● 摘要
非接触光学诊断由于其非侵入特性，在燃烧机理的深层研究中正扮演着愈发重要的角色。本文对常见的非接触光学诊断技术优缺点、适用范围及发展趋势开展了研究工作，综合考虑了调研结果、实验目的及可行性，选择了OH基平面激光诱导荧光（OH-PLIF）、CH*化学荧光和红外热像这三种诊断方法为主的研究手段，并辅助使用了高速摄影仪和尾气分析仪，对乙醇扩散燃烧火焰、以甲烷/空气旋流预混稀释燃烧为模型的航空发动机缩比燃烧室、以及气氢/气氧同轴剪切喷注器为模型的航天发动机缩比燃烧室这三个实例开展了应用研究。
在传统的非接触光学诊断技术方面，本文做了三方面优化与改进。首先，针对OH-PLIF图像处理中遇到的信噪比低、亮度不均匀、梯度变化剧烈、边界微弱以及火焰形态复杂的火焰图像，开发了条件型水平集（CLS）和基于块策略的条件型水平集（CLSB）方法用于提取火焰结构参数，并通过理想目标（GT）和统计理想目标（SDGT）评估验证了CLS与CLSB方法的鲁棒性。其次，基于PLIF光学测量的弱激发原理，提出了一种OH-PLIF定量测量的可行方案，建立了通过RANS数值模拟得到的OH稳态分布和OH-PLIF的时均实验结果之间的线性标定关系，该标定关系对于同一系统中的激光和相机实验组合具有唯一性，因此通过简单火焰燃烧模型得到的标定关系在不更换实验组合的前提下，可直接推广至更为复杂的火焰类型和燃烧室结构。最后，本文设计了可同时满足时均分析和时域分析的联合非接触光学诊断实验技术，实现了同时研究燃烧的宏观现象以及火焰的微观特征，从而减少了实验重复所引入的不确定误差，提高了实验效率和精度。
基于上述对实验测量方案和数据处理方法的开发与优化，本文通过对三个应用实例开展研究，为非接触光学诊断技术在燃烧流动与航空航天中的应用提供了研究参考。在乙醇扩散火焰的研究中，首次提出了完整的OH-PLIF测量、数据处理和结果分析的研究框架，以及数值/实验联合分析方法。在航空发动机领域的甲烷/空气旋流预混稀释燃烧研究中，系统地分析了化学当量比、氮气/二氧化碳稀释度、空气预热温度对于旋流预混火焰结构、火焰稳定性及污染排放的影响规律，得到的烷烃类的预混稀释燃烧数据及相关结论，能够为绿色天然气涡轮发动机的设计与优化提供有益参考，进而为世界范围内的节能减排、环境保护及可持续发展提供技术上的支持。在液体火箭发动机领域的氢/氧气气同轴剪切喷注燃烧流场诊断的研究中，通过联合非接触光学诊断同时获取了气气燃烧流场中的OH基团分布、燃烧长度、点火过程以及燃烧不稳定性等实验结果，基于雷诺平均的RANS仿真分析与实验结果的对比进一步得到了不同喷注器设计参数对氢/氧气气喷注燃烧的火焰前锋、燃烧反应区以及平均化学反应层的影响。定量化OH-PLIF测量结果可以用于建立标准氢/氧气气燃烧数据库，并为液体火箭发动机优化设计提供参考。
综上所述，本文提出的研究思路以及对非接触光学诊断技术的优化，能够为非接触光学诊断技术的应用研究提供有益参考，并为上述诊断技术在其他领域的推广应用提供有力支持。同时，相关应用实例的研究结果及相关结论为清洁燃烧领域的研究提供了宝贵的参考，也为日益加剧的能源问题提供了可行的解决方案。