[发明专利]一种燃烧热释放率测量方法

权利要求书

1.一种燃烧热释放率测量方法，其特征在于：分为以下几个步骤进行；

步骤一：测量参考激光和探测激光的相位差；

信号的强度依赖于两束激光的光学路径差别ΔL(t)；如果定义参考激光束为0，探测激光束为1，两束激光的光学路径的差别ΔL(t)表示为：

式中，L₀和L₁为参考激光和探测激光经过的光学路径，n₀和n₁为参考激光和探测激光穿过气体的折射系数，z为激光路径在坐标系内的坐标轴；

两束激光上的气体的折射系数认为跟气体密度成正比；两束激光的相位差则等于这里λ₀为激光的波长；光电倍增管接收到的两束激光的干涉条纹强度表示为：

这里I₀为激光在没有分成两束之前的光强；

步骤二：测量被测气体的密度脉动；

整个激光干涉系统的几何路径保持不变，并且激光头内部的折射系数不变，两束激光的相位差变化跟沿着测量激光路径上的密度脉动ρ′的积分相关：

因此通过激光干涉仪装置，测量得到沿着测量激光方向上的气体密度脉动的信息；

步骤三：测量燃烧热释放率脉动；

根据气体密度脉动和燃烧热释放率脉动的关系，间接获得非定常燃烧热释放率脉动信息；

气体密度脉动与热释放率脉动关系计算公式如下：

燃烧反应混合物密度输运方程表示为：

其中，T为温度；N为混合气体中组分种类总数；为散度符号；p_g为压强；

式中，c为声速，c_p为气体混合物的等压比热容，h为气体混合物的总焓，Q为热通量矢量，τ为粘性应力张量，v为速度矢量；假设气体为理想气体，则其满足状态方程p＝ρrT；式中，r^k为组分k的气体常数，Y_k、W_k和h_k分别为组分k的质量分数、摩尔质量和标准焓，R为通用气体常数；由理想气体状态方程，得到温度的微分形式为：

继而得出气体混合物总焓的微分形式为：

利用混合物组分k的标准焓代替气体密度输运方程中的总焓，则得到关于组分k的密度输运方程为：

组分k的质量分数的输运方程为式中，为组分k单位体积生成率，j_k为组分k的扩散通量；密度方程转化为：

其中，参数为热源。

2.根据权利要求1所述的一种燃烧热释放率测量方法，其特征在于：在步骤三中，对于以空气为氧化剂的气体燃烧系统，热辐射、索里特Soret效应、杜弗Dufour效应引起的热量传递都忽略不计，基于傅里叶定律，方程里的即替换为其中λ为导热系数，进一步简化为：

3.根据权利要求2所述的一种燃烧热释放率测量方法，其特征在于：

脉动火焰存在很大的压力梯度，忽略粘性的影响；对于以空气为氧化剂的燃烧，由于空气的稀释作用，混合气体的摩尔质量在反应前后变化不大，基于线性化理论，得出如下关系：

4.根据权利要求3所述的一种燃烧热释放率测量方法，其特征在于：公式公式里括号中的第一项表示温度脉动向周围气体的扩散引起的热损耗，除了在接近于熄火边界或者是在固壁表面附近的燃烧区域，这一项相对于燃烧热释放脉非常小；

进一步简化为：

5.根据权利要求4所述的一种燃烧热释放率测量方法，其特征在于：简化后的公式描述了密度脉动受压力脉动和热释放率脉动两个因素的影响，但在实际连续工作的燃烧器中，由于热释放率脉动大，忽略声波对密度变化的影响，即将压力对密度脉动的影响忽略掉，进而得到密度脉动和热释放率脉动关系的数学表达式：

6.根据权利要求1所述的一种燃烧热释放率测量方法，其特征在于：步骤二中，激光头工作的环境温度保持不变。

7.根据权利要求1所述的一种燃烧热释放率测量方法，其特征在于：所用的实验装置包括激光干涉仪；所使用的激光干涉仪包括一个激光发生器和一套马赫-曾德尔Mach–Zehnder干涉仪；激光发生器包括产生激光的激光头和一系列光学镜片等；激光头产生一束连续的激光，这束激光经过激光发生器内部的分光镜后被均匀的分为两束激光；马赫-曾德尔干涉仪的作用是测量这两束激光的相位差；经分光镜后的两束激光，其中一束激光通过激光发生器内部的一组反射镜后再穿过分光镜，这束激光一直在激光发生器内，被认为是参考激光；另一束激光为探测激光，通过一组透镜后穿越被测气体，然后被另一侧的一个固定反射镜反射，然后再次穿越被测气体、透镜、分光镜；两束激光的干涉条纹通过光电倍增管测量，从而测量得到两束激光的相位差。