【摘要】：為了滿足工業(yè)上對高壓環(huán)境中的火焰組分分布研究的需要,以及在工程環(huán)境而非實驗室環(huán)境中仍然可以對加壓火焰組分實施濃度測量的需求,本文應用激光光譜診斷技術的同時結合數(shù)值建模方法,發(fā)展了一種便于工程上應用的測量火焰中組分濃度分布的方法。通過對熒光信號表達式的詳細分析及推導,得出在進行羥基(OH基)濃度測量時,在一定的溫度范圍內,通過選擇合適的激發(fā)波長,保證相近的燃料、壓強、當量比的前提下可以對熒光信號強度表達式進行整理簡化,使得熒光信號強度和我們所關心的OH基濃度滿足正比例關系,進而給出了測量OH基濃度的研究方案。應用平面激光誘導熒光(Planar Laser-Induced fluorescence,簡稱PLIF)技術對各壓強下火焰產生的熒光信號強度進行測量,得出實驗結果,同時結合化學動力學建模,求出標定因子。此標定因子是在穩(wěn)態(tài)條件下求得的,為了充分推廣標定因子的可實用性,使其更廣泛的應用到工程當中,可以把此標定因子用于湍流火焰當中,如點火過程中,通過測得點火過程中的熒光信號強度就可以反演出OH基濃度,其過程簡單便于操作。為了得到濃度測量所需標定火焰的化學動力學模擬計算結果,本文選擇燃燒學領域認可度極高的數(shù)值計算軟件CHEMKIN完成標定火焰的計算,計算時選擇最為完善的GRI-Mech3.0機理。在進行核心計算之前對CHEMKIN計算的結果進行準確性分析,把本文的計算結果與公開發(fā)表的文獻中的計算數(shù)據(jù)進行對比,印證本文計算的可行性與準確性。完成相關計算的同時,選取CH4/air層流預混火焰作為標定火焰,應用平面激光誘導熒光技術對CH4/air預混火焰進行了實驗研究,獲得較高信噪比的OH-PLIF(Planar Laser-Induced fluorescence of Hydroxyl,簡稱OH-PLIF)熒光信號圖像,對圖像進行處理,得到軸向上的熒光信號強度分布,結合CHEMKIN計算得到的結果,通過對熒光信號強度圖像進行處理,求出火焰鋒面處的標定因子。應用標定因子求出實驗所得OH基濃度,并與理論計算結果進行比較,求出二者相似度。最后通過標定常數(shù)反演出OH基濃度分布圖像,與相同工況下已發(fā)表的結果基本一致。
[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.
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.21;O657.3

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