气体物理

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气体物理第5卷第2期封面+目录

2020, 5(2): .

43

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摘要:

NO激光诱导荧光对高焓气流温度的测量

严浩, 张少华, 王方仪, 余西龙

2020, 5(2): 1-7. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0794

126

6

摘要:
由于真实气体效应，高超声速流场的研究仍然依赖于大量的实验.流场温度是实验的重要参数，目前只能通过具有非入侵性质的光学测量手段获得，然而，由于多方面的难题，鲜有对高焓流场参数测量的报道.文章介绍了利用激光诱导荧光（laser-induced fluorescence，LIF）技术对JF-10氢氧爆轰激波风洞产生的高焓实验气流温度的测量工作.搭建了用于脉冲式风洞的LIF测量系统，使用了NO分子作为荧光组分.因为高焓流场实验条件苛刻，本实验对传统的激光设置进行了调整，使用了平行于拍摄方向的竖直平面激光激发NO，使荧光信号更为集中，获得了清晰的LIF图像.利用双线测温法（two-line thermometry，TLT）测量高焓自由流中NO分子的转动温度，从而确定气流的平转温度.测量结果表明，JF-10实验气流的平转温度为600 K.

基于CARS技术的超燃冲压发动机点火过程温度测量

杨文斌, 齐新华, 王林森, 陈爽, 周江宁, 陈力, 闫博, 母金河, 杨顺华, 张顺平

2020, 5(2): 8-13. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0800

68

7

摘要:
相干anti-Stokes Raman散射（coherent anti-Stokes Raman scattering，CARS）技术作为一种非接触测量手段，已广泛应用于多种发动机模型燃烧室温度测量及地面试验.然而，目前的工作主要集中在稳态燃烧场温度的测量，缺乏用高分辨率的单脉冲来测量瞬变的燃烧火焰温度及组分浓度的研究.基于CARS理论，结合多参数拟合算法，开发了基于MATLAB的CARS光谱计算和拟合程序CARSCF；利用McKenna平面火焰炉在不同工况下进行了温度测量，并与DLR测量结果进行对比，结果显示开发的CARSCF具有较高的测量重复性和准确性；最后将CARS技术应用于测量超燃冲压发动机点火过程中的温度测量，获取了点火过程中的温度.结果显示，在来流Mach数为3的条件下，H₂/air点火过程中温度呈现急剧上升然后缓慢下降，而CARS信号则呈现急剧上升然后急剧下降随后又缓慢上升的趋势，并且在点火过程中最高温度为1 511 K.

激光诱导荧光聚焦纹影系统及超声速燃烧流场应用

周芮旭, 连欢, 顾洪斌, 张新宇

2020, 5(2): 14-19. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0799

76

5

摘要:
纹影是一种常用的流动显示技术，广泛应用于可压缩流动显示及超声速燃烧流场实验.然而，在变Mach数超声速燃烧实验中，燃烧室总温随来流Mach数变化.受准稳态/非定常温度变化影响，光学玻璃窗口的折射率发生显著改变，影响基于密度梯度的纹影成像质量.同时，普通纹影为光程体积沿程积分，难以同二维燃烧场成像信息进行直接比较以开展燃烧与流动耦合研究.聚焦纹影技术可抑制燃烧室内高温引起的玻璃窗口折射率变化，并实现毫米级的急剧聚焦深度，获得二维流场结构，同时配合纳秒级脉宽Nd：YAG激光光源可冻结高超声速流场.在传统聚焦纹影系统基础上发展了激光诱导荧光聚焦纹影系统并应用于变Mach数超声速燃烧实验，创新点在于使用激光诱导荧光染料，以荧光作为光源消除原本激光光源中的相干噪声，同时发展了边缘增强图像处理方法.实验结果表明激光诱导荧光聚焦纹影系统及边缘增强图像处理方法能够有效消除激光光源相干噪声，捕捉二维超声速燃烧流场结构.

甲烷-空气预混火焰中OH^*, CH^*发光的定量测量及模拟

王宽亮, 李飞, 林鑫, 余西龙

2020, 5(2): 20-27. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0795

76

2

摘要:
基于燃烧化学自发光的诊断技术对发动机诊断、监控有重要意义.针对碳氢燃料燃烧中OH^*，CH^*激发态物质的生成机理，及其与释热率、当量比的关系进行了实验与模拟探究.首先，利用提出的辐射标定手段对当量比0.7~1.33范围内甲烷-空气预混火焰进行了化学发光量化测量，通过波长分辨的光学收集系统，同时获得各发光组分的浓度，具有很强的便利性.然后采用一维燃烧反应模拟，对与实验工况相同条件下的发光辐射进行定量计算，并对比了释热分布与激发态物质（OH^*，CH^*，C₂^*，CO₂^*）的相互关系，计算结果表明，在甲烷-空气层流火焰中，OH^*，CH^*最合适标识释热率，C₂^*次之，CO₂^*与释热率分布几乎无相关性.通过实验与计算的对比结果，分析了现有OH^*，CH^*的各反应通道和常数的准确度，并评估了两自发光组分的主要生成反应路径.

基于超限化的吸收层析反演算法研究

水崇源, 黄建青, 蔡伟伟

2020, 5(2): 28-37. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0810

134

2

摘要:
针对吸收光谱层析（tomographic absorption spectroscopy，TAS）中的反问题，利用超限化（superiorization）在重建中引入平滑性、稀疏性等先验条件，对现有的层析反演算法提出了改进.通过计算机仿真，对代数重建（algebraic reconstruction technique，ART）算法、最大似然期望最大化（maximum likelihod expectation maximization，MLEM）算法的超限化在TAS反演中的应用进行了研究.在仿真中，对比了不同二维火焰场、不同目标约束函数下超限化算法的效果，研究了噪声对重建的影响以及超限化算法在不同条件下的计算效率.研究结果证实了超限化对于层析反演算法在计算精度、收敛速度等方面的提升效果.

ADN基液体推进剂激光诱导等离子体的光谱研究

王方仪, 张少华, 余西龙

2020, 5(2): 38-46. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0793

79

2

摘要:
ADN（二硝酰胺铵）基单组元液体推进剂是一种新兴的、可替代肼的绿色推进剂，发展非接触式手段、实时分析元素含量对于研究ADN基推力器的燃烧诊断十分重要.通过建立绝对辐射光谱和高分辨率光谱测量系统，优化了实验参数，研究了由ADN-甲醇-水组成推进剂的激光诱导击穿光谱，分析了光谱中元素H，N，O的时间演化特性，基于Boltzmann斜线法和Stark效应法分别得到了激光诱导产生等离子体的电子温度和电子密度的时间演化曲线，推进剂的初始电子温度为68 000 K，电子密度为1.6×10¹⁹ cm^-3，利用e指数拟合得到相应的弛豫时间分别为270 ns和90 ns，该实验条件下未发现ADN基推进剂成功点火现象.

弹头激波诱导燃烧特性的数值模拟

李俊红, 程晓丽, 沈清

2020, 5(2): 47-53. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0819

81

5

摘要:
为了研究弹头激波诱导燃烧，基于有限体积的考虑化学反应的Navier-Stokes（N-S）方程，对预混氢气-空气化学恰当比时的燃烧流场进行了数值模拟.时间项基于2阶隐式LU-SGS格式，对流项基于Steger-Warming进行离散，化学反应源项采用对角化隐式处理.首先，研究了网格对燃烧爆轰流场结构的影响，并利用Lehr实验结果验证了计算方法的可靠性；其次，研究了弹头的飞行Mach数（Ma=4.18，5.11，6.46）、弹头直径（D=5，10，15 mm）对燃烧流场稳定性的影响.研究表明：计算网格对氢气-空气爆轰流场结构影响很大；弹头直径一定时，氢气-空气燃烧流场稳定性随着飞行Mach数的增大而增强；弹头飞行Mach数一定时，氢气-空气燃烧流场稳定性随着弹头直径减小而增强.

柔性管内油水环状流流动结构数值模拟

卢浩然, 江帆, 陈玉梁, 祁肖龙

2020, 5(2): 54-62. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0778

91

3

摘要:
海洋中柔性管道受到外界猛烈撞击，撞击物的不同会导致管道内流道结构发生不同的改变.为探寻流道结构变化对环状流动结构的影响规律，采用N-S方程和湍流模型描述流体运动，用VoF模型与CSF模型追踪油水界面，建立数值方程与分析模型，分析流道不同形式的结构变形、不同程度变形和不同流速下油水环状流在管内的湍动能和漩涡结构演变，及环状流流型的演变和压力场的演变.分析结果表明：凹陷变形程度越大，漩涡的强度及面积越大，V形变形影响远大于○形变形影响，环状流的流型发生改变时仍然保持着水相包裹油相的稳定状态，最大压缩区域的油水界面压强也随之增大，且增速变大.所得结论对研究油水环状流在柔性管道运输中的稳定性具有一定指导意义.

主管部门：	中国航天科技集团有限公司
主办单位：	中国航天空气动力技术研究院中国宇航学会中国宇航出版有限责任公司

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