全息干涉测量扩散火焰的温度和组分浓度

摘要

对燃烧火焰的研究包括理论研究、数值研究及实验研究等，当然很少单一方式的研究，通常是几种方式相互结合，相互验证，相互促进。本文致力于数值模拟研究与实验研究的相互结合，基于数值模拟结果，发展了系统的理论方法；并以此作指导，通过全息干涉实验测量了扩散火焰的温度和组分浓度分布。
　　 激光全息干涉法用于测量火焰温度场、密度场，能实现非插入的场测量，具有很高的时间和空间分辨率。因此，全息干涉法在各个领域得到了非常广泛的应用。本文首先对全息干涉法测量轴对称温度场进行了模拟研究，比较了四种重建算法对单峰及双峰温度场的重建效果。结果表明环带法及Abel变换法对复杂温度场的适应性更好，但受到重建点数及其位置的限制；而曲线拟合法往往受到所采用幂级次的影响，但能给出温度的连续分布，且对单峰温度场重建效果更好。本文对传统等间距划分的环带法进行了改进，将环带划分位置置于两条条纹的中间位置，从而使所得到的线性方程组有唯一解且更易于解。双峰温度场的模拟研究表明，这种改进的方法不仅改善了重建精度与重建效果，而且对温度梯度变化大、条纹密集的地方，重建点亦密集，更能反映温度场的变化趋势。这种对环带法的改进方法，在其它文献中并未被发现。
　　 本文采用数值方法详细模拟了乙烯――空气非预混火焰，其中对速度场采用了交错网格，并使用广泛应用的SIMPLE算法。并使用数值模拟结果考查了现有的多方程模型，结果表明四方程模型较两方程模型更接近实际。本文提出了组分分布的相似原理，并用数值模拟的结果进行了考查，其中分区域法由于避开了化学反应源项，得到了氧气与氮气、燃料与氮气之间吻合很好的相似分布。
　　 本文基于数值模拟的结果，发展了两套系统方案，解决了采用全息干涉法测量火焰温度时，必需知道火焰当地所有组分浓度的困惑。这在国内外尚属首创。通常所采用的空气组分假设对扩散火焰常会带来较大温度误差。Xiao X.等关于甲烷――空气扩散火焰的研究表明，该误差可达34[％]；本文的数值和实验研究发现，对乙烯――空气扩散火焰，该误差可达48.8[％]。而采用这两套系统方案其中之一，使用全息干涉法不仅可以精确测量扩散火焰的温度，消除该误差，而且还可以测量其组分浓度、混合分数等参数。第一套方案的思路是线性的，较为简单。首先发展了一个温度与折射率之间全新的可变的状态关系，从而避开了对组分信息的要求，利用该状态关系能直接从折射率计算温度。该状态关系包括两条相交连的直线，下直线固定，起点于环境空气状态点，且具有略小于-1的斜率，代表火焰面外的分布；上直线变化，但它起点于下直线，结束于或其延长线汇聚于燃料嘴出口燃料状态点，因而可以确定，代表火焰面内的分布。运用该状态关系采用全息干涉实验，测量了乙烯――空气扩散火焰温度，结果表明，由空气组分假设带来的温度误差能从48.8[％]降低到4[％]以下。然后，获得了温度和混合分数之间的归一化状态关系。由此状态关系，从全息干涉测量的温度计算了扩散火焰的混合分数。最后，使用现有的对扩散火焰通用的状态关系，从混合分数获得了主要组分浓度分布。
　　 第二套方案虽然略显复杂、曲折，但能获得更为精确的温度，且能获得G-D常数，且在其发展过程中，得到了线性的G-D常数与混合分数之间的关系。其基本思路是，间接通过中间变量混合分数，与组分相关的G-D常数亦从折射率计算。首先由折射率与混合分数之间断面分布的相似性，得到了扩散火焰中折射率与混合分数之间归一化的状态关系。该状态关系在火焰面内几乎呈线性分布，且略微发散。然后发现了G-D常数与混合分数之间几乎线性的状态关系。本文从物理光学原理出发，通过Lorenz-Lorentz关系式与混合分数定义式，推导了G-D常数与混合分数之间的线性的关系式。该线性关系式的推导并没有扩散火焰的限制，因而它们也适用于其他火焰。这种关系的分析在国内外尚未见报道。由这些发展的状态关系，用全息干涉法测量了扩散火焰的混合分数和G-D常数。最后，用这个计算的G-D常数与测量的折射率计算了温度。结果表明，该系统方法能将空气组分假设带来的温度误差从48.8[％]降低到1.6[％]以下，这个误差是惊人的小。同样，利用通用的状态关系，主要组分的浓度从混合分数计算。