先進(jìn)激光測(cè)量技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研發(fā)中的應(yīng)用

王培勇，邢 菲

（廈門大學(xué)航空系，福建廈門 361005）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)對(duì)國(guó)防建設(shè)與能源安全和實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，擁有獨(dú)立研發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)能力迫在眉睫[1]。該技術(shù)無論是對(duì)軍用航空領(lǐng)域的動(dòng)力需求（提高推重比），還是對(duì)地面設(shè)備民用領(lǐng)域的能源需求（提高熱循環(huán)效率），其發(fā)展趨勢(shì)都是增大發(fā)動(dòng)機(jī)壓比以提高循環(huán)效率，提高渦輪進(jìn)口溫度（燃燒室出口溫度）以提高單位推力[2-3]。由此相應(yīng)地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的測(cè)量技術(shù)提出了更高要求。然而傳統(tǒng)的測(cè)量手段已無法實(shí)施或不能精確捕捉發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部的復(fù)雜物理現(xiàn)象，使各種發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)的物理圖像至今仍不清晰。對(duì)此，新型激光測(cè)試技術(shù)擁有傳統(tǒng)接觸式測(cè)量不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，最大優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式無干擾測(cè)量和進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)復(fù)雜流場(chǎng)（如溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)等）的測(cè)量，符合流動(dòng)參數(shù)的測(cè)量要求。由于激光測(cè)速技術(shù)和流場(chǎng)顯示技術(shù)在試驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用，從逐點(diǎn)測(cè)量變?yōu)槿珗?chǎng)測(cè)量，使試驗(yàn)研究水平大為提高，所獲試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映燃燒室的真實(shí)工況，并已部分在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中得到應(yīng)用[4-5]。

本文對(duì)新型的激光測(cè)試技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 激光測(cè)速技術(shù)

傳統(tǒng)的測(cè)量手段，因探頭干擾流場(chǎng)、引起激波破壞流場(chǎng)或因探頭的催化作用，均可使測(cè)量不精確[4-5]。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部流動(dòng)還具有強(qiáng)時(shí)變、強(qiáng)物理場(chǎng)耦合的特點(diǎn)，也給測(cè)量增加了難度。

燃燒室內(nèi)流場(chǎng)的高速和高溫特征決定了需要摒棄對(duì)流場(chǎng)具有較大干擾作用的測(cè)量方法。目前較為成熟的技術(shù)是基于示蹤粒子的測(cè)量方法（Particle-Based Velocity Methods）。典型的基于示蹤粒子的測(cè)量工具有：激光多普勒測(cè)速儀（LDV）、粒子圖像測(cè)速儀（PIV）和平面多普勒測(cè)速儀（PDV）等[7-8]。

在試驗(yàn)過程中，基于示蹤粒子的測(cè)量方法需使用遠(yuǎn)大于分子尺寸的示蹤粒子。在高速來流條件下，示蹤粒子在來流相對(duì)速度方向上受到不可忽略的阻力、虛擬質(zhì)量力和Basset力，使示蹤粒子的速度與被測(cè)流場(chǎng)的速度存在較大差別，所以該類方法在高速試驗(yàn)中存在測(cè)量精度不高的缺點(diǎn)。在內(nèi)流試驗(yàn)中，示蹤粒子易遷移至壁面，在較短時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)記錄所需的透明觀測(cè)窗將被遮蔽。另外，由于示蹤粒子分布不均勻，可能使測(cè)量區(qū)域內(nèi)的粒子數(shù)目不夠；而對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的大型設(shè)備需要使用大量的示蹤粒子，從而造成測(cè)量成本較高。更為嚴(yán)重的是，在整機(jī)測(cè)試中，由于固體粒子對(duì)下游渦輪葉片的刮擦破壞，有可能造成葉片嚴(yán)重?fù)p傷而不可繼續(xù)使用。

1.1 分子標(biāo)記法

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)速方法在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的不足，自20世紀(jì)末以來，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家不斷積極探索新的高精度測(cè)量方法和技術(shù)。其中分子標(biāo)記法（MTV）具有較大的潛力，得到了快速發(fā)展[9-10]。

分子標(biāo)記法使用激光格柵標(biāo)記加入流場(chǎng)中的氣體分子或原子，在給定的時(shí)間（μs級(jí)）延遲后，使用平面激光掃描標(biāo)記分子的新位置從而得到位移，可以無干擾精確地測(cè)量速度場(chǎng)。在試驗(yàn)中，常用做標(biāo)記的有丙酮、一丁二酮、一氧化氮、二氧化氮或鈉等，這些氣體分子、原子或離子中某些具有毒性，或費(fèi)用較高，不利于實(shí)際使用。鑒于此，美國(guó)Vanderbilt大學(xué)激光燃燒診斷實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了無需添加額外氣體分子或原子的分子標(biāo)記方法，即采用氫氧根離子標(biāo)記測(cè)速（HTV）。該方法由193 nm激光通過分光鏡分為2束，分別通過柵格光學(xué)組件形成菱形的激光網(wǎng)格。在激光網(wǎng)格通過的流場(chǎng)，高能量的紫外激光會(huì)分解流場(chǎng)中的氣體H2O分子生成OH根離子（標(biāo)記分子），此時(shí)OH根離子的位置就是激光網(wǎng)格的位置，這個(gè)過程就是激光“寫”過程；經(jīng)過預(yù)先設(shè)置的1個(gè)時(shí)間延遲后，1束平面激光掃描流場(chǎng)，通過OH離子的激光誘導(dǎo)熒光來讀取OH離子的新位置，這個(gè)過程稱為激光“讀”過程。通過軟件測(cè)量網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)時(shí)間延遲前、后的位置可得OH離子的位移，除以時(shí)間可獲得OH離子速度。

1.2 分子標(biāo)記法的應(yīng)用實(shí)例

目前，HTV技術(shù)的應(yīng)用有一定要求和限制，如：需要自行設(shè)計(jì)系統(tǒng)，設(shè)備投資成本高，對(duì)設(shè)計(jì)和操作水平要求高；同時(shí)，HTV技術(shù)的測(cè)量區(qū)域比傳統(tǒng)PIV技術(shù)的略小，對(duì)于大區(qū)域測(cè)量，需要逐段掃描。但是由于其卓越的測(cè)量能力，該技術(shù)已經(jīng)在航空航天相關(guān)領(lǐng)域研制中得到應(yīng)用。

在HTV方法的測(cè)量中，標(biāo)記氣體分子OH通過激光激勵(lì)技術(shù)在激光束的近旁區(qū)域由被測(cè)氣體中的水蒸氣分解產(chǎn)生。美國(guó)Vanderbilt大學(xué)利用HTV技術(shù)對(duì)超聲速進(jìn)氣的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)凹腔速度場(chǎng)（冷態(tài)）進(jìn)行了測(cè)量[11]。

凹腔的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，試驗(yàn)激光格柵如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果分析如圖4所示。

圖1 沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室凹腔幾何結(jié)構(gòu)

對(duì)于11×11的激光網(wǎng)格，可以同時(shí)測(cè)量流場(chǎng)中121個(gè)點(diǎn)的速度。HTV方法使用1臺(tái)ICCD相機(jī)進(jìn)行2維流場(chǎng)測(cè)量，如使用2臺(tái)成一定角度的ICCD相機(jī)可進(jìn)行3維流場(chǎng)測(cè)量。該方法適用于有化學(xué)反應(yīng)的流場(chǎng)，其空間解析精度為10～100 μm，時(shí)間解析精度小于 1 μs，速度精度可達(dá)±1%。

圖2 HTV的測(cè)量系統(tǒng)

圖3 凹腔速度場(chǎng)測(cè)量中使用的激光格柵

圖4 凹腔內(nèi)不同位置處平均速度和均方根速度

2 激光測(cè)量溫度組分技術(shù)

平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）技術(shù)是激光測(cè)量技術(shù)之一，可同時(shí)測(cè)量流場(chǎng)中的多個(gè)參數(shù)，在超聲速和高超聲速流場(chǎng)研究中占有獨(dú)特地位，已成為研究燃燒流動(dòng)的有效診斷方法。

PLIF技術(shù)可利用燃燒所產(chǎn)生的自由基作為示蹤粒子，分析燃燒狀態(tài)下的流動(dòng)。其測(cè)速原理與DGV技術(shù)的相似，激光照射到自由基上發(fā)出熒光信號(hào)；由于自由基的運(yùn)動(dòng)，熒光產(chǎn)生多普勒頻移（多普勒效應(yīng)），從而得到自由基的運(yùn)動(dòng)速度。常見的待測(cè)自由基有OH、HCHO、CH、CO、CO2、NO、NO2等[7-8]。

應(yīng)用PLIF技術(shù)進(jìn)行燃燒場(chǎng)的測(cè)量時(shí)有一定局限性。首先，PLIF技術(shù)受到激光器的限制，目前大多測(cè)量的是燃燒中間產(chǎn)物，其結(jié)果能否真實(shí)反映燃燒場(chǎng)的性質(zhì)和信息還有待考察；其次，目前PLIF技術(shù)對(duì)溫度、組分的測(cè)量實(shí)際上只是簡(jiǎn)單演示了其測(cè)量能力（偏重預(yù)混可燃?xì)怏w經(jīng)典流動(dòng)），其工程應(yīng)用還需在實(shí)踐中繼續(xù)檢驗(yàn)。

2.1 拉曼散射測(cè)量原理

氣體分子對(duì)光子的彈性散射為瑞利散射，相互之間沒有能量交換，入射光與散射光頻率相同；拉曼散射是氣體分子對(duì)光子的非彈性散射，光子和分子有能量交換，散射光與入射光的能量不同，即頻率不同。從理論上講，對(duì)于頻率足夠大的入射光，氣體分子都會(huì)產(chǎn)生拉曼和瑞利散射。使用拉曼散射進(jìn)行激光測(cè)量要求光源是單一頻率的大功率激光，光源可為可見光或紫外光。

當(dāng)光子和分子相互作用損失能量、光子頻率降低時(shí)，散射過程為斯托克斯拉曼散射；反之，當(dāng)光子從分子獲得能量、頻率增大時(shí)，散射為反斯托克斯拉曼散射。量子力學(xué)理論表明，氣體分子的能量是不連續(xù)的，能級(jí)是離散的；雙原子和多原子氣體分子的能量包含平動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)能（對(duì)應(yīng)量子數(shù)J）、振動(dòng)能（對(duì)應(yīng)量子數(shù)v）和電子能等。其中平動(dòng)能因?yàn)槟芗?jí)微小，可認(rèn)為是連續(xù)變化，其他能量形式則為明顯的離散能級(jí)。當(dāng)氣體分子和光子發(fā)生能量交換時(shí)，氣體分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)或振動(dòng)能級(jí)發(fā)生改變，從光子吸收或給予光子離散能級(jí)差從而改變光子頻率。因?yàn)槊糠N分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)不同，所以拉曼散射的頻率也不相同，可以用來區(qū)別分子。同時(shí)，由于散射信號(hào)與分子質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比，所以拉曼散射可以用來同時(shí)測(cè)量多組分氣體的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在激光燃燒診斷中，因?yàn)檎駝?dòng)能級(jí)大，散射信號(hào)頻率變化明顯，常用的是振動(dòng)拉曼散射（Δv=±1）。

瑞利散射、斯托克斯振動(dòng)拉曼散射和反斯托克斯振動(dòng)拉曼散射過程如圖5所示，箭頭的粗細(xì)表示散射信號(hào)的強(qiáng)度。拉曼散射的信號(hào)明顯弱于瑞利散射信號(hào)，所以測(cè)量中需將瑞利散射信號(hào)過濾掉。而且斯托克斯散射信號(hào)明顯強(qiáng)于反斯托克斯散射信號(hào)，所以大部分激光燃燒診斷測(cè)量使用斯托克斯拉曼散射。

拉曼散射的信號(hào)強(qiáng)度為

式中：C（T）為依賴于溫度的標(biāo)定參數(shù)；σ為拉曼散射的截面；L為激光束的長(zhǎng)度；N為氣體組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；I為激光能量。

因?yàn)樯⑸浣孛媾c波長(zhǎng)的4次方成反比，所以使用波長(zhǎng)越?。l率越高）的激光光源，散射信號(hào)急劇增加。這就是紫外激光拉曼散射能夠進(jìn)行單脈沖動(dòng)態(tài)測(cè)量的原因?？梢姽饫⑸湫盘?hào)較弱，需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量以積累足夠多的散射信號(hào)，常用于穩(wěn)態(tài)燃燒測(cè)量。紫外激光拉曼散射則對(duì)快速變化的流場(chǎng)或湍流信息捕捉方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.2 拉曼散射測(cè)量的應(yīng)用實(shí)例

與HTV技術(shù)相似，拉曼散射溫度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用也存在一些限制，如：拉曼散射初期設(shè)備投資高（僅紫外拉曼散射的專用激光器就需要30萬美元），系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)和操作水平要求高。目前市場(chǎng)上沒有成熟的商業(yè)試驗(yàn)系統(tǒng)，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員自行購(gòu)買設(shè)備搭建。

美國(guó)Vanderbilt大學(xué)完成了可見光和紫外光拉曼散射系統(tǒng)的搭建，其中可見光系統(tǒng)具體配置如圖6所示[10]。該系統(tǒng)使用倍頻的脈沖YAG激光（波長(zhǎng)為532 nm，脈沖時(shí)間為7 ns，頻率為10 Hz）。激光束通過0階波片和平面偏光鏡實(shí)現(xiàn)能量連續(xù)調(diào)節(jié)。隨后光束通過1個(gè)脈沖擴(kuò)展器（脈沖擴(kuò)展通過3個(gè)分光鏡和對(duì)應(yīng)的光學(xué)回路使分光有不同的時(shí)間延遲）。脈沖擴(kuò)展可將激光束的脈沖時(shí)間從7 ns拓展到150 ns，其目的是降低單位時(shí)間激光的能量流，從而避免聚焦后由于能量密度過大而引起火花。脈沖擴(kuò)展后的激光通過焦距為300 mm的聚焦鏡頭聚焦為直徑為150 μm的光束，聚焦光束通過處會(huì)有較強(qiáng)的拉曼散射，在90°方向通過1個(gè)F/2（直徑76.2 mm）和F/7.5的消色差透鏡組收集拉曼散射信號(hào)。收集到的拉曼散射信號(hào)通過光譜儀將不同測(cè)量點(diǎn)、不同頻率的散射信號(hào)投射到液氮冷卻的背光CCD相機(jī)芯片（1024×1024像素）上的不同位置。光譜儀前通過1個(gè)液晶快門（45 μs）和1個(gè)機(jī)械快門（4.2 ms）來減少環(huán)境和火焰光線進(jìn)入相機(jī)；同時(shí)還有過濾片屏蔽較強(qiáng)的瑞利散射信號(hào)和過濾片來屏蔽火焰的紅外輻射光線。通過Ronchi光柵測(cè)出沿著光束方向的空間解析度為98 μm，所以，該系統(tǒng)的空間測(cè)點(diǎn)是（空間解析度）直徑為150 μm、長(zhǎng)為98 μm的微小圓柱。

圖6 Vanderbilt大學(xué)燃燒激光診斷試驗(yàn)室可見光拉曼散射系統(tǒng)配置

作者曾在Vanderbilt大學(xué)通過應(yīng)用Hencken燃燒器來實(shí)現(xiàn)對(duì)拉曼散射系統(tǒng)的標(biāo)定和驗(yàn)證。通過Hencken燃燒器形成許多微小的擴(kuò)散火焰，在燃燒器往上約10 cm處燃燒產(chǎn)物處于絕熱平衡狀態(tài)，通過Chemkin Equil程序可計(jì)算出燃燒產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度。通過已知的溫度和組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)來標(biāo)定和驗(yàn)證拉曼散射系統(tǒng)。

本文使用Vanderbilt大學(xué)的可見光拉曼散射系統(tǒng)測(cè)量了管形火焰的溫度場(chǎng)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)，如圖7、8所示。圖中顯示了試驗(yàn)使用的激光器、管形燃燒器和管形火焰，還有CCD相機(jī)拍到的拉曼散射信號(hào)；測(cè)量溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)和數(shù)值計(jì)算的比較結(jié)果證實(shí)了CFD程序和基元化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的準(zhǔn)確性。

美國(guó)懷特空軍基地使用Vanderbilt大學(xué)的紫外激光拉曼散射系統(tǒng)[11]進(jìn)行進(jìn)口馬赫數(shù)為2的超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)測(cè)量，通過測(cè)量提供了燃燒室內(nèi)的詳細(xì)流場(chǎng)信息，對(duì)于燃燒室CFD模擬的校核和燃燒室設(shè)計(jì)很有幫助。

3 先進(jìn)激光測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用方向

3.1 點(diǎn)火技術(shù)

點(diǎn)火/高空再點(diǎn)火能力是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的1個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。目前點(diǎn)火電嘴的初步選擇主要根據(jù)Lefebvre[12]提出的基于時(shí)間的總點(diǎn)火模型，其特征時(shí)間主要分為焠熄時(shí)間、蒸發(fā)時(shí)間和化學(xué)反應(yīng)時(shí)間。從而得到最小點(diǎn)火能量

式中：ρa(bǔ)為燃燒室內(nèi)氣流的理論密度；ΔTst為燃燒室內(nèi)氣流的理論溫升；dq為最小核心火團(tuán)尺寸直徑（也稱為焠熄直徑），是油氣混合物速度、密度以及上述3種特征時(shí)間的函數(shù)。

采用先進(jìn)激光測(cè)量系統(tǒng)可以精確高效地獲得燃燒室內(nèi)流場(chǎng)的速度、溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以對(duì)這種半理論半經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系式起到良好的改進(jìn)和支撐作用。有了溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)信息，還可以使用軟件（比如CHEMKIN）進(jìn)行點(diǎn)火條件和點(diǎn)火延遲時(shí)間的精確計(jì)算。

在高空再點(diǎn)火技術(shù)的應(yīng)用研究階段，通常會(huì)將電嘴布置在多頭部的矩形或扇形燃燒室試驗(yàn)段內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。如果試驗(yàn)進(jìn)行得不順利，在不了解燃燒室點(diǎn)火電嘴周圍流場(chǎng)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)信息的情況下，通常會(huì)單向地增加電嘴能量、改變電嘴位置或提高點(diǎn)火油氣比。這樣即使暫時(shí)解決了問題，但并不了解其中的真正原因，存在一定的盲目性。在多次試驗(yàn)時(shí)還會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

采用先進(jìn)激光測(cè)量系統(tǒng)可以精確高效地測(cè)量燃燒室點(diǎn)火電嘴附近氣流的速度、溫度和密度，輔以液滴粒徑分布的測(cè)量?？梢愿鶕?jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果診斷電嘴附近區(qū)域的氣流溫度是否過低、氣流速度是否過高、回流區(qū)形成的充分與否，乃至電嘴附近液滴粒徑的大小是否合適等，以徹底查清點(diǎn)火故障的原因。

由此，對(duì)某種類型燃燒室、點(diǎn)火電嘴和噴油嘴的結(jié)合方式做出評(píng)估。通過多次試驗(yàn)所建立起的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，可對(duì)后續(xù)工作提供極大便利。

3.2 貧油熄火邊界

燃燒室燃燒穩(wěn)定工作范圍的下邊界是貧油熄火邊界，是發(fā)動(dòng)機(jī)的最小穩(wěn)定工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的燃燒室貧油熄火邊界是在初級(jí)設(shè)計(jì)階段憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)置好相應(yīng)的回流區(qū)，創(chuàng)造高溫燃?xì)馀c燃油的混合條件；然后確定氣流參數(shù)，降低燃油供給量或固定燃油流量，增大氣流速度，在熄火時(shí)得到熄火的油氣比。

采用先進(jìn)激光測(cè)量系統(tǒng)及其拓展系統(tǒng)后可以對(duì)燃燒室的3維流場(chǎng)、組分場(chǎng)、溫度場(chǎng)和液滴粒徑進(jìn)行精確測(cè)量。通過測(cè)量可以觀察到火焰逐漸縮短至噴嘴出口附近，查看燃燒室頭部及邊界層是否存在流動(dòng)分離、不穩(wěn)定流動(dòng)區(qū)域和倒流，主回流區(qū)的位置和流動(dòng)狀態(tài)隨著油氣比的減小如何變化。通過這些信息獲得的貧油熄火邊界要比單一油氣比的數(shù)值更有說服力。在燃燒室機(jī)理試驗(yàn)和應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)中可發(fā)揮重要的作用。

在研究貧油熄火極限的過程中，Lefebvre研究了不同燃油的屬性、主燃燒區(qū)流量分配和燃燒室進(jìn)口參數(shù)的變化對(duì)幾種發(fā)動(dòng)機(jī)（包括J79-17A、J79-17C、F101、TF41、TF39、J85、TF33 和 F100） 燃燒室的燃燒性能的影響。Lefebvre在大量發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上總結(jié)了慢車工況貧油熄火的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[13]，主要考慮了油滴蒸發(fā)、霧化、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及工況的影響。Lefebvre的貧油熄火經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為

式（3）對(duì)于傳統(tǒng)燃燒室有很好的借鑒作用，但是在先進(jìn)新型燃燒室的預(yù)研中需要對(duì)其做出必要的修正和補(bǔ)充。而如何獲得燃燒室內(nèi)氣流參數(shù)，如Pb和Tb對(duì)于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的計(jì)算精度至關(guān)重要。因此，拉曼散射激光測(cè)量系統(tǒng)也可以在貧油熄火經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的補(bǔ)充和改進(jìn)中發(fā)揮作用。

3.3 低污染排放機(jī)理

燃燒室低污染研究面臨的主要問題是在發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)時(shí)因燃燒不完全而產(chǎn)生CO和UHC，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)時(shí)因高溫而產(chǎn)生NOx。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高推重比的要求，燃燒室出口溫度和加力燃燒室進(jìn)口溫度都大幅度升高，其中燃燒室出口溫度超過2000 K。這就需要加強(qiáng)對(duì)高溫環(huán)境下NOx等污染物生成機(jī)理的研究。

目前，關(guān)于燃燒室內(nèi)污染物生成研究主要依靠數(shù)值分析計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與燃燒室出口組分的測(cè)量結(jié)果相對(duì)比，尋求污染物生成機(jī)理。但是僅僅通過對(duì)燃燒室出口氣體成分的對(duì)比不能充分反映出燃燒室內(nèi)部污染物生成的過程，而采用PLIF等其他激光測(cè)量系統(tǒng)不能同時(shí)測(cè)量各污染物組分。

采用拉曼散射激光測(cè)量系統(tǒng)可以通過對(duì)燃燒室內(nèi)3維流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組分場(chǎng)的測(cè)量了解NOx、CO和UHC等污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同工況下的變化規(guī)律，可以通過改變主燃區(qū)油氣匹配，改變回流區(qū)流動(dòng)方式，以及運(yùn)用各種低污染排放燃燒方法控制NOx、CO和UHC的生成。也可通過研究燃油噴射方式和霧化性能，研究主燃區(qū)油氣混合、燃油噴嘴下游的燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布與NOx等污染物生成之間的規(guī)律。

4 結(jié)束語

目前，氫氧根離子標(biāo)記測(cè)速以及拉曼散射溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用上受到一些限制，但是這些技術(shù)具有不干擾流場(chǎng)、精度高、空間解析度高、測(cè)量范圍廣，以及可同時(shí)多點(diǎn)多組分測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研發(fā)過程中非常適用。

采用先進(jìn)激光測(cè)量技術(shù)可為突破燃燒室關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題提供技術(shù)上的有力支撐。

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