Planar inducida por láser imágenes de fluorescencia de los radicales OH en la combustión hipervelocidad uso de intensificación de la CCD Sistema de Princeton Instruments

Los temas cubiertos

Tubos de expansión y reflejada túneles de choque
Ampliación de las instalaciones de metro a Stanford
OH radicales para obtener la ubicación de las ondas de choque y de la Región de combustión
Princeton Instruments PI-MAX ICCD cámara utilizada para OH-Experimento de PLIF
Resultados de los experimentos
Conclusiones

Tubos de expansión y reflejada túneles de choque

Debido a la gran entalpías asociadas con alto vuelo de Mach, sólo las instalaciones de impulso son capaces de proporcionar la temperatura requerida total y hipervelocidad para reproducir adecuadamente el medio ambiente cámara de combustión. Tubos de expansión y refleja túneles de choque son dos entornos de tales impulsos en las pruebas pueden ser realizadas a hipervelocidad. Tubos de expansión tiene la ventaja de menos especies químicas disociado en formación, así como la simulación más exacta de la química de la combustión, incluyendo el retraso de encendido y los tiempos de reacción. Sin embargo, los tiempos de prueba es posible en los tubos de expansión son más cortos que los de los túneles de choque reflejada.

La utilización de los futuros sistemas de propulsión hipersónico respirar aire depende de la inyección eficiente, la mezcla y los procesos de combustión en la cámara de combustión de alta velocidad. Por ejemplo, para los motores scramjet, estos procesos tienen que ser optimizado para velocidades de vuelo superiores a Mach 8. La mayoría de la investigación de la combustión hasta la fecha se ha centrado en velocidades mucho menores que ésta.

Ampliación de las instalaciones de metro a Stanford

Los estudios de combustión a hipervelocidad de los Dres. Adela Ben-Yakar y Ronald K. Hanson se llevan a cabo en la instalación de tubo de Stanford expansión de la alta temperatura Gasdynamics Laboratorio (HTGL). Esta instalación es uno de los pocos que pueden proporcionar una amplia gama de condiciones de entalpía total, incluyendo 4-6 mJ / kgair para replicar Mach 10 a Mach 13 condiciones.

El tubo de expansión es de 12 m de longitud con un diámetro interior de 89 mm. Se compone de tres secciones: conductor, impulsado, y la expansión. La sección de conductor está lleno de gas helio a presión y está separada por una membrana doble de la presión impulsada por la sección inferior, que se llena con el gas de prueba. Una carrera se inicia con la ruptura del diafragma para formar una onda de choque que se propaga en el gas de prueba, la producción de velocidad intermedia, con aumento de la presión y la temperatura. El gas de prueba sorprendió es acelerado por un proceso de areaexpansion en la sección de expansión, tanto con una entalpía de estancamiento superior y una mayor presión de reservorio eficaz que el flujo de tubo de choque que le dieron origen.

Figura 1: Esquema de la instalación del tubo de Stanford expansión utilizados en estos experimentos.

OH radicales para obtener la ubicación de las ondas de choque y de la Región de combustión

Los experimentos llevados a cabo por Ben-Yakar en el tubo de la expansión simultánea de imágenes utilizados Schlieren y fluorescencia planar laserinduced de radicales OH (OH-PLIF), formada por auto-ignición de un avión de hidrógeno, para obtener información sobre la ubicación de las ondas de choque y la región de de combustión durante hipervelocidad. La aplicación de estas dos técnicas permite la visualización no invasiva único y fundamental de la conducta de los complejos reaccionar flowfields supersónica de combustible. La intensidad de la fluorescencia OH-puede estar asociada con la fracción molar OH. A las presiones de combustión obtenidos en este trabajo, la señal de fluorescencia se puede modelar como una breve

OH, donde X es la fracción molar OH y J ƒ "es la fracción de Boltzmann OH moléculas en el estado absorbente.

En esta transición de absorción específica - el Q1 (7) la transición de la A-2 Σ + ← X 2 Π (1,0) la banda de OH, situado en 283,31 nm - el efecto de la temperatura desempeña un pequeño papel en la interpretación de las señales para las regiones OH que contiene. La intensidad de fluorescencia, por su parte, se puede utilizar como un indicador directo de OH fracción molar.

Princeton Instruments PI-MAX ICCD cámara utilizada para OH-Experimento de PLIF

Los investigadores de Stanford HTGL emplear una Princeton Instruments PI-MAX CCD intensificada (ICCD) sistema de cámaras para el experimento de PLIF OH-. Este sistema es ideal para la aplicación debido a su alto QE en la región de menor longitud de onda (200 a 500 nm) y gating rápido. El sistema de nanosegundo velocidades intensificador de gating y eficiente encendido / apagado de compuerta de 10 7: un permiso de débil OH-fluorescencia imágenes que se distingue de la gran experiencia de la llama de combustión.

La doble frecuencia de salida de un láser de colorante bombeado por un Nd: YAG láser crea la hoja de láser requiere. Para que las transiciones OHPLIF cerca de 283 nm, 590 Rodamina tinte se usa con las energías de pulso de alrededor de 8 mJ. En la sección de revisión, la hoja de láser es de aproximadamente 0,5 mm de espesor y 3 cm de ancho. La señal de fluorescencia se recoge a través de la ventana de salida igual a la del sistema de Schlieren. A 5 cm de diámetro de espejo dicroico se monta en 45 grados con el eje óptico perpendicular a la ventana de salida para separar las señales. El dicroico, que está diseñado para la reflectividad de> 99% entre 300 y 320 nm, es transparente para el haz de Schlieren. El OH-fluorescencia, sin embargo, se refleja y se recoge por la PI-MAX cámara.

Resultados de los experimentos

La imagen de OH-de PLIF muestra las regiones que contienen moléculas de OH. La evolución de la zona de reacción está en buen acuerdo con la posición del avión con el visto Schlieren imágenes. Un nivel significativo y uniforme de OH en la zona de recirculación confinado por la ola de separación de aguas arriba del inyector es evidente. Un filamento delgado a lo largo del borde exterior de la columna adjunta a la región de encendido de recirculación de la zona siguiente. Más abajo, una disminución de la fluorescencia OH es visible como la mezcla se expande en todo el flowfield jet. Esta disminución puede ser debido a una menor mezcla de la temperatura local o de mala mezcla de aire con el hidrógeno de la reacción.

a) Schlieren imagen

b) OH-de PLIF imagen que muestra las regiones de ignición y la combustión de la inyección en flujo cruzado de alta entalpía

c) OH-PLIF y Schlieren imágenes superpuestas

Imágenes simultáneas OH-PLIF y Schlieren de hidrógeno se inyecta en una corriente cruzada supersónicas. Condiciones de corriente libre: aire, la entrada del quemador del número de Mach = 3,46; temperatura = 1300K, presión = 0,32 atm; velocidad = 2420 m / s (Mach 10), jet-a-corriente libre flujo de relación = 1,4.

Horizontal iluminada OH-de PLIF imágenes son obtenidas. Estas imágenes muestran OH fluorescencia alrededor del jet, mientras que el centro de la pluma no tiene la formación de OH. La concentración de OH en el borde exterior del chorro disminuye a medida que el chorro se mueve aguas abajo.

Figura 3: Top-OH-vista de PLIF imágenes obtenidas a diferentes alturas (y / d = diámetro de chorro) por encima de la placa de la inyección. Los puntos blancos en las imágenes indican el centro de la salida del chorro.

OH-de PLIF experimentos de imagen a Mach 13 muestran características similares condiciones de combustión como los de Mach 10. La naturaleza pulsátil de la región de recirculación de aguas arriba también se puede ver en las condiciones de Mach 13.

Figura 4: Tres instantáneas secuenciales vista lateral-OH-de PLIF imágenes a Mach 13 condiciones. Condiciones: oxígeno puro, la entrada del quemador del número de Mach = 4,7; temperatura = 1300K, presión = 0,05 atm; velocidad = 3300 m / s (Mach 13).

Conclusiones

Los científicos de Stanford HTGL han sido capaces de generar con éxito alta entalpía total de los flujos de la simulación de Mach 10 y Mach 13 condiciones. El superpuestos OH-PLIF y Schlieren imágenes indican la capacidad de retención de la llama de la reacción de hidrógeno en flujo cruzado de aire en diferentes jet-a-corriente libre flujo de relaciones de fuerza. Las imágenes de PLIF OH-, que se obtiene con un sistema de cámara ICCD, permitir la visualización de la combustión que muestra OH fluorescencia en la región de recirculación de aguas arriba del avión y el borde exterior de la pluma de chorro. Estos resultados y las técnicas utilizadas para adquirir contribuirá en gran medida al éxito del desarrollo de los futuros sistemas de propulsión hipersónico airbreathing.

Fuente: Princeton Instruments

Para más información sobre esta fuente, por favor visite Instrumentos Princeton .

Date Added: Aug 25, 2010 | Updated: May 2, 2011

Last Update: 6. October 2011 04:42

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