EyeiTS像增强模组助力拍摄PLIF示踪的横向声激励下钝体稳定湍流射流

　　国防科技大学超燃冲压实验室闫博等人采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)，利用高速相机，借助中智科仪自主研发的EyeiTS像增强模组拍摄横向声激励下钝体稳定湍流射流的图像，研究成果以 “Investigation of dynamic mixedness characteristics of a transverse acoustically excited turbulent jet by high-repetition-rate acetone tracer planar laser-induced fluorescence technique”为题发表在 “Aerospace Science and Technology” 杂志上。

 

　　1、研究背景

 

　　火焰燃烧不稳定性在许多应用中，如火箭、燃气轮机和超燃冲压发动机，都被确认为其是有害不稳定因素的关键。其中，热声相互作用对瞬态燃烧现象的影响得到了作者的特别关注。横向声激励能够对湍流流动产生垂直于流动方向的显著力，被认为是液体火箭和燃气轮机中的一种有害不稳定因素之一。横向声激发的层流和湍流火焰可以通过纹影和化学发光成像进行研究。实验和计算研究表明，在一定条件下，高频横向声波可以用来稳定燃烧并减少污染物的产生。在较低频率和较高声压级(Sound pressure level, SPL)的条件下，声学可能产生抑制甚至熄灭火焰的潜在效果。这些研究主要集中在表征和理解平均全局行为和火焰位置，但很少有研究考虑横向声波引起的声压力和不均匀燃料分布之间的不稳定性过程。

　　从热力学和排放性能的角度来看，燃料/空气混合尤为重要。同时，混合度是反映点火前系统混合状态的主导量，将决定点火成功与否。丙酮示踪剂激光诱导荧光(Laser induced fluorescence, LIF)是一种不影响流体性质但对激光激发和荧光敏感的方法，为监测seeded molecular species(一类有意引入流体中作为示踪分子的物质，本文中为丙酮)的位置提供了一种可行的方法。这项技术已被用于估计不同工业配置中的混合度。

　　在这项工作中，研究者巧妙地采用了7kHz重复率的丙酮LIF技术，深入探索了横向声激励下湍流射流的动态混合特性。通过观察丙酮分布的时间演变，为横向声激励期间的动态混合特性分析提供了新的视角和手段。

 

　　2、实验与方案

 

　　整个实验装置的设计旨在精确控制和测量横向声激励对湍流射流混合特性的影响，为理解声激励在燃烧过程中的作用提供了实验和模拟数据。

　　图1 湍流射流、横向声激励和高重复率丙酮示踪剂PLIF的实验装置示意图。(对于图中颜色的解释，读者可以参考本文的网页版本。)

 

　　● 湍流喷射装置

 

　　国防科技大学开发的实验室规模钝体稳定射流装置如图1红色虚线框所示。射流通过一个长度为250毫米、内径为20毫米的入口管道产生，管道出口被设计成刀形边缘。一个直径为14毫米、半角为45度的不锈钢锥形钝体被安装在直径为5毫米的杆上。射流装置在无约束条件下工作，射流速度从4.71 m/s到13.20 m/s不等，雷诺数(Re)在2000到5600之间。

 

　　● 声激励系统

 

　　如图1所示，实验中使用了扬声器(BMS, 15C362)来产生横向声激励，扬声器位于射流中心15厘米处。声波的振幅和频率由放大器(Yamaha, P7000S)和信号发生器(Rigol, DG1022U)控制。声波频率固定为50 Hz，因为之前的研究表明在这个频率下声激励对流动的响应最强。声压级(SPL)由声传感器(BSWA, MP201)和数据采集仪器测量，SPL定义为声波的均方根压力与参考压力(2×10^-5 Pa)的比值的20倍对数。

 

　　● 测量系统

 

　　如图1，测量系统包括高重复率丙酮平面激光诱导荧光(PLIF)系统和多点扫描热线测量系统。PLIF系统使用高频激光器(EO-266-N-100μJ)产生7 kHz的激光脉冲，通过激光片系统形成大约32毫米高的光片。高帧率相机系统(CAM HX-7s)和两级图像增强器(EyeiTS-D-HQB-F)用于捕捉丙酮PLIF图像。热线测量则用于测量湍流强度。

 

　　3、实验结果

 

　　● 声压级对湍流射流的影响

 

　　采用高重复率丙酮PLIF和多点扫描热线测量方法，研究了横向声波对湍流射流的影响。图2给出了典型的瞬时/平均丙酮混合度ξ和相关的均方根值σ，以及不同实验情况下热线测得的湍流度结果。

 

　　图2 从上到下，瞬时/平均混合度和相关的均方根分布σ。从左到右，混合度分布对应情况1 ~ 4。向上的黑色箭头表示多点扫描热线测量到的射流湍流强度， 40%的标尺位于右下方。声波的方向设置为向右，垂直于湍流射流。PLIF图像是在声波相位60°捕获的。

 

　　在没有横向声波的情况下，可以直接实现由自然湍流引起的皱褶畸变轮廓的瞬时丙酮混合。瞬时混合度随射流传播方向的变化而变宽、皱褶增多。如蓝线所示，ξ = 0.8的等值面表示较大的丙酮混合度值。等值面内面积的变化可以进一步描述射流的扩散特性。在湍流中，混合度分布与未燃区分布有较大差异。未燃区、预热区和产物区由外至内。湍流火焰的中心由高温产物区组成，而最大的混合区位于低温湍流射流内部。边缘区域的均方根值分布远大于中心区域。多点湍流强度分布与均方根值基本一致。

　　当扬声器被激活时，湍流射流暴露在恒定频率50hz和不同声压级的声激励下。在118 ~ 123 dB的条件下，瞬时丙酮混合物比没有声场激励时更皱褶和破碎。随着声压级的增大，等值面内的瞬时/平均面积减小，大部分面积的丙酮混合度的减小，表明横向声激励增强了丙酮与周围空气的混合。随着声压从0 dB到123 dB的增大，射流向扬声器对面偏转的趋势更加明显。声场激励后，均方根值变宽，湍流强度变大。结果表明，湍流射流区域内的丙酮扩散和湍流波动效应增强了。

 

　　● 湍流射流的时间演化

 

　　图3 钝体稳定射流在横向声激励下以1ms为间隔的混合场时间序列。用红色矩形和圆形标记小尺度结构的演变。声波方向设置为向右，垂直于湍流射流。

 

　　高重复率的图像揭示了湍流射流的变化，并揭示了湍流的动态特性。图3显示了横向声激励下九个连续高分辨率丙酮混合度分布的示例集。图片以1ms 的间隔展示了湍流扩散的时变性质和陡峭的浓度变化。下游的射流容易逐渐偏转到扬声器的对面。等值面区开始减小并碎裂，观测到湍流能量级联拉伸的小尺度结构(红圈)的演化。结果表明，横向声波的引入可以引起丙酮混合度的湍流波动。此外，很明显，混合度分布的某些边缘(由红色矩形标记)在每个时刻都是不同的，可能是因为丙酮示踪剂移出了激光片。

　　为了进一步说明流动结构的细微变化，图4给出了在声场激励下拍摄的4 ~ 5 ms的6个混合度帧。每帧大尺度结构的混合度分布变化较小，在混合度分布边缘处可以得到精细的结构变化。如图所示，在t0 + 4.143 ms时刻，有两个较小的褶皱附着在流动主流上。由于横向声波的影响，微小的褶皱扩张并略有向前移动。这两条皱纹的区域逐渐发展，相遇，并合并成一个更大的皱褶。结果表明，横波引发的湍流波动增强了扩散效应。

　　图4 以0.143 ms为间隔，采样图3中4 ~ 5 ms的7 kHz丙酮PLIF图像序列。红色虚线矩形标记小尺度皱褶的变化。声波方向设置为向右，垂直于湍流射流。

 

　　● 声激发相位对湍流射流的影响

 

　　图5所示为一个声周期内不同相位角下的瞬时丙酮混合图像。不同相位角的混合度分布差异较大。在0°、60°和120°的情况下，射流下游倾向于向右偏转。180°和240°的情况下，射流形成的混合度分布区域更大，并偏转到相反方向，边缘更加皱褶和弯曲。同时，300°时的射流偏转角度较低，形态大致垂直。在横向声波激励下，湍流射流与周围空气之间的混合通过这种偏转特性得到加强。

　　图5 情况4中的声学情况下，不同相位角捕获的瞬间混合度。叠加在混合图像上的粗蓝线表示ξ = 0.8等值面。声波的方向被设置为向右并垂直于湍流射流。

 

　　● 湍流流速对湍流射流的影响

 

　　图6 在不同流速下捕获的瞬时混合。叠加在混合图像上的粗蓝线表示ξ = 0.8等面。声波的方向被设置为向右并垂直于湍流射流。PLIF图像在60°的声波相位被捕获。

 

　　为了在不同流速下可视化声波与湍流之间的相互作用，需要采用单次PLIF图像，如图6所示。在没有声波激励的情况下，不同流速下的混合度分布形状相似。然而，随着流速的增加，射流主流的高度和面积增加，如图6第一行所示。在声波增加到121 dB后，射流碎片和不对称特性增加。一些射流下游向右偏转，射流界面变得更加皱褶，如图6第二行所示，原因是横向声波激励下湍流强度的增加。当入射射流速度减小时，射流均方根速度减小，声波均方根速度主导整个均方根速度。因此，在较低速度流中可以观察到更大的变化。

 

　　4、结论

 

　　本研究应用了7kHz的丙酮PLIF混合度成像和多点扫描热线测量技术，对横向声波激励对钝体稳定射流的影响进行了研究。研究结果表明，在横向声波激励下，丙酮混合度分布频繁地左右摆动，偏转角度可达约6°。在声波激励下，混合度分布呈现出破碎的形态，大曲率部分增加了60%。同时，通过连续的丙酮PLIF成像分析，揭示了在声波激励下混合度分布边缘皱褶的生成，这表明在横向声波存在时，湍流波动效应得到了加强。湍流强度的结果进一步显示，在123 dB的横向声波激励下，湍流强度可达到无声波激励时的1.3倍。这些效应可能导致丙酮混合度分布区域面积增加13.3%。随着流速的降低，声波激励引起的混合度结构变化增加。在入射射流速度为4.71 m/s和SPL为118 dB的条件下，平均丙酮面积的增加可达134.3%。

　　原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ast.2023.108238

 

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　　5、解决方案

 

　　由中智科仪自主研发生产的EyeiTS像增强模组适用于灵敏度要求以及高速采集速度要求较高的实验：

　　1. 单光子探测灵敏度

　　在火焰燃烧诊断实验中，选用Hi-QE Blue 光阴极，在紫外波段的量子效率高达30%以上;更高增益的双层MCP可选，最高增益高达15万倍，支持单光子信号探测。

　　2. 超高采集频率

　　EyeiTS高速像增强模组最高可支持百万帧高速成像采集。

　　3. 精准的时序控制

　　EyeiTS高速像增强模组可选择D410时序同步控制器，具有3路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10ps。

　　4.高通量紫外镜头

　　F/2超大通量紫外镜头专为火焰燃烧优化设计。