基于PLIF技术的煤油替代燃料混合比测量实验研究

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煤油是航空航天发动机常用的燃料之一,其作为液体碳氢燃料在发动机工作过程中必须经过喷注、雾化、蒸发、掺混、点火和燃烧过程。其中,混合过程十分重要,煤油/空气(氧气)局部混合比决定了发动机是否能成功点火及高效燃烧。因此,有必要测量发动机燃烧室中的煤油/空气混合比的时空分布,为新型喷注技术的研发提供基础数据,为新型喷注技术的性能考核提供测量手段。本文基于平面激光诱导荧光(PLIF)技术,探究喷射场中煤油替代燃料混合比分布特性的定量测量方法。  煤油中荧光物质主要为1,2,4-三甲基苯、萘、1-甲基萘和1,3-二甲基萘。比较分析了这四种物质的物理和化学特性,由于1,3-二甲基萘的荧光对温度变化不敏感,且其荧光受温度影响有较好的规律性,符合本实验对示踪剂的要求,选择1,3-二甲基萘作为示踪剂。对比常见烷烃与国产煤油的物理化学性质,选取正十一烷作为国产煤油的替代燃料。由1,3-二甲基萘荧光强度表达式出发,分析了其荧光强度的影响因素,结合实验条件,简化了荧光强度表达式,提出了对喷射场中煤油混合比空间分布的定量测量方案。利用煤油蒸发预混系统,实现了替代燃料混合比的定量配比。  探究1,3-二甲基萘荧光信号受温度、燃料混合比等外界因素的影响规律是后续定量测量流场中燃料混合比空间分布的前提。实验测量1,3-二甲基萘的荧光寿命为6.8ns,得到1,3-二甲基萘荧光信号受环境气体、温度和混合比的影响规律,并得到在空气环境下,1,3-二甲基萘荧光信号强度受温度、混合比影响的经验表达式。  在常压下定量测量了加热预混喷射场中燃料的局部混合比分布。对不同温度,不同混合比和不同流场速度的喷射场进行PLIF成像,并根据荧光信号标定实验结果对 PLIF图像进行反演,得到喷射场的混合比分布图像。随着气流速度的增加,喷射场由层流逐渐转变为湍流,喷射场混合比分布逐渐复杂。得到实验结果多次平均测量精度为7.63%,单次测量精度优于14.45%。
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