Multi-scalar Diagnostics in Complex Flow Field by Laser-induced Fluorescence

Abstract

&nbsp; 光学诊断技术为流体力学的研究提供了大量可靠的数据。目前，对于湍流燃烧、高焓气流等复杂流场，仍然无法完全依靠计算流体力学（CFD，computational fluid dynamics）进行仿真。激光诱导荧光（laser-induced fluorescence, LIF）技术是一种激光光谱技术。它具有高组分分辨能力和高时空分辨率，是研究流场结构的理想工具。 &nbsp; 本文对LIF的背景与理论进行了阐述。介绍了LIF技术的发展，阐述了这项技术在湍流燃烧、高焓气流这两种复杂流场中的应用，指出现有技术值得改进的方面。然后解释了荧光过程和LIF的定量测量原理，并提出了对向LIF数据的递归处理方法，展示了通过该方法对激光吸收率的有效计算。最后介绍了LIF系统的重要组成设备。 &nbsp; 在湍流火焰的研究工作中，首先展示了利用平面激光诱导荧光（PLIF）技术对旋流火焰全方位的诊断。本文通过PLIF对OH、CH2O指示物的分布进行了定性测量，有效地获得了火焰的结构信息。对比了OH PLIF与OH* 化学发光（chemiluminescence， CL）的信号分布，讨论了两种测量方法所表征现象的异同。另一方面，利用了OH PLIF的双线测温法（two-line thermometry, TLT）测量了火焰的温度分布，利用了对向OH PLIF首次获得了湍流火焰中OH浓度的瞬态分布。此外，利用以上数据，分析了在不同工况下火焰的特性转变。 &nbsp; 随后对火焰的动态特征进行了分析。介绍了本征正交分解（proper orthogonal decomposition，POD）方法，展示了通过POD方法对火焰脉动模态的分析。OH PLIF与OH* CL的POD模态表现出进动涡核（PVC，precessing vortex core）、热声振荡等特征。扩展本征正交分解（Extended POD）展示出OH分布与CH2O、OH*的分布具有极强的相关性。 &nbsp; 最后对大流量贫燃火焰的结构与动态特性进行了研究。使用了同步的OH、CH2O PLIF技术对火焰的反应区与预热区进行了可视化，并提取了OH的POD与CH2O的EPOD模态。实验结果表明，利用OH、CH2O PLIF可以观测到火焰结构与脉动模式随流量的转变。 &nbsp; 在高焓气流的研究工作中，搭建了应用于JF-10激波风洞的LIF诊断系统。对本系统的关键技术：时序控制和波长监测技术进行了详细的叙述。应用NO LIF的TLT，测量出了激波层内外的温度，然后对激波层外的自由流进行了有针对性的温度测量，对各种可能的误差来源进行了深入探讨，获得了精确的结果。最后，展示了利用分子标记测速法（molecular tagging velocimetry, MTV）对JF-10自由流的速度测量的结果。</p