湍流火焰速率

湍流燃燒試驗(yàn)中需要測(cè)試的量一般為:溫度、壓力、燃燒圖像和湍流參數(shù)。其中最為重要的就是要進(jìn)行火焰圖像的測(cè)試。目前,隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,非接觸式測(cè)量方法得到了廣泛的應(yīng)用。這也為對(duì)燃燒過程的深入測(cè)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(xué)測(cè)試方法有:PUF、直接高速攝影。

湍流火焰速率平面激光誘導(dǎo)熒光法

PLIF即平面激光誘導(dǎo)熒光法(Planar-laser Induced Fluorescence)是一種較高靈敏度的濃度測(cè)量方法。其原理是當(dāng)激光光子的能量(以波長(zhǎng)人來(lái)表征)符合分子某兩個(gè)能級(jí)之間的能量差距時(shí),受該光子照射的分子就會(huì)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(shí)間內(nèi)高能態(tài)的分子將會(huì)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(chǎn)生的光稱為熒光。熒光可以利用光電倍增管接收,熒光強(qiáng)度與熒光物質(zhì)的濃度成正比例。這一特性是熒光方法運(yùn)用于定量分析的基礎(chǔ)。

激光誘導(dǎo)熒光法的原理是,原子被激光源諧振激勵(lì)成為受激態(tài)。這種狀態(tài)不穩(wěn)定,將向較低能級(jí)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(shí)間為。激光束聚焦到被測(cè)場(chǎng)內(nèi),采集光路接受熒光,熒光通過色散器件然后被檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。將激光束擴(kuò)展成光屏,可把整個(gè)平面成像到陣列檢測(cè)器上。其測(cè)試原理如圖1所示。PLIF技術(shù)在燃燒場(chǎng)中可以測(cè)量某些活化中心如0H組分等也可用于測(cè)速,測(cè)濃度、測(cè)溫等方面。因?yàn)镻LIF可提供噴霧和燃燒過程詳細(xì)的2D平面信息,測(cè)量量級(jí)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(jié)構(gòu)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(shù)將燃燒過程的火焰形態(tài)變化直接拍攝記錄下來(lái),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(cè)量等。

在眾多國(guó)內(nèi)外湍流燃燒試驗(yàn)研究所中,湍流燃燒試驗(yàn)裝置根據(jù)其產(chǎn)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(yàn)裝置是預(yù)混可燃?xì)怏w通過設(shè)計(jì)的進(jìn)氣噴嘴或氣道來(lái)進(jìn)入燃燒室,形成一定的湍流并在相應(yīng)的時(shí)刻點(diǎn)火,從而實(shí)現(xiàn)湍流燃燒的試驗(yàn)裝置。如圖2所示,該裝置先通過預(yù)混箱配置可燃?xì)怏w,該試驗(yàn)使用的是丙浣-空氣預(yù)混合氣。然后混合氣在布置好的切向進(jìn)氣道中實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣,從而產(chǎn)生湍流,再進(jìn)行點(diǎn)火完成試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置通過電磁闊來(lái)控制進(jìn)氣量,通過壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)器來(lái)控制容彈內(nèi)混合氣的初始?jí)毫?進(jìn)行了混合氣燃燒火焰在不同參數(shù)下的試驗(yàn)并研究了初始條件參數(shù)下流動(dòng)與火焰相互影響的機(jī)理。試驗(yàn)中還測(cè)得了進(jìn)氣過程中電磁闊閉合后燃燒彈內(nèi)的湍流強(qiáng)度,通過采用激光多普勒儀得到了火花塞處的流動(dòng)情況。

湍流火焰速率風(fēng)扇式湍流燃燒裝置

這種試驗(yàn)裝置是通過風(fēng)扇在定容燃燒裝置內(nèi)旋轉(zhuǎn)來(lái)形成湍流,風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定著湍流的強(qiáng)弱。如圖3所示,該裝置中4個(gè)風(fēng)扇在燃燒彈桶形內(nèi)腔的邊緣,如此布置可以實(shí)現(xiàn)各向同性較好的湍流并且混合的很均勻。試驗(yàn)時(shí)可以直接將燃?xì)獬淙胙b置,在一定的湍流強(qiáng)度下進(jìn)行燃燒。試驗(yàn)中采用LDV測(cè)試得到,以容彈中心為圓心80mm直徑范圍內(nèi),湍流強(qiáng)度的各向同性和均勻性分別在12%和20%以內(nèi)。當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2500r/min時(shí),湍流強(qiáng)度可達(dá)到2.0m/s,其湍流積分長(zhǎng)度標(biāo)尺與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)大約為25mm。試驗(yàn)過程中還研究了湍流燃燒速度與湍流強(qiáng)度等參數(shù)之間的關(guān)系。這樣的湍流燃燒裝置由于內(nèi)部具有風(fēng)扇因而使其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,需要較大的燃燒室空間并且在多個(gè)風(fēng)扇運(yùn)行時(shí),只有很好的協(xié)調(diào)配合各個(gè)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)才能達(dá)到理想的各向同性流動(dòng)。

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(nèi)部運(yùn)動(dòng)的孔板來(lái)形成湍流,通過設(shè)計(jì)孔板結(jié)構(gòu)以及控制孔板的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)達(dá)到不同強(qiáng)度的湍流。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí),一般是在孔板停止運(yùn)動(dòng)后的對(duì)應(yīng)時(shí)刻來(lái)進(jìn)行點(diǎn)火,以實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度下的湍流燃燒。如圖4所示的湍流燃燒裝置，其整體結(jié)構(gòu)為一個(gè)內(nèi)腔為正方體定容燃燒彈。在容彈的內(nèi)部布置了孔板,依靠電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)孔板在導(dǎo)桿上快速平動(dòng),從而在容彈內(nèi)產(chǎn)生湍流。通過改變孔板的孔徑、孔板的拉動(dòng)速度以及選擇不同的點(diǎn)火時(shí)刻,便可得到湍流強(qiáng)度和標(biāo)尺各異的湍流。此類裝置的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,但是對(duì)燃燒室的幾何形狀有一定的要求,同時(shí)對(duì)裝置的密封性能會(huì)造成一定的影響。 2100433B

在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c湍流強(qiáng)度之間的關(guān)系并不一定是線性的。湍流強(qiáng)度不高時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c湍流強(qiáng)度之間的關(guān)系為線性關(guān)系。湍流增加到一定的強(qiáng)度時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S湍流強(qiáng)度的增加而非線性增加趨勢(shì)。如果湍流太強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俾视锌赡軙?huì)隨湍流的強(qiáng)度的增加而降低。因此在汽油機(jī)中組織適當(dāng)?shù)耐牧鲝?qiáng)度有助于提高火焰的傳播速率，對(duì)燃燒過程有利，但太強(qiáng)的湍流不利于提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，反而?huì)使傳播中的火焰猝熄。

湍流在空氣動(dòng)力學(xué)中指的是短時(shí)間(一般少于10min)內(nèi)的風(fēng)速波動(dòng)。為了有效地描述風(fēng)，將它認(rèn)為是通過天氣、晝夜、季節(jié)的平均風(fēng)速和湍流的風(fēng)速波動(dòng)疊加構(gòu)成的。這些風(fēng)速波動(dòng)的周期一般為一到幾個(gè)小時(shí)，在10分鐘，湍流波動(dòng)的平均值為零。

湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè):一個(gè)是當(dāng)氣流流動(dòng)時(shí)，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(gè)是因?yàn)榇髿鉁囟炔町惡涂諝饷芏炔町愐鸬臍饬鞔怪绷鲃?dòng)。通常這兩種原因彼此影響。例如，當(dāng)氣流經(jīng)過高山時(shí)就會(huì)被迫流向溫度較低的地區(qū)，這時(shí)氣流與大氣環(huán)境的熱平衡被打破，引起風(fēng)速波動(dòng)。

湍流顯然是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，并且不用簡(jiǎn)單明確的方程來(lái)表示，我們能可以通過統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)研究湍流。針對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)規(guī)律的描述有很多，關(guān)鍵在于找出是湍流強(qiáng)度和陣能哪一種夠在實(shí)際工程中得到最好的應(yīng)用，最簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)描述就是湍流度和風(fēng)因子。其中，湍流強(qiáng)度是對(duì)湍流總體水平的度量。

在進(jìn)行CFD數(shù)值模擬的時(shí)候，往往需要估計(jì)計(jì)算入口處湍流強(qiáng)度的數(shù)值。如果想估計(jì)的準(zhǔn)，必須要進(jìn)行一些實(shí)際的測(cè)量或者要有一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。以下是一些估計(jì)計(jì)算入口湍流度的方法。

1. 較高湍流度的情況：在復(fù)雜幾何形狀內(nèi)部進(jìn)行的高速流動(dòng)一般湍流度在5%---20%。比如熱交換機(jī)，渦輪，壓縮機(jī)等。

2. 中度湍流度的情況：在類似于較粗的管子內(nèi)流動(dòng)的不太復(fù)雜的流動(dòng)，較低速度(雷諾數(shù))流動(dòng)等。此時(shí)一般來(lái)說湍流度在1%---5%。

3. 低湍流度的情況：來(lái)源于靜止的氣流的流動(dòng)。比如，汽車相對(duì)與靜止的空氣在運(yùn)動(dòng)，潛水艇外部的流動(dòng)，航空飛行器的飛行。當(dāng)然，高質(zhì)量的風(fēng)洞也可以產(chǎn)生較低湍流度的流動(dòng)。此時(shí)湍流度一般都低于1%。對(duì)于無(wú)風(fēng)時(shí)的時(shí)候，相對(duì)于航空飛行器的空氣的湍流度大約為萬(wàn)分之八。

有分量湍流動(dòng)能和湍流總動(dòng)能之分。湍流總動(dòng)能隨時(shí)間的變化體現(xiàn)湍流動(dòng)能的凈收支，是衡量湍流發(fā)展或衰退的指標(biāo)。湍流擴(kuò)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(biāo)。

湍流動(dòng)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(qiáng)度估算湍流動(dòng)能，其計(jì)算公式為：

式中：U—平均速度，I—湍流強(qiáng)度