[發明專利]一種燃燒熱釋放率測量方法

在審

• 申請號: 202011129905.0
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112326731A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 楊立軍;李敬軒;劉騰宇
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N25/22
• 分類號: G01N25/22;G01N9/36
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種燃燒熱釋放率測量方法，其特征在于：分為以下幾個步驟進行；

步驟一：測量參考激光和探測激光的相位差；

信號的強度依賴于兩束激光的光學路徑差別ΔL(t)；如果定義參考激光束為0，探測激光束為1，兩束激光的光學路徑的差別ΔL(t)表示為：

式中，L₀和L₁為參考激光和探測激光經過的光學路徑，n₀和n₁為參考激光和探測激光穿過氣體的折射系數，z為激光路徑在坐標系內的坐標軸；

兩束激光上的氣體的折射系數認為跟氣體密度成正比；兩束激光的相位差則等于這里λ₀為激光的波長；光電倍增管接收到的兩束激光的干涉條紋強度表示為：

這里I₀為激光在沒有分成兩束之前的光強；

步驟二：測量被測氣體的密度脈動；

整個激光干涉系統的幾何路徑保持不變，并且激光頭內部的折射系數不變，兩束激光的相位差變化跟沿著測量激光路徑上的密度脈動ρ′的積分相關：

因此通過激光干涉儀裝置，測量得到沿著測量激光方向上的氣體密度脈動的信息；

步驟三：測量燃燒熱釋放率脈動；

根據氣體密度脈動和燃燒熱釋放率脈動的關系，間接獲得非定常燃燒熱釋放率脈動信息；

氣體密度脈動與熱釋放率脈動關系計算公式如下：

燃燒反應混合物密度輸運方程表示為：

其中，T為溫度；N為混合氣體中組分種類總數；為散度符號；p_g為壓強；

式中，c為聲速，c_p為氣體混合物的等壓比熱容，h為氣體混合物的總焓，Q為熱通量矢量，τ為粘性應力張量，v為速度矢量；假設氣體為理想氣體，則其滿足狀態方程p＝ρrT；式中，r^k為組分k的氣體常數，Y_k、W_k和h_k分別為組分k的質量分數、摩爾質量和標準焓，R為通用氣體常數；由理想氣體狀態方程，得到溫度的微分形式為：

繼而得出氣體混合物總焓的微分形式為：

利用混合物組分k的標準焓代替氣體密度輸運方程中的總焓，則得到關于組分k的密度輸運方程為：

組分k的質量分數的輸運方程為式中，為組分k單位體積生成率，j_k為組分k的擴散通量；密度方程轉化為：

其中，參數為熱源。

2.根據權利要求1所述的一種燃燒熱釋放率測量方法，其特征在于：在步驟三中，對于以空氣為氧化劑的氣體燃燒系統，熱輻射、索里特Soret效應、杜弗Dufour效應引起的熱量傳遞都忽略不計，基于傅里葉定律，方程里的即替換為其中λ為導熱系數，進一步簡化為：

3.根據權利要求2所述的一種燃燒熱釋放率測量方法，其特征在于：

脈動火焰存在很大的壓力梯度，忽略粘性的影響；對于以空氣為氧化劑的燃燒，由于空氣的稀釋作用，混合氣體的摩爾質量在反應前后變化不大，基于線性化理論，得出如下關系：

4.根據權利要求3所述的一種燃燒熱釋放率測量方法，其特征在于：公式公式里括號中的第一項表示溫度脈動向周圍氣體的擴散引起的熱損耗，除了在接近于熄火邊界或者是在固壁表面附近的燃燒區域，這一項相對于燃燒熱釋放脈非常小；

進一步簡化為：

5.根據權利要求4所述的一種燃燒熱釋放率測量方法，其特征在于：簡化后的公式描述了密度脈動受壓力脈動和熱釋放率脈動兩個因素的影響，但在實際連續工作的燃燒器中，由于熱釋放率脈動大，忽略聲波對密度變化的影響，即將壓力對密度脈動的影響忽略掉，進而得到密度脈動和熱釋放率脈動關系的數學表達式：

6.根據權利要求1所述的一種燃燒熱釋放率測量方法，其特征在于：步驟二中，激光頭工作的環境溫度保持不變。

7.根據權利要求1所述的一種燃燒熱釋放率測量方法，其特征在于：所用的實驗裝置包括激光干涉儀；所使用的激光干涉儀包括一個激光發生器和一套馬赫-曾德爾Mach–Zehnder干涉儀；激光發生器包括產生激光的激光頭和一系列光學鏡片等；激光頭產生一束連續的激光，這束激光經過激光發生器內部的分光鏡后被均勻的分為兩束激光；馬赫-曾德爾干涉儀的作用是測量這兩束激光的相位差；經分光鏡后的兩束激光，其中一束激光通過激光發生器內部的一組反射鏡后再穿過分光鏡，這束激光一直在激光發生器內，被認為是參考激光；另一束激光為探測激光，通過一組透鏡后穿越被測氣體，然后被另一側的一個固定反射鏡反射，然后再次穿越被測氣體、透鏡、分光鏡；兩束激光的干涉條紋通過光電倍增管測量，從而測量得到兩束激光的相位差。