基於化學發光計算斷層成像的超聲速燃燒特徵研究

《基於化學發光計算斷層成像的超聲速燃燒特徵研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由譚建國擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：基於化學發光計算斷層成像的超聲速燃燒特徵研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：譚建國
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

針對超聲速燃燒時空尺度範圍大、三維特徵顯著的特點，本項目提出採用化學發光計算斷層成像（Computed Tomography of Chemiluminescence，CTC）進行研究的思路。在前期已經開展層流火焰CTC研究的基礎上，利用虛擬模型和標準火焰，開展針對化學發光特點的計算斷層成像方法研究；然後通過考察激發態自由基的生成、躍遷和猝滅的影響因素，獲得超聲速條件下的化學發光對燃燒過程的定量表征規律；最後在雙燃燒室衝壓發動機和超燃衝壓發動機直連式試驗中，通過多台ICCD同時拍攝化學發光圖像，重構三維火焰，獲得超聲速燃燒的反應區位置、熱釋放率分布等燃燒特徵。.本項目涉及到重大研究計畫中的激發態定量診斷、超聲速燃燒等關鍵科學問題。本項目並不涉及湍流燃燒的機理機制，但本項目的成果將為湍流燃燒研究提供一種有效的試驗手段，為超聲速燃燒機理研究提供可靠的基礎數據。

結題摘要

近年來，超燃衝壓發動機得到了廣泛研究並取得了突破性進展，但超燃衝壓發動機內部的燃燒流動機理仍未完全明晰。針對超聲速燃燒時空尺度範圍大、三維特徵顯著的特點，本項目提出採用化學發光計算斷層成像（CTC）進行研究的思路。 在前期已經開展層流火焰CTC研究的基礎上，利用虛擬模型和標準火焰，開展針對化學發光特點的計算斷層成像方法研究；通過考察激發態自由基的生成、躍遷和猝滅的影響因素，獲得超聲速條件下的化學發光對燃燒過程的定量表征規律；設計模擬火箭基組合循環發動機燃燒流場的伴燃射流火焰爐，通過多角度同時拍攝化學發光圖像，重構三維火焰，獲得超聲速燃燒的反應區位置、熱釋放率分布等燃燒特徵。 本項目針對燃燒流場的結構特性，對兩種經典重構算法，即ART算法和ASD-POCS算法，進行了最佳化，獲得了一種基於投影殘差最小化的最佳化算法，即PDM算法；改進了之前工作中使用的平行光投影假設，建立了基於粒子輻射傳播特性的新投影模型；利用虛擬模型和穩態二維火焰，驗證了CTC技術在燃燒診斷中的適用性。對比分析標準平面火焰的試驗測量結果與數值模擬結果，建立了包含激發態粒子的化學反應機理；通過分析基元反應放熱、激發態粒子生成途徑，給出了激發態粒子標記放熱率的依據；對比激發態粒子濃度分布和放熱率分布，提出了放熱率標記效果的評價指標，從而確定標記粒子，並建立了化學發光信號與燃燒信息尤其是放熱率之間的定量關係。依據組合循環發動機結構，設計伴燃射流火焰爐，產生高湍流度的高速射流火焰，並使雷諾數在4900和39200之間變化。利用CTC技術和PLIF技術，系統研究了射流流速對火焰結構尤其是放熱區結構的影響規律。