双旋流燃烧室出口组分与温度测量的侵入/非侵入式诊断技术研究

为解决航空发动机燃烧室出口流场参数精确测量难题，研究人员采用质谱(MS)、可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、自发拉曼散射(SRS)和激光诱导白炽光(LII)等侵入/非侵入诊断技术，在RP-3航空煤油双旋流RQL燃烧室中实现组分与温度多维度测量。研究首次获得详细UHC物种数据，验证了MS在自由基检测中的优势，并建立不同诊断技术的对比体系，为燃烧优化与排放控制提供关键技术支撑。

　　

航空发动机作为现代工业"皇冠上的明珠"，其燃烧系统正面临日益严峻的环保挑战。国际民航组织(ICAO)不断加严的排放标准，将CO₂、NO_x、CO和未燃碳氢(UHC)等污染物推向风口浪尖。然而，先进燃烧室如富燃-快淬-贫燃(RQL)设计虽能降低排放，却导致出口流场温度更高、湍流更强，传统的气体分析(GA)技术已难以满足精确测量需求。更棘手的是，高温环境下物种解离现象加剧，自由基检测成为"盲区"，而侵入式采样又会扰动流场——这就像试图用体温计测量龙卷风中心温度，既难精准又易失真。

针对这一系列挑战，中国空气动力研究与发展中心的研究团队在《Fuel》发表重要成果。他们以RP-3航空煤油燃料的双旋流RQL燃烧室为对象，构建了包含6种诊断技术的"测量矩阵"：通过设计两种采样耙(SR)，结合GA与MS实现侵入式测量；采用TDLAS、SRS和LII三种激光诊断技术进行非侵入检测。这种"双管齐下"的策略，既克服了单一技术的局限性，又通过交叉验证提升了数据可靠性。

关键技术方面，研究团队创新性地将MS应用于燃烧室出口检测，其质量分辨率达0.1 amu，可捕捉OH等自由基；TDLAS系统采用2.3 μm和4.6 μm波段分别测量H₂O和CO/CO₂；SRS使用532 nm激光与高量子效率ICCD相机，实现多组分同步测量；LII则通过1064 nm激光激发碳烟，量化其体积分数(SVF)。所有实验均在三种典型工况(OC1-OC3)下重复三次，确保数据统计意义。

物种分布测量结果
MS与GA的对比显示：在测量常规物种如CO时，两者偏差小于5%，但MS额外检测到NO₂和CH₃等GA无法识别的组分。特别值得注意的是，MS在OC2工况下首次测得0.8 ppm的OH自由基，证实了高温流场中的非平衡化学反应。

激光诊断技术验证
TDLAS与GA的CO测量结果呈现高度线性相关(R²>0.98)，但在高湍流区偏差达12%，揭示流动脉动对激光路径积分的影响。SRS测量的CO₂浓度与GA差异仅3.2%，但其空间分辨率显著优于GA的毫米级采样。LII测得SVF在旋流器中心区域最高达5×10^-6，与燃烧不稳定性呈现强相关性。

采样耙对比分析
两种SR的GA结果差异表明：SR#2（集成式设计）的测量重复性优于SR#1约40%，其优化的抽气速率(200 m/s)有效减少颗粒物沉积，成为后续研究的基准参照。

这项研究的突破性在于构建了航空发动机燃烧诊断的"技术图谱"：MS填补了自由基检测空白，TDLAS实现CO/NO在线监测，SRS提供多组分"快照"，LII则捕捉碳烟动态。这些技术不仅为RQL燃烧室优化提供数据基石，更启示我们：未来燃烧诊断或将走向"侵入式标定+非侵入式应用"的新范式。正如研究者指出，当MS与TDLAS的测量偏差控制在8%以内时，非侵入技术完全可替代部分侵入检测——这为发动机台架试验开辟了更高效安全的评估路径。