一种基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征方法

本发明属于燃烧诊断与测试，尤其涉及一种基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征计算方法。

背景技术：

1、液雾燃烧广泛应用于重型燃气轮机、航空发动机、油气锅炉以及液体火箭发动机等能源动力装置。其原理是通过喷嘴将液体燃料雾化为微米级的液滴，在液滴遇热蒸发后与旋流空气发生掺混，实现充分燃烧。为提高燃烧效率、监测和控制燃烧不稳定性，对液雾旋流火焰热释放速率(hrr)和反应程度的监测与控制是工业上需要解决的重要问题，然而实际燃烧过程的热释放速率难以直接测量，因此建立可以对热释放速率可靠表征的指标十分关键，在实验中科研人员通常利用与热释放速率成正比的参数来间接测量火焰热释放速率。

2、对于碳氢燃料火焰最常使用的诊断技术之一是测量火焰的化学发光辐射，化学发光的原理是燃料在燃烧时所释放的大量能量使气相和固相受激发生成一系列激发态自由基，当处于激发态的自由基发生跃迁回到低能级态时，由于释放出特定频率的光子而产生的发光辐射现象。由于化学发光发生在与反应区接近的狭窄区域内，且具有瞬时性，因此化学发光与燃烧的当量比、热释放速率等具有直接的联系。

3、然而目前关于oh*、ch*、c2*等自由基的化学发光强度与火焰热释放速率之间的关联性只适用于简单的气态燃料火焰，且仅停留在定性表征阶段。相比气体燃料，在工业中常用于航空发动机、燃气轮机等液雾旋流火焰的化学发光研究更为稀少，目前研究中自由基化学发光与火焰热释放速率之间的关系是否适用或适用边界范围仍不清楚。此外，现阶段利用常规的数学模型来计算化学发光与火焰热释放速率的精度很低，无法被用作热释放速率的指标。因此，为实现工业中液雾旋流火焰中热释放速率的监测与控制，亟需一种适用于液体燃料的燃烧热释放速率的表征方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种快速且精确的适用于液体燃料的燃烧热释放速率的表征方法。

2、为解决上述技术问题，本发明通过下述三种技术方案实现：

3、技术方案一：

4、一种基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征方法，包括：

5、获取液体燃料燃烧中自发产生的oh*、ch*和c2*三种自由基中的任意一种自由基的化学发光强度；

6、基于获取的任意一种自由基的化学发光强度，得到液体燃料液雾旋流火焰热释放速率：

7、

8、

9、

10、式中，hrr为液体燃料液雾旋流火焰热释放速率；α1，α2，α3为分别使用oh*、ch*和c2*化学发光强度为自变量计算热释放速率的相应幂系数；k1，b1，k2，b2，k3，b3为相应的线性系数。

11、系数α1，α2，α3，k1，b1，k2，b2，k3及b3的确定方法是：

12、根据不同燃料的实验工况计算火焰热释放速率并与采集到的自由基化学发光强度按照公式(1)-(3)进行非线性拟合，得到以oh*、ch*和c2*三种自由基中的任意一种自由基的化学发光强度计算火焰热释放速率的修正系数。

13、技术方案二：

14、一种基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征方法，包括：

15、获取液体燃料燃烧中自发产生的oh*、ch*和c2*三种自由基中的任意二种自由基的化学发光强度；

16、基于获取的任意二种自由基的化学发光强度，得到液体燃料液雾旋流火焰热释放速率：

17、

18、

19、

20、式中，hrr为液体燃料液雾旋流火焰热释放速率；β1，γ1，β2，γ2，β3，γ3为分别使用oh*、ch*和c2*任意二种自由基化学发光强度为自变量计算热释放速率的相应幂系数；k4，b4，k5，b5，k6，b6为相应的线性系数。

21、系数β1，γ1，β2，γ2，β3，γ3，k4，b4，k5，b5，k6，b6的确定方法是：

22、根据不同燃料的实验工况计算火焰热释放速率并与采集到的自由基化学发光强度按照公式(4)-(6)进行非线性拟合，得到以oh*、ch*和c2*三种自由基中的任意二种自由基的化学发光强度计算火焰热释放速率的修正系数。

23、技术方案三：

24、一种基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征方法，包括：

25、获取液体燃料燃烧中自发产生的oh*、ch*和c2*三种自由基的化学发光强度；

26、基于获取三种自由基的化学发光强度，得到液体燃料液雾旋流火焰热释放速率：

27、hrr＝k7*ohx*chy*c2z+b7  (7)

28、式中，hrr为液体燃料液雾旋流火焰热释放速率；x，y，z为使用oh*、ch*和c2*三自由基化学发光强度为自变量计算热释放速率的相应幂系数；k7，b7为相应的线性系数。

29、系数x，y，z，k7，b7的确定方法是：

30、根据不同燃料的实验工况计算火焰热释放速率并与采集到的自由基化学发光强度按照公式(7)进行非线性拟合，得到以oh*、ch*和c2*三种自由基的化学发光强度计算火焰热释放速率的修正系数。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、1.本发明方案是通过采集液雾旋流火焰的自由基化学发光强度进行热释放速率的表征，从而实现工业级液雾旋流火焰热释放速率的表征方法，可用于计算工业燃烧领域常用的多种液体燃料的燃烧热释放速率，对提高燃烧效率、监测和控制燃烧不稳定性等具有实际意义。

33、2.本发明表征方法，基于火焰自发化学发光辐射，测量过程无需借助激光等外界手段，测量设备简单，具有廉价性、瞬时性的优点，由自由基化学发光强度直接得到热释放速率，快捷高效。

34、3.本发明表征方法所采用的模型，相比其他常规拟合算法的模型具有更好的精度，尤其是双组分模型和三组分模型。

技术特征：

1.一种基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征方法，其特征在于，系数α1，α2，α3，k1，b1，k2，b2，k3及b3的确定方法是：

3.一种基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征方法，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征方法，其特征在于，系数β1，γ1，β2，γ2，β3，γ3，k4，b4，k5，b5，k6，b6的确定方法是：

5.一种基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征方法，其特征在于，系数x，y，z，k7，b7的确定方法是：

技术总结
本发明涉及一种基于化学发光的液雾旋流火焰热释放速率表征方法，涉及燃烧测试与诊断领域，包含三种分别基于单组分自由基化学发光、双组分自由基化学发光以及三组分自由基化学发光对燃烧热释放速率（HRR）进行定量计算的模型。所述模型适用于液雾旋流火焰热释放速率的定量计算，是火焰热释放速率的可靠指标。本发明适用于诸如乙醇、航空煤油、甲醇、生物质燃料等各类工业级应用的液雾旋流火焰燃烧，对工业燃烧的火焰控制与监测具有实际意义。

技术研发人员：张炜,许传龙,李健,张彪
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/29