背景纹影技术在层流锥形预混火焰动态温度场测量中的应用

　　在航空航天领域，准确测量和分析燃烧过程中的动态温度场对于提高发动机性能和稳定性至关重要。北京航空航天大学李敬轩、杨立军教授研究团队利用背景纹影技术，在层流锥形预混丙烷-空气火焰的动态温度场测量方面取得了显著成果，为燃烧控制技术的发展提供了新的思路和方法。

　　研究背景

　　在现代航空航天发动机中，燃烧效率和污染物排放直接受动态温度变化的影响。此外，温度波动引起的熵噪声(Entropy Noise)是导致发动机燃烧不稳定的关键因素之一。因此，开发一种能够精确捕捉温度时空演变的可靠测量技术显得尤为重要。传统的接触式测量方法如热电偶，虽然具有较高的精度和稳健性，但在高频动态温度变化的测量上存在局限性。而非接触式光学测量方法，如基于辐射的方法和激光技术，虽然提供了高时间分辨率和测量精度，但在大规模流场测量中受到限制。

　　背景纹影技术(也称背景导向纹影，Background-Oriented Schlieren, BOS)以其简单的测量系统和大视场测量的优势，克服了上述方法的局限性，广泛应用于航空航天、能源、建筑和电力等领域。BOS通过背景图案的畸变来测量温度场，具有高精度和全视场测量的能力。

　　图1 (a)BOS原理(b) BOS算法原理(有关图中颜色的解释，请参阅本文的网页版本)

　　实验装置及方法

　　实验装置：实验在北京航空航天大学进行，研究对象为层流锥形预混丙烷-空气火焰。实验装置如图2(a)所示，包括一个直径为72毫米的燃烧器，丙烷和空气在预混器中预先混合后，通过玻璃珠和多孔金属铝整流为层流进入燃烧器。燃烧器底部安装了一个扬声器，用于引入不同频率和强度的速度扰动。

　　图2 (a)用于产生预混火焰的燃烧器的示意图(b) BOS的原理

　　光学测量系统：实验中采用了背景纹影系统和图像增强器系统。背景纹影系统如图2(b)所示，包括一个LCD面板显示的散斑图案，由LED光源照明，通过微距镜头接收并由高速相机拍摄。由窄带滤光片及镜头，像增强模组(EyeiTS-H-HQB)，高速相机组成的像增强器系统用于记录火焰的OH*基团化学发光图像，与BOS系统同步工作，以验证动态温度测量结果。

　　实验参数：实验在环境条件下进行，测量了三种当量比(Φ = 0.8, 1, 1.2)下的火焰温度。通过控制信号发生器的输出，引入了不同频率和强度的速度扰动。每个实验条件重复三次，取平均值作为结果。

　　实验结果

　　BOS测量精度验证：通过与K型和B型热电偶的测量结果对比(如图3所示)，验证了BOS在稳态温度测量中的准确性。结果显示，在火焰对称性良好的情况下，BOS的测量误差小于9.1%。对于当量比Φ 为0.8的情况，BOS与热电偶的结果吻合良好。然而，随着当量比Φ的增加，火焰尖端呈现周期性不对称形状，导致BOS测量误差增加，但最大误差仍小于18.3%。

　　图3 热电偶与BOS测量结果的比较。(a)校准图 (b) Φ = 0.8 (c) Φ = 1 (d) Φ = 1.2。

　　动态温度场分析

　　1. 不同扰动幅度和频率下的火焰动态特性：实验分析了上游速度扰动对火焰动态特性的影响，如图4所示。结果表明，扰动幅度的增加会导致热气边界(Hot Gas Boundary)处的温度波动显著增强，而火焰前沿的波动幅度基本保持不变。随着扰动频率的增加，火焰前沿和热气边界的温度波动幅度均显著减小。

　　图4 化学发光(左)与BOS(右)的结果对比

　　2.低频振荡和谐波分析：在无速度扰动的情况下，火焰前沿和热气边界存在由自然对流引起的7.5 Hz低频振荡，并伴有多个谐波频率(图5)。当施加速度扰动时，谐波频率的振荡也存在，且随着谐波阶数的增加，扰动幅度逐渐减小。

　　图5 自然对流的谐波效应。

　　(a) 稳态火焰温度分布 (b)自然对流温度振荡振幅和频率分布。

　　总结

　　北京航空航天大学的研究团队通过背景纹影技术(BOS)成功测量了层流锥形预混丙烷-空气火焰的稳态和动态温度场。研究表明，BOS在火焰对称性良好的情况下具有较高的测量精度，并能够准确捕捉动态温度变化和火焰的动态响应。实验结果揭示了上游速度扰动对下游火焰温度的影响，为燃烧控制技术的发展提供了重要的理论和实验依据。

　　DOI：10.1016/j.ast.2024.109904

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