高速OH *通过激波管端壁的点火化学发光成像外文翻译资料

英语原文共 63 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

高速OH *通过激波管端壁的点火化学发光成像

摘要

建立了一种高速OH ^*化学发光成像诊断技术，用于对斯坦福约束反应容积激波管反射激波波后燃烧事件的结构和均匀性进行成像。使用强化的高重复率成像系统通过熔融石英激波管端壁窗口，在10-33kHz条件下在正庚烷（21％O₂ / H₂O）的燃烧期间获取OH ^*化学发光（接近308nm） Ar，Phi;= 0.5）。一般来说，成像技术使得能够观察到对应于典型的点火标记（例如，压力升高）的激波管的芯中的主点火事件，以及了解在主芯点火事件之前的壁附近的局部点火的一些条件。进行案例研究以说明这种新型成像诊断的效用。首先，通过将局部壁点火事件与核心点火事件进行比较，对于所提出的测试条件，估计在端壁附近的后反射激波气体的温度均匀性在0.5％内（T = 1159K，P = 0.25 MPa）。第二，观察窗所产生的激波管壁中的衰退对燃烧事件的影响被可视化。在窗口附近观察到局部点火，但是这种干扰在主点火事件之前没有传播到激波管的芯部。第三，通过进行多次连续运行没有清洗的激波管试验来研究激波管清洁度的影响。对于没有进行清洁的试验，点火事件集中在激波管的下半部。 相反，当激波管被清洁时，点火事件分布在激波激波管的整个圆周周围; 验证清洁程序。

引言

激波管已经广泛的在实验中使用了60多年，包括在大范围的温度和压力下的化学动力学研究^[1]。传统上，通过对位于测试段的侧壁中的端口处的诊断来获得激波管中的温度，压力和物质浓度。例如，用于观察路径积分光发射或吸收的压力传感器和窗口可以位于这些端口位置^[2]。虽然这些诊断已被证明是有价值的，但它们不能提供关于测试气体的结构和均匀性的空间（径向）信息。传统诊断不需要满足的特定需要是用于理解放热（燃烧）混合物的反射的激波反应体积的设备特异性均匀性的，以满足实验结果与假设均匀条件的化学动力学模型的有效比较。在激波管内存在非均匀性的许多潜在原因，包括非理想的流体流动，反射的激波分叉和壁热传递，尽管这些效应在反射激发点火的建模中通常被忽略。

图1显示了斯坦福约束反应容激波管（CRVST）的尺寸和成像系统的配置

在先前的激波管中的燃烧成像研究已经使用多种技术。在早期的工作中，Vermeer等人^[3]使用schlieren成像出矩形激波管端壁附近碳氢化合物的点火过程。 Fieweger 等人 ^[4]使用阴影图来显示在端壁旁边具有透明侧壁的方形激波管中几种燃料的自燃。Herzler等人^[5]通过在激波管的端壁中心的小窗口，在丙烷的点燃事件之后不久收集单个可见光发射图像。 Penyazkov 等人 ^[6]将两根（D = 8mm）石英棒安装到端壁中，以在边界层和用于乙烯自燃的激波管的中心同时收集发射（OH，CH和C₂自由基）数据。最近，Heufer和Olivier ^[7]在矩形激波管中进行纹影成像以研究生物燃料燃烧。

其他以前的成像技术主要研究了激波管和类似实验设施中的各种现象。Yoo等人^[8]通过激波管的侧壁使用透明和方形的测试部分附件来执行甲苯PLIF以显现流场并且在相对低的温度下测量非反应性混合物中的温度场。Wegener等人^[9]通过墙上的光学端口获得了在膨胀管中破裂的隔膜的全息记录。在相关工作中，Mansfield 等人^[10]在快速压缩设备中使用透明端壁来成像点火过程并确定不均匀和均匀自燃的存在。这些成像研究类似于在光学可访问的发动机中的成像，其中可以通过观察在发动机气缸内部展开的燃烧过程获得对发动机操作的理解。例如，Stojkovic等人^[11]通过位于活塞中的窗口在发动机中实现高速OH ^*化学发光，以研究烟灰形成和氧化。

在目前的工作中，使用OH ^*化学发光（用于燃烧系统的常见发射诊断）作为反应区的定性标记。 OH ^*化学发光（峰值发射发生在308 nm附近）用于指示高自由基浓度的位置^[12,13]。随着在UV中的发射，通过使用带通滤波器可容易地研究环境光污染非常少的的OH ^*化学发光。

这里，激波管中的燃烧事件通过具有高重复率的增强相机的UV透明（熔凝石英）端壁成像。所得到的收集的图像是轴向积分发射，指示点火事件的空间位置和几何形状。在这项工作中，反应体积被约束到端壁的一小部分（详见第2.1节），这极大地限制了积分路径的长度。对于长的潜在轴向整合路径（例如，常规的激波管），将需要更加小心。一般来说，化学发光图像必须谨慎地解释，因为它们是集成的测量，同时它们产生强大的信息，否则通过传统诊断侧壁端口不可用^[14]。

通过这项工作，寻求对激波管性能和诊断的更好的理解。三个案例研究说明了该成像诊断的效用：温度均匀性（第3.1节），激波管壁缺陷（第3.2节）和激波管清洁度（第3.3节）。

2端壁成像系统设计

2.1斯坦福约束反应容积激波管

斯坦福约束反应容积激波管（CRVST）（如图1中示意性所示） 用于研究低蒸汽压燃料的动力学^[15]。缓冲器和测试段的内径为11.53cm，这些段占了9.7m的激波管长度。驱动器部分，长度为3.63m，内径为17.9cm。 驱动器延长件将驱动器段长度最大值增加到13.42m，并且内径为15.4cm（关于CRVST的更详细信息，驱动器段和驱动器插入件可以在^[16]中找到）。离端壁2厘米，加工端口位于用于激光或发射诊断和其他传感器如压力传感器的窗口。

图2四片透明端壁窗口设计允许在反射激波波后面的点火事件的空间成像通过斯坦福CRVST的端壁

激波管在约束反应体积（CRV）模式下运行。 CRV模式采用滑动闸阀来将反应气体混合物机械地限制到较小长度激波管，靠近端壁[15]。该闸阀在激波开始之前即Lexan隔膜破裂时打开，以便使试验气体混合物的稀释最小化。对于所研究的条件，测试气体在反射激波后的轴向长度L5为5至10cm。

对于每个实验，驱动器部分填充定制的氦和氮混合物。缓冲部分包含二氧化碳，氮和氩的定制混合物（参见参考文献^[15,16]，关于驱动剂和缓冲气体定制细节）。对于本文提供的所有测试，用正庚烷，氧气和氩气以等于比率phi;= 0.5填充测试部分。通过混合罐中的分压测定测试气体混合物组成。遵循先前开发的最佳实践[17]使测试气体和缓冲气体的混合的影响最小化。

从入射激波的速度计算初始测试气体条件（反射激波波后），通过分布在最后部分的七个侧壁压力传感器（PCB-113A26）使用激波管技术确定到达时间。实验的时间零点定义在由于反射激波波引起的压力跳跃的Kistler（603B1）压力传感器信号的半高处。该压力传感器位于距离端壁2cm处并且被覆盖在室温硫化有机硅（RTV）中。作为参考，入射激波到达端壁和由压力传感器在2cm处反射的激波的通过之间的时间差通常为70mu;s，初始条件稍有不同。另外，使用聚焦透镜，狭缝，UG-5 Schott玻璃带通滤光器和硅光电检测器（ThorLabs PDA36A）实施距离端壁2cm处的传统OH *发射诊断。使用LabVIEW数据采集系统在10MHz下采集来自压力传感器和发射检测器的信号。该工作的初始反射激波温度范围为1057至1240K。初始反射激波压力范围为0.25至0.81MPa。

2.2端壁窗

透明端壁窗，如图2所示。 由四片组成：垫片，窗口，外壳和端盖。 窗口是13.97cm（5.5英寸）直径，2.54cm（1英寸）厚的圆柱体。 在这项工作中，熔凝石英窗（GM Associates）透射308 nm OH ^*化学发光。 这个易于拆卸的窗口是一个关键的设计，因为它允许在实验之间用丙酮清洁窗口。该设计也不需要任何RTV或密封剂，进一步有助于窗户移除和重新安装。该窗口的额定最大压力为2.4 MPa（安全系数为4）。 这种端壁窗口设计的一个重要特征是它允许光学接近激波管壁的边缘。

特氟龙垫片的厚度为0.127 mm（0.005英寸），可防止激波管端盖过紧。 它允许激波管被充分密封，同时防止可能导致裂纹的窗口上的过度压缩应力。2.54毫米（0.1英寸）厚的特氟隆外壳保护窗口，并保护窗户的背面不与激波管端盖的金属接触。 端盖内部是中空的，并且使用四个螺栓附接到激波管的测试部分。

2.3成像系统

使用耦合到增强器的Vision Research Phantom v710高速CMOS照相机收集OH *化学发光。增强器是配备有II型S20光电阴极的LaVision HSIRO。使用焦距为f = 100mm的Sodern UV透镜，对于所有情况，孔径设置为f / 4。为了滤除杂散光和其它发射，使用以10nm FWHM为中心在313nm处的Asahi Spectra高透射带通滤波器。

为了在窗口或端盖失效的情况下保护照相机和增强器，使用UV增强镜将照相机定位成与激波管成90°角（图1）。此外，在激波管和照相机之间放置屏蔽。

对于v710摄像机，在图像分辨率（高度times;宽度像素）和采集速率之间存在权衡;较小的像素窗口实现更快的采集速率。为了允许以更快的速率成像全激波管横截面，将照相机移动远离激波管。在本研究中，使用的分辨率范围从448times;376到880times;800像素，对应的采集率分别为33-10 kHz（帧间时间0.03至0.1毫秒）。

对于最高分辨率，投影像素大小为6.59像素/ mm（0.15mm /像素）。对于最低分辨率，投影像素大小为3.26像素/ mm（0.31mm /像素）。10kHz设置的景深约为13cm，对于33kHz的设置约为110cm，两者均捕获了压缩测试气体部分（L5 = 5cm）的完整深度。系统聚焦在诊断端口的位置，距离端壁2厘米。

增强器门控至4或5mu;s。在这项工作中，增益通常设置为最大增益设置的50-60％。

3结果和案例研究

3.1温度均匀性

在典型的激波管自燃试验中，假设试验气体被反射的激波波均匀加热，并且点火延迟时间（IDT）处在整个反应器体积中均匀地发生快速反应，收集的Kistler压力传感器（2cm从端壁）信号如图2所示3a。压力的第一上升（在t = -0.1ms附近）是由于入射的激波通过压力传感器，第二次上升（t = 0ms）是由于反射的激波。随后的压力中的大的“尖峰”（在t = 1.5ms附近）对应于点火事件，并且代表如何测量IDT。 在一些条件下观察到压力传感器信号或发射诊断的小变化，在压力急剧增加之前，可以作为需要更好地理解的点火事件中的部分不均匀性的证据。

4

这种成像技术揭示了在激波管中发生的点火事件的空间分布，因为它们随着时间演变。通过获取图像的时间序列，可变性，IDT中的不确定性被量化。测量IDT的不确定性是一个经常讨论的主题，由于定义点火指标的多种选择，以及初始条件的大变异性，IDT指示器包括来自激光吸收诊断的压力信号或各种物质。 IDT的定义包括峰值，最大变化速率的时间，或者将最大斜率外推到所选指标的零信号水平^[18]。在这项工作中，图像中收集的OH ^*化学发光用于定义IDT。

在图3所示的情况下。在第一垂直线时在图像中观察到显着的（gt; 0.01归一化平均图像信号）OH ^*化学发光，在压力传感器信号或传统OH ^*发射诊断（两者都是位于距离端壁2cm）。 CRVST通常在压力增加最小的条件下使用，从而促进反应建模。在此，有意地选择较高的燃料浓度和反应温度以强调不均匀的效应和压力变化。

图4示出了在图2中提到的测试在12kHz（帧间时间为0.083ms）下收集的三个连续图像。在补充材料中可获得包含图3和图4所示的测试收集的附加图像的视频。

在图4的第一图像（t = 1.34ms）中，在激波管的壁附近观察到初始OH ^*化学发光（由白色轮廓指示）。在第二图像（t = 1.43ms）中证明了芯中的点燃，并且在第三图像（t = 1.51ms）的时间内在激波管横截面内的任何地方都明显点燃。

使用图像的定时和燃烧事件的已知特性，对激波管内的均匀性进行半定量估计。方程1表示了类似Arrhenius形式的IDT的指数温度依赖性。 IDT中的变化（不确定性的度量）和温度的变化之间的关系在等式2其中A是前指数因子，Ea是活化能，R是通用气体常数，T是温度。根据IDT相关性，前指数因子可以表示为多个实验变量（例如，压力，氧浓度和当量比）的函数[19]。

使用方程 2和压力在整个测试体积中均匀的假设，温度的空间变化从整个测试段的IDT的变化来估计。这里的

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[138250]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word