[发明专利]一种燃烧热释放率测量方法

说明书

本发明涉及一种燃烧热释放率测量方法，用于各类发动机燃烧室或其他领域燃烧装置内中、高频不稳定燃烧的重要参数的实时监测。该方法基于非定常燃烧气体密度脉动信息，实现对燃烧热释放率脉动的间接测量。该方法表述有燃烧反应流动中气体密度脉动和燃烧热释放率脉动之间关系的数学公式。测量装置主要由激光干涉测振仪和光电倍增管组成。激光干涉测振仪产生参照激光和通过火焰的测量激光两道激光光路，光电倍增管用于测量激光光路的光强，由计算公式推得有燃烧反应流动中的气体密度脉动，进而间接测得脉动火焰的热释放率脉动。可以测得较高时间分辨率的脉动火焰的热释放率脉动，该装置成本低、体积小、安装方便。该测量方法适用于各类气体燃烧反应。

技术领域

本发明涉及一种燃烧热释放率测量方法，主要用于各类发动机燃烧室或其他领域燃烧装置内各种燃料氧化剂或推进剂混合模式的非定常燃烧热释放率的测量。

背景技术

在火箭发动机、航空发动机、地面燃气轮机和其它燃烧装置的研制过程中，经常会遇到不稳定燃烧问题(或称为燃烧振荡问题)。在高温、高压及高能量密度条件下，流动、燃烧和声学扰动极易发生耦合，导致燃烧室压力及热释放急剧脉动，造成发动机部件烧蚀甚至爆炸。作为不稳定燃烧能量的主要来源，非定常燃烧热释放率的准确获取是认识不稳定燃烧机理最为重要的环节之一。然而由于火焰对声学扰动的复杂响应机理，例如火焰响应跟局部热力学状态、湍流强度、扰动强度、热力学边界条件、喷嘴出口直径、火焰形状、火焰表面褶皱和拉伸、燃料种类、边界层厚度、火焰张角、旋流火焰旋流数等因素有关，给燃烧热释放率的准确测量带来了很大的困难。

目前用于测量非定常燃烧热释放率脉动的方法主要有化学发光法和激光诱导荧光方法。碳氢火焰燃烧激发的一些中间自由基团(如OH*，CH*和C2*)会短暂停留在火焰表面附近。这些激发态分子在落回基态时，会产生电子，发出相应波长的光。通过测量这些基团的自然发光，就可以定性得到火焰的表面积，从而获得火焰的热释放量，这种方法称为化学发光法，该方法局限于完全预混火焰，对于复杂的湍流预混火焰，必须考虑湍流强度，火焰的拉伸和表面褶皱，局部的燃油空气组分，以及温度和压力对这些基团浓度产生的影响，从而降低了这种测量技术的适用性。此外化学发光法一般得到的是沿光线传播方向上的累积结果，很难得到局部的瞬时信息。激光诱导荧光法将激光调制到中间产物的频率来照射火焰表面。燃烧产生的中间产物(如OH和CH)，在吸收光子能量会从基态跃迁到相应的激发态。这些激发态的分子或原子在一段时间后降级变为基态的时候就会产生光子，发出不同波长的光。如果采用平面激光激发(PLIF)，就可以得到该激光平面上中间产物的浓度，从而获取该平面上火焰表面的信息。该技术同样局限于预混燃烧，由于每束激光脉冲都需要相对较强的能量以及相机采集频率的局限性，该测量技术不适应于连续采集，且一般局限于中、低频测量，且该测量装置价格非常昂贵。因此需要一种新型的适用于其它燃烧混合模式(例如扩散燃烧)的、具有高时间分辨率、操作简单且造价较为低廉的燃烧热释放率脉动的测量方法。

发明内容

针对上述背景描述的目前非定常燃烧热释放率脉动测量技术的不足，本发明提出一种不局限于燃烧混合模式，且具有良好时间分辨率的间接测量方法。不同于传统方法测量燃烧中间产物，本方法基于燃烧的热力学性质，建立了燃烧热释放率脉动和其引起的密度脉动的数学关系，因此可通过测量密度脉动来实现对燃烧热释放率脉动的间接测量。本发明采用激光干涉仪来实现对气体密度脉动测量。激光干涉技术作为一种敏感性很高的光学测量技术，可以实现光路上密度参数的测量，这种技术已被用于测量表面振动和粗糙度、乐器的声场、冷态湍流和湍流燃烧中的密度和密度脉动。本发明通过这种技术实现对燃烧热释放率脉动的间接测量。

本发明采用的技术方案如下：