基于PLIF的加压预混火焰OH基浓度测量方法研究

发布时间：2018-10-11 15:10

【摘要】：为了满足工业上对高压环境中的火焰组分分布研究的需要,以及在工程环境而非实验室环境中仍然可以对加压火焰组分实施浓度测量的需求,本文应用激光光谱诊断技术的同时结合数值建模方法,发展了一种便于工程上应用的测量火焰中组分浓度分布的方法。通过对荧光信号表达式的详细分析及推导,得出在进行羟基(OH基)浓度测量时,在一定的温度范围内,通过选择合适的激发波长,保证相近的燃料、压强、当量比的前提下可以对荧光信号强度表达式进行整理简化,使得荧光信号强度和我们所关心的OH基浓度满足正比例关系,进而给出了测量OH基浓度的研究方案。应用平面激光诱导荧光(Planar Laser-Induced fluorescence,简称PLIF)技术对各压强下火焰产生的荧光信号强度进行测量,得出实验结果,同时结合化学动力学建模,求出标定因子。此标定因子是在稳态条件下求得的,为了充分推广标定因子的可实用性,使其更广泛的应用到工程当中,可以把此标定因子用于湍流火焰当中,如点火过程中,通过测得点火过程中的荧光信号强度就可以反演出OH基浓度,其过程简单便于操作。为了得到浓度测量所需标定火焰的化学动力学模拟计算结果,本文选择燃烧学领域认可度极高的数值计算软件CHEMKIN完成标定火焰的计算,计算时选择最为完善的GRI-Mech3.0机理。在进行核心计算之前对CHEMKIN计算的结果进行准确性分析,把本文的计算结果与公开发表的文献中的计算数据进行对比,印证本文计算的可行性与准确性。完成相关计算的同时,选取CH4/air层流预混火焰作为标定火焰,应用平面激光诱导荧光技术对CH4/air预混火焰进行了实验研究,获得较高信噪比的OH-PLIF(Planar Laser-Induced fluorescence of Hydroxyl,简称OH-PLIF)荧光信号图像,对图像进行处理,得到轴向上的荧光信号强度分布,结合CHEMKIN计算得到的结果,通过对荧光信号强度图像进行处理,求出火焰锋面处的标定因子。应用标定因子求出实验所得OH基浓度,并与理论计算结果进行比较,求出二者相似度。最后通过标定常数反演出OH基浓度分布图像,与相同工况下已发表的结果基本一致。
[Abstract]:In order to meet the needs of industrial research on the distribution of flame components in high pressure environment and the need to carry out concentration measurement of pressurized flame components in engineering environment rather than in laboratory environment, In this paper, a method for measuring the distribution of component concentration in flame is developed with the help of laser spectrum diagnosis technique and numerical modeling method. Through the detailed analysis and derivation of the expression of fluorescence signal, it is concluded that in the measurement of the concentration of hydroxyl group (OH), in a certain temperature range, by selecting the appropriate excitation wavelength, the similar fuel and pressure can be guaranteed. On the premise of equivalent ratio, the expression of fluorescence signal intensity can be simplified, which makes the intensity of fluorescence signal satisfy the positive proportional relationship with the OH base concentration that we are concerned about, and then the research scheme of measuring OH base concentration is given. Planar laser-induced fluorescence (Planar Laser-Induced fluorescence,) technique was used to measure the intensity of fluorescence signal produced by flame at various pressures. The experimental results were obtained and the calibration factor was obtained by combining the chemical kinetic modeling. In order to extend the practicability of the calibration factor and make it more widely used in engineering, the calibration factor can be used in turbulent flame, such as in the process of ignition. By measuring the intensity of fluorescence signal during ignition, the concentration of OH can be reversed, and the process is simple and easy to operate. In order to obtain the chemical kinetic simulation results of the calibrated flame for concentration measurement, the most perfect GRI-Mech3.0 mechanism is chosen to calculate the calibrated flame by using the highly recognized numerical calculation software CHEMKIN in the field of combustion science. The accuracy of the CHEMKIN calculation is analyzed before the core calculation is carried out, and the results of this paper are compared with the published data in the literature to confirm the feasibility and accuracy of the calculation. At the same time, the CH4/air laminar premixed flame was selected as the calibration flame, and the planar laser-induced fluorescence technique was used to study the CH4/air premixed flame. The OH-PLIF (Planar Laser-Induced fluorescence of Hydroxyl, OH-PLIF) fluorescence signal image with high SNR was obtained. The intensity distribution of the axial fluorescence signal is obtained by processing the image, and the calibration factor of the flame front is obtained by processing the intensity image of the fluorescence signal combined with the result of CHEMKIN calculation. The calibration factor is used to calculate the concentration of OH base in the experiment, and compared with the theoretical results, the similarity between the two is obtained. Finally, the concentration distribution image of OH is inversely obtained by calibration constant, which is basically consistent with the published results under the same working conditions.
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.21;O657.3

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本文编号：2264516