燃料浓度分布激光诊断方法与应用_马洪安.pdf

收稿日期：2023-02-24基金项目：国家自然科学基金（51676132）资助作者简介：马洪安（1980），男，博士，副教授，硕士生导师。通讯作者：曾文（1977），男，博士后，教授，博士生导师。引用格式：马洪安，苗磊，付淑青，等.燃料浓度分布激光诊断方法与应用J.航空发动机，2023，49（3）：36-53.MA Hongan，MIAO Lei，FU Shuqing，et al.Method and application of laser diagnostic of fuel concentration distributionJ.Aeroengine，2023，49（3）：36-53.燃料浓度分布激光诊断方法与应用马洪安，苗磊，付淑青，宫俊波，曾文*（沈阳航空航天大学 航空发动机学院，沈阳 110136）摘要：航空发动机内部燃料浓度分布情况影响其性能，诸如点火性能、燃烧效率、污染物生成和出口温度场等，因此，燃料浓度分布研究十分重要。近年来，基于激光的非接触测量与诊断技术快速发展，平面激光诱导荧光（PLIF）、Raman散射、Rayleigh散射、Mie散射、激光诱导击穿光谱（LIBS）、可调二极管激光吸收光谱（TDLAS）等非接触测量手段已成功应用于燃料浓度分布的诊断研究中。介绍了上述基于激光来诊断燃料浓度分布技术的基本工作原理及研究进展，分析对比了各种测量手段的优缺点，提出了基于单台高能量激光器同时测量多组PLIF组分、基于体激光诱导荧光（VLIF）发展V-Rayleigh散射和V-Mie散射技术等新的测量思路，展望了这几种激光诊断技术在燃料浓度分布研究方面的发展趋势，未来航空发动机内部的燃料浓度测量将会朝着高速瞬时演化过程的3D成像方向发展。关键词：燃烧诊断；激光；燃料浓度分布；航空发动机中图分类号：V231.2文献标识码：Adoi：10.13477/ki.aeroengine.2023.03.006Method and Application of Laser Diagnostic of Fuel Concentration DistributionMA Hong-an，MIAO Lei，FU Shu-qing，GONG Jun-bo，ZENG Wen（School of Aero-engine，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）Abstract：The fuel concentration distribution in an aeroengine combustion chamber affects its performance,such as ignition performance,combustion efficiency,pollutant generation,and outlet temperature field.Therefore,it is very important to study the fuel concentration distribution.In recent years,laser-based non-contact measurement and diagnosis technologies have developed rapidly.Non-contactmeasurement methods such as Planar Laser-Induced Fluorescence(PLIF),Raman scattering,Rayleigh scattering,Mie scattering,Laser-Induced Breakdown Spectroscopy(LIBS),and Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy(TDLAS)have been successfully applied to thediagnosis of fuel concentration distribution.The basic operating principles and research progresses of the above technologies for diagnosingfuel concentration distribution are introduced.The advantages and disadvantages of various measurement methods are analyzed and compared.New ideas about the measurement of fuel concentration are put forward such as the simultaneous PLIF measurement of multiple components by applying a single high-energy laser,and the developments of V-Rayleigh scattering and V-Mie scattering technologies basedon Volumetric Laser-Induced Fluorescence(VLIF).Finally,the outlook of the development trends of these laser diagnostic technologies inthe research of fuel concentration distribution is provided.In the future,the measurement of fuel concentration will be developed towards3D imaging of the high-speed transient evolution process.Key words：combustion diagnosis;laser;fuel concentration distribution;aeroengine第 49 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.49 No.3Jun.2023航空发动机Aeroengine0引言近年来，随着科技水平的不断发展进步，对动力机械要求越来越高，既要降低能源消耗，又要减少有害排放物，还要寻求碳的零排放等，其中航空发动机占了很重要的地位。目前发动机的高效率燃烧和超低污染排放是未来发展的主要趋势，各国提出了严格的标准并制定了长远的规划1-3。其中燃烧室是发动机运行中能源转换的关键部件，要组织稳定和高效地燃烧，需要对燃料的喷射、雾化、混合及燃烧等物理和化学过程有深入和准确地理解。因此，有必要深入了解燃烧室内燃料的供给方式，空气/燃料混合物的局马洪安等：燃料浓度分布激光诊断方法与应用第 3 期部浓度与分布，以对可燃混合气的局部当量比进行准确表征，确定其与燃烧场和流场的相互影响。有助于提高燃烧效率，降低燃烧污染物排放，改善与优化发动机的燃烧性能4-5。目前发动机中的燃烧参数测量方法分为接触式和非接触式，接触式测量多为物理探针法，如热电偶测温、取样耙和热线风速仪测速等6。物理探针法是直接将探测器侵入燃烧流场中，会造成流场、传热、催化、淬灭等多种干扰。以激光为激励光源的非接触式激光测量与诊断技术，测量与诊断能力非常突出，具有高灵敏度、非接触、高时间和空间分辨率等诸多优点。采用非接触式激光测量与诊断技术能够在极其复杂与恶劣的燃烧室内部环境中进行快速测量，而且还能在尽量不干扰原本燃烧过程的基础上获得最准确的数据，在过去的20年间得到了迅猛地发展7-9。本文总结了当前几种基于非接触式激光测量与诊断技术测量燃料浓度分布的方法。论述了几种技术目前的研究进展，提出了新的测量思路，并对其发展趋势进行了展望。1基于平面激光诱导荧光燃料浓度分布测量平面激光诱导荧光（Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF）技术是将调谐好的平面激光打在测量截面上，激光波长被调谐到待测组分的某个吸收线，然后该组分吸收光子能量，达到电子激发态并发出荧光10-12。PLIF原理如图1所示，v 和v”分别表示上下电子态的振动能级。在线性区内，荧光强度与组分浓度成正比，通过获得荧光的强弱，可以判断出组分的相对浓度分布，目前已在燃烧场诊断方面得到广泛应用13。1.1基于示踪分子-PLIF燃料浓度分布测量目前，通过PLIF来对燃料浓度分布进行研究，一种广泛使用的技术是对添加到非荧光基燃料中示踪分子的PLIF信号进行成像14。当示踪分子在试验条件下的光谱行为被很好地表征时，对信号进行定量的解释是可能的。常见示踪分子、煤油的典型激发方案见表1。其中2种最广泛使用的燃料示踪分子是酮类（如丙酮）和芳烃类（如甲苯）15-16。丙酮（CH3COCH3）作为PLIF的示踪分子长时间以来被广泛应用，其优点包括低毒性、低成本、高饱和蒸汽压、吸收和发射光谱范围宽，可实现高浓度播种。丙酮荧光信号可使用高能脉冲紫外激光器进行激发，并允许用低噪声、未增强的CCD相机进行检测。在等温等压流动中，假设荧光产率恒定，则荧光信号与丙酮数密度成正比。丙酮的荧光产率与其他的双原子示踪剂（如OH和NO）不同，丙酮的荧光产率受体系间快速交叉而非碰撞猝灭的限制，使其荧光产率的组成对压力的依赖性较低。最近研究发现丙酮荧光对于温度的依赖性较高，并随着激发波长变化。对于弱激发荧光信号，丙酮的荧光信号计算为Sf(),T=optEhc/dVcnabs()T(),T(),T（1）式中：opt为集合光学器件的整体效率；E为激光通量；hc/为激发波长为的光子的能量，dVc为收集体积；nabs为吸收分子的数量密度，与温度相关；为示踪剂的分子吸收截面；为荧光量子产率。和都受激发波长和温度的影响17。Thurber 等17在 3001000 K 下，用 8 个不同的波长激发丙酮，研究其吸收特征，获得了常压下丙酮荧图1PLIF原理物种丙酮3-戊酮甲苯双乙酰煤油激发波长/nm225320248312248355266激光器系统Lambda Physik EMG150 excimer laser with aKrF MixtureNd：YAG laser Dye laserLambda-Physik Compex102 KrFNd：YAG laser Dye laserLambda-Physik Compex102 KrFNd：YAG laserNd：YAG laserNd：YAG laser检测荧光范围/nm350550330550260360400600260400表1常见示踪分子、煤油的典型激发方案excitation spectrumabsorptionInternal energy/cm-1Internuclear distancerfluorescencerotational energyvibrational energyelectronle energyexcited electronic states0123437航空发动机第 49 卷光的吸收结果，还建立了1个简单的模型，以解释现有的荧光数据，并允许外推到其他条件；Koch等18研究了温度和激发波长对3-戊酮荧光信号的影响，表明3-戊酮荧光信号对308和248 nm激发波长比丙酮荧光信号敏感，由于酮信号对氧几乎不敏感，通常用于确定燃料数密度，而芳香族荧光被氧强烈猝灭，从而提供了跟踪氧浓度的潜力。并且由于甲苯和萘天然存在于汽油或柴油燃料中，利用它们的光物理特性直接记录燃料在燃烧室中的空间分布是特别有价值的；Koran等19研究发现甲苯-PLIF信号不是直接与燃油-空气比成比例；Devillers 等16在 1 个激发波长为248 nm的光学模型发动机中获得了甲苯-PLIF的发射