湍流火焰速率湍流燃燒試驗測試技術

湍流燃燒試驗中需要測試的量一般為:溫度、壓力、燃燒圖像和湍流參數。其中最為重要的就是要進行火焰圖像的測試。目前,隨著光學技術的發(fā)展,非接觸式測量方法得到了廣泛的應用。這也為對燃燒過程的深入測試分析提供了重要手段。一般用于記錄燃燒火焰形態(tài)的非接觸式光學測試方法有:PUF、直接高速攝影。

湍流火焰速率平面激光誘導熒光法

PLIF即平面激光誘導熒光法(Planar-laser Induced Fluorescence)是一種較高靈敏度的濃度測量方法。其原理是當激光光子的能量(以波長人來表征)符合分子某兩個能級之間的能量差距時,受該光子照射的分子就會吸收光子的能量而從基態(tài)躍遷到高能態(tài)。而處于高能態(tài)的分子并不穩(wěn)定,因此在一定時間內高能態(tài)的分子將會通過輻射和非輻射兩種方式釋放能量而返回到基態(tài),在釋放能量的過程中由分子的自發(fā)輻射而產生的光稱為熒光。熒光可以利用光電倍增管接收,熒光強度與熒光物質的濃度成正比例。這一特性是熒光方法運用于定量分析的基礎。

激光誘導熒光法的原理是,原子被激光源諧振激勵成為受激態(tài)。這種狀態(tài)不穩(wěn)定,將向較低能級自發(fā)輻射光子而衰減。這種自發(fā)輻射的光子既為熒光,其存在時間為。激光束聚焦到被測場內,采集光路接受熒光,熒光通過色散器件然后被檢測器轉換為電信號。將激光束擴展成光屏,可把整個平面成像到陣列檢測器上。其測試原理如圖1所示。PLIF技術在燃燒場中可以測量某些活化中心如0H組分等也可用于測速,測濃度、測溫等方面。因為PLIF可提供噴霧和燃燒過程詳細的2D平面信息,測量量級很小的活性組分,故已成為噴霧、燃燒過程組分濃度及火焰結構研究的重要工具。

湍流火焰速率直接高速攝影法

直接高速攝影(攝像)法顧名思義就是利用高速攝影技術將燃燒過程的火焰形態(tài)變化直接拍攝記錄下來,并在拍攝中使用以燃燒火焰為光源。主要用于火焰顯示,燃料凝相燃燒研究以及粒子尺寸與速度測量等。

在實際發(fā)動機的燃燒過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c湍流強度之間的關系并不一定是線性的。湍流強度不高時，火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c湍流強度之間的關系為線性關系。湍流增加到一定的強度時，火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S湍流強度的增加而非線性增加趨勢。如果湍流太強，火焰?zhèn)鞑ニ俾视锌赡軙S湍流的強度的增加而降低。因此在汽油機中組織適當的湍流強度有助于提高火焰的傳播速率，對燃燒過程有利，但太強的湍流不利于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，反而會使傳播中的火焰猝熄?/p>

在眾多國內外湍流燃燒試驗研究所中,湍流燃燒試驗裝置根據其產生湍流的方式基本可以分為以下幾類:

湍流火焰速率噴射式湍流燃燒裝置

這種試驗裝置是預混可燃氣體通過設計的進氣噴嘴或氣道來進入燃燒室,形成一定的湍流并在相應的時刻點火,從而實現(xiàn)湍流燃燒的試驗裝置。如圖2所示,該裝置先通過預混箱配置可燃氣體,該試驗使用的是丙浣-空氣預混合氣。然后混合氣在布置好的切向進氣道中實現(xiàn)進氣,從而產生湍流,再進行點火完成試驗。該實驗裝置通過電磁闊來控制進氣量,通過壓力自動調節(jié)器來控制容彈內混合氣的初始壓力,進行了混合氣燃燒火焰在不同參數下的試驗并研究了初始條件參數下流動與火焰相互影響的機理。試驗中還測得了進氣過程中電磁闊閉合后燃燒彈內的湍流強度,通過采用激光多普勒儀得到了火花塞處的流動情況。

湍流火焰速率風扇式湍流燃燒裝置

這種試驗裝置是通過風扇在定容燃燒裝置內旋轉來形成湍流,風扇的轉速決定著湍流的強弱。如圖3所示,該裝置中4個風扇在燃燒彈桶形內腔的邊緣,如此布置可以實現(xiàn)各向同性較好的湍流并且混合的很均勻。試驗時可以直接將燃氣充入裝置,在一定的湍流強度下進行燃燒。試驗中采用LDV測試得到,以容彈中心為圓心80mm直徑范圍內,湍流強度的各向同性和均勻性分別在12%和20%以內。當風扇轉速2500r/min時,湍流強度可達到2.0m/s,其湍流積分長度標尺與風扇轉速無關大約為25mm。試驗過程中還研究了湍流燃燒速度與湍流強度等參數之間的關系。這樣的湍流燃燒裝置由于內部具有風扇因而使其結構比較復雜,需要較大的燃燒室空間并且在多個風扇運行時,只有很好的協(xié)調配合各個風扇運轉才能達到理想的各向同性流動。

湍流火焰速率孔板式湍流燃燒裝置

該種湍流燃燒裝置是通過燃燒室內部運動的孔板來形成湍流,通過設計孔板結構以及控制孔板的運動速度來達到不同強度的湍流。試驗進行時,一般是在孔板停止運動后的對應時刻來進行點火,以實現(xiàn)不同強度下的湍流燃燒。如圖4所示的湍流燃燒裝置，其整體結構為一個內腔為正方體定容燃燒彈。在容彈的內部布置了孔板,依靠電機的轉動來帶動孔板在導桿上快速平動,從而在容彈內產生湍流。通過改變孔板的孔徑、孔板的拉動速度以及選擇不同的點火時刻,便可得到湍流強度和標尺各異的湍流。此類裝置的特點是結構相對簡單,但是對燃燒室的幾何形狀有一定的要求,同時對裝置的密封性能會造成一定的影響。 2100433B

湍流在空氣動力學中指的是短時間(一般少于10min)內的風速波動。為了有效地描述風，將它認為是通過天氣、晝夜、季節(jié)的平均風速和湍流的風速波動疊加構成的。這些風速波動的周期一般為一到幾個小時，在10分鐘，湍流波動的平均值為零。

湍流產生的原因主要有兩個:一個是當氣流流動時，由于地形差異(如山峰)造成的與地表的摩擦或者阻滯作用;另一個是因為大氣溫度差異和空氣密度差異引起的氣流垂直流動。通常這兩種原因彼此影響。例如，當氣流經過高山時就會被迫流向溫度較低的地區(qū)，這時氣流與大氣環(huán)境的熱平衡被打破，引起風速波動。

湍流顯然是一個復雜的隨機過程，并且不用簡單明確的方程來表示，我們能可以通過統(tǒng)計規(guī)律來研究湍流。針對湍流統(tǒng)計規(guī)律的描述有很多，關鍵在于找出是湍流強度和陣能哪一種夠在實際工程中得到最好的應用，最簡單的統(tǒng)計描述就是湍流度和風因子。其中，湍流強度是對湍流總體水平的度量。

在進行CFD數值模擬的時候，往往需要估計計算入口處湍流強度的數值。如果想估計的準，必須要進行一些實際的測量或者要有一定的實際經驗。以下是一些估計計算入口湍流度的方法。

1. 較高湍流度的情況：在復雜幾何形狀內部進行的高速流動一般湍流度在5%---20%。比如熱交換機，渦輪，壓縮機等。

2. 中度湍流度的情況：在類似于較粗的管子內流動的不太復雜的流動，較低速度(雷諾數)流動等。此時一般來說湍流度在1%---5%。

3. 低湍流度的情況：來源于靜止的氣流的流動。比如，汽車相對與靜止的空氣在運動，潛水艇外部的流動，航空飛行器的飛行。當然，高質量的風洞也可以產生較低湍流度的流動。此時湍流度一般都低于1%。對于無風時的時候，相對于航空飛行器的空氣的湍流度大約為萬分之八。

有分量湍流動能和湍流總動能之分。湍流總動能隨時間的變化體現(xiàn)湍流動能的凈收支，是衡量湍流發(fā)展或衰退的指標。湍流擴散方差與分量湍流能量呈正比，是衡量湍流混合能力的重要指標。

湍流動能（TurbulenceKinetic Energy)是湍流模型中最常見的物理量（k）之一。

可以利用湍流強度估算湍流動能，其計算公式為：

式中：U—平均速度，I—湍流強度