【摘 要】
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随着航天航空发动机技术的不断发展,发动机内燃料的状态也越发的趋向于极富燃状态。燃料的富燃燃烧就会导致大量的碳烟生成,碳烟的生成和积累就会威胁整个发动机的安全、正常工作。本文采取激光诱导炽光法（Laser Induced Incandescence,LII）对甲烷富燃火焰产生碳烟进行测量。因为富燃条件下高浓度的碳烟测量存在强烈的激光散射和背景辐射过强等干扰因素,所以需要确定富燃条件下的LII诊断系统
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随着航天航空发动机技术的不断发展,发动机内燃料的状态也越发的趋向于极富燃状态。燃料的富燃燃烧就会导致大量的碳烟生成,碳烟的生成和积累就会威胁整个发动机的安全、正常工作。本文采取激光诱导炽光法（Laser Induced Incandescence,LII）对甲烷富燃火焰产生碳烟进行测量。因为富燃条件下高浓度的碳烟测量存在强烈的激光散射和背景辐射过强等干扰因素,所以需要确定富燃条件下的LII诊断系统的最佳参数,且目前国内外已有报道的LII诊断研究,燃料主要集中在乙烯、乙炔、煤油和生物柴油等,对于甲烷富燃燃烧产生的碳烟测量鲜有报道,于是本文开展甲烷富燃火焰LII测量方法研究,确定了诊断系统的最佳参数,并在一台同轴燃烧器上应用双色LII方法测量得到了甲烷富燃火焰碳烟加热后温度和相对体积分数的分布特性,具体开展工作如下:首先本文根据碳烟颗粒热平衡物理模型和质量守恒物理模型推导炽光信号和碳烟各个物理过程的关系,分析了LII测量碳烟浓度和温度的关系,为后续诊断系统参数优化和实验研究提供理论指导。完成理论分析后,构建LII诊断系统,以标准层流扩散燃烧器产生的甲烷富燃火焰为研究对象开展实验,研究确定了诊断系统的探测门宽和激光能量密度等关键参数,得到的激发能量密度为0.1J/cm~2-0.2J/cm~2@532nm、探测器门宽为200ns,参数确定后诊断系统所获得的炽光信号图像信噪比最高为15.09、最低为10.17。诊断系统参数优化后,利用一台燃料当量比高于3.0的同轴燃烧器产生甲烷富燃火焰,由双色LII（中心波长为420nm和600nm）获得两个不同波段下的LII信号,并根据炽光信号计算出不同甲烷流量下的碳烟颗粒温度分布情况,结果表明四种甲烷流量下初始时刻（t=0）碳烟颗粒最高温度为4225K,最低温度为3631K,同时也获得了探测时间内碳烟颗粒的温度变化信息。然后利用碳烟颗粒的温度特性进一步获得了相对体积分数分布特性。本文确定了富燃条件下LII诊断系统的参数,获得的LII信号图像信噪比较高,为后续碳氢燃料富燃燃烧的碳烟温度和浓度分布特性测量奠定了基础。
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