纯度的铂膜,在测量气体流速时,在铂膜的外面覆盖一薄层致密石英,以提高绝速时,在铂膜的外面覆盖一薄层致密石英,以提高绝缘性能。缘性能。

热线或热膜探针的几何尺寸各不相同,因此在使用前热线或热膜探针的几何尺寸各不相同,因此在使用前必须对每台待用的必须对每台待用的热线或热膜风速仪进行单独标定热线或热膜风速仪进行单独标定,,但动态标定又不易做得准确,这是采用热线或热膜风但动态标定又不易做得准确,这是采用热线或热膜风速仪测速的一个主要缺点。速仪测速的一个主要缺点。

• 超声波法测燃速的基本原理是利用超声波测厚原理在不同时刻测试未燃推进剂药柱的长度。

• 固体推进剂燃速的超声波测试方法是通过连续测量超声波脉冲在推进剂中的往返时间,确定推进剂燃烧端面的位移,从而得到推进剂的燃速。

3. 3. 取样探针取样探针:: 有有气体取样气体取样与与气液两相取样气液两相取样之分。以气体取样之分。以气体取样为例,可应用为例,可应用金属或石英探针金属或石英探针。但要注意,在有大。但要注意,在有大密度梯度的反应流或组分相对分子质量很不相同的密度梯度的反应流或组分相对分子质量很不相同的

流动中,务必采用流动中,务必采用等动力取样等动力取样,即,即探针进口取样速度探针进口取样速度要与局部流速相匹配,也即探针壁静压应与局部自由要与局部流速相匹配,也即探针壁静压应与局部自由流静压相匹配流静压相匹配。。

为得到有代表性的取样,为得到有代表性的取样,抑制化学反应颇为重要抑制化学反应颇为重要。。常用常用两种抑制方法两种抑制方法::①①大幅度降低温度大幅度降低温度,以减小因后续化学反应以及蒸发,以减小因后续化学反应以及蒸发或脱挥发分而致的误差。通常应用或脱挥发分而致的误差。通常应用对流冷却对流冷却,如等动力,如等动力气体取样探针(见图气体取样探针(见图 9.79.7 )。此外,也可用气动冷却式)。此外,也可用气动冷却式气体取样探针(见图气体取样探针(见图 9.89.8 )。显然,这时就不可能应用)。显然,这时就不可能应用等动力取样。等动力取样。

②②降低探针表面的催化活性降低探针表面的催化活性,例如可用石英探,例如可用石英探针。不过,正因石英材料的催化活性低,与同样针。不过,正因石英材料的催化活性低,与同样设计的金属探针相比,石英探针中原子的复合速设计的金属探针相比,石英探针中原子的复合速度来得慢。这时,探针内的自由基可能与稳定组度来得慢。这时,探针内的自由基可能与稳定组分发生反应,引起错误的浓度测量。另一方面,分发生反应,引起错误的浓度测量。另一方面,即使采用冷却的金属探针,也不能忽略催化反应即使采用冷却的金属探针,也不能忽略催化反应的影响。 的影响。

4. 4. 探针测量误差探针测量误差::⑴ ⑴ 探针所致的探针所致的流场扰动流场扰动,包括:①,包括:①流体动力学扰动流体动力学扰动(影响静压分布与流谱,还可能产生探针激波);(影响静压分布与流谱,还可能产生探针激波);②②热扰动热扰动(引起热沉效应或辐射与传导换热);(引起热沉效应或辐射与传导换热);③③化学动力学扰动化学动力学扰动(探针壁面对化学反应的催化或抑制)。(探针壁面对化学反应的催化或抑制)。⑵ ⑵ 探针对紊流脉动的探针对紊流脉动的非线性响应非线性响应:流动中,不论速度、:流动中,不论速度、温度、压力或组分浓度的脉动都会影响所测平均值的温度、压力或组分浓度的脉动都会影响所测平均值的精度。例如,宽广范围内对流动角不敏感的总压探针,精度。例如,宽广范围内对流动角不敏感的总压探针,测得的平均总压会混有速度脉动的影响,进而影响平测得的平均总压会混有速度脉动的影响,进而影响平均均压力。压力。⑶ ⑶ 各类各类探针特有的误差探针特有的误差,例如双声速孔温度探针,,例如双声速孔温度探针,主要是测量条件(气体成分、温度与雷诺数)同标定主要是测量条件(气体成分、温度与雷诺数)同标定条件的偏差以及声速孔面积的变化。条件的偏差以及声速孔面积的变化。

应注意三点:应注意三点:①①要求等动力取样;要求等动力取样;②②取出的混气试样迅速冷却;取出的混气试样迅速冷却;③③不同相态的组分要能精确地分离。不同相态的组分要能精确地分离。 而在环流区、旋涡流与紊流燃烧区,尽量减小探针的扰而在环流区、旋涡流与紊流燃烧区,尽量减小探针的扰动作用尤为重要。 动作用尤为重要。

使用表明,以取样探针为例,对较小尺寸的使用表明,以取样探针为例,对较小尺寸的层层流焰,不冷却的气动式石英探针流焰,不冷却的气动式石英探针为佳。而在含有粒子为佳。而在含有粒子的火焰中,则宜用的火焰中,则宜用冷却的等动力探针冷却的等动力探针。至于误差,。至于误差,特定条件下,温度的探针测量可在其时间平均值特定条件下,温度的探针测量可在其时间平均值 5%5%左左右,而流速及主要组分的质量分数则可在其法夫利平右,而流速及主要组分的质量分数则可在其法夫利平均值的均值的 10%10% 之内。但对之内。但对 NOXNOX 的测量,由于它们对取样与的测量,由于它们对取样与分析技术极其敏感,目前只能作到定性测量。分析技术极其敏感,目前只能作到定性测量。 总之,在总之,在尽可能接近实际燃烧的条件下仔细标定尽可能接近实际燃烧的条件下仔细标定探针探针,是可靠测量火焰结构的先决条件。 ,是可靠测量火焰结构的先决条件。

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