论文部分内容阅读
燃烧是剧烈放热的化学反应过程,是人类利用能源的重要方式。为了研发高性能动力设备和解决化石燃料带来的环境污染问题,人们需要深入了解燃烧过程。层流同轴扩散火焰作为一种标准火焰,常用于碳烟生成和燃烧化学的研究。火焰温度和燃烧产物浓度的分布信息是非常重要的研究参数,决定了碳烟的生成、氧化和燃烧反应的速率。在目前的燃烧测量诊断方法中,可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)因其高灵敏度、高稳定性、原位测量无干扰等优点成为火焰温度及组分浓度较佳的测量手段。本文的主要研究内容是通过4.2μm的中红外量子级联激光器,结合Abel逆变换层析方法重建甲烷层流同轴扩散火焰的温度与二氧化碳浓度,并将TDLAS实验结果与CFD仿真及热电偶测温结果进行比较。论文的主要研究工作如下:1、本研究选取了4.2μm附近的二氧化碳在R-branch的bandhead区域的9个跃迁作为测量谱线,该频段的中红外激光对于火焰测量具有以下几个优势:吸收强度大,其他燃烧产物无吸收干扰;高温下温度测量敏感度高;常温环境下空气中的二氧化碳几乎不发生吸收。2、本研究采用傅里叶分析Abel逆变换层析方法提高TDLAS燃烧诊断的空间分辨率。基于Fluent计算流体力学软件仿真出的甲烷同轴层流扩散火焰,利用Beer-Lambert吸收定律和Abel-Chebyshev正向积分算法得到各测量点的吸光度,在无噪声和1%幅值噪声的情况下分别用Onion-Peeling方法和傅里叶分析方法对吸收率、温度和二氧化碳浓度进行重建,验证傅里叶分析方法对噪声的鲁棒性以及应用于轴对称火焰参数重建的准确性。3、本研究搭建了激光燃烧诊断平台,包括同轴扩散火焰炉和4.2μm中红外激光测量光路,并对实验室的标准火焰即层流同轴扩散火焰进行了测量。为了验证本研究所开发测量方法的可靠性,本工作将实验结果同热电偶测温和Fluent仿真结果进行比较。