Simultaneous 1D hybrid fs/ps rotational CARS, phosphor thermometry, and CH* imaging to study transient near-wall heat transfer processes
Simultaneous 1D hybrid fs/ps rotational CARS, phosphor thermometry, and CH* imaging to study transient near-wall heat transfer processes
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同时 1D 混合 fs/ps 旋转 CARS、荧光测温和 CH* 成像，用于研究瞬态近壁传热过程
DOI：
10.1016/j.proci.2020.06.097
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发表时间：
2021
影响因子：
3.4
通讯作者：
Escofet-Martin D
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Escofet-Martin D
近壁瞬态传热和火焰-壁面干扰（FWI）是小型内燃机和燃气涡轮机技术发展中的重要课题。在这项工作中，我们进行测量，使用一维混合fs/ps旋转汽车（HRCARS），热成像荧光粉（TGP）和CH* 成像在一个光学可访问的腔室，旨在研究瞬态近壁传热过程相关的IC发动机操作。HRCARS提供单次气相温度（40 µm空间分辨率和高达3 mm的壁法线距离），而热成像荧光粉测量壁温，CH* 测量火焰前沿位置。这些同时测量用于解决热边界层（TBL）的发展和相关的气体热损失的气体壁相互作用的三个重要过程：（1）未燃烧的气体多方压缩过程，（2）FWI，和（3）后火焰和气体膨胀过程。在一个温和的多方压缩过程中，测量强调，即使是一个相对较小的壁面热通量（≤5 kW/m2）产生了可观的温度分层通过一个发展TBL。在FWI期间，由火焰引起的热梯度在TBL内被解决。最靠近壁的气体（y<0.2 mm）继续经受来自多变压缩的热负荷，直到火焰在距壁1.4 mm内。紧接着，随着壁温开始增加，壁首先感觉到火焰。在FWI期间，高达1150 K的气体温度撞击壁，产生峰值壁热通量（620 kW/m2），并且壁温增加（ΔTwall=14 K）。火焰后气体中的气体热损失在壁处迅速发生，随着壁热通量缓慢减小，产生从壁延伸的较冷气体的TBL。HRCARS进一步捕获TBL中的气体和核心气体在温和膨胀和排气过程中的快速冷却。
Near-wall transient heat transfer and flame–wall interaction (FWI) are topics of great importance in the development of downsized internal combustion (IC) engines and gas turbine technology. In this work we perform measurements using 1D hybrid fs/ps rotational CARS (HRCARS), thermographic phosphors (TGP) and CH* imaging in an optically-accessible chamber designed to study transient near-wall heat transfer processes relevant to IC engine operation. HRCARS provides single-shot gas-phase temperatures (40 µm spatial resolution and up to 3 mm wall-normal distances), while thermographic phosphors measures wall temperature and CH* measures the flame front position. These simultaneous measurements are used to resolve thermal boundary layer (TBL) development and associated gaseous heat loss for three important processes of gas–wall interactions: (1) an unburned-gas polytropic compression process, (2) FWI, and (3) post-flame and gas expansion processes. During a mild polytropic compression process, measurements emphasize that even a relatively small wall heat flux (≤5 kW/m2) yields an appreciable temperature stratification through a developing TBL. During FWI, thermal gradients induced by the flame are resolved within the TBL. Gases closest to the wall (y<0.2 mm) continue to experience thermal loading from polytropic compression until the flame is within ∼1.4 mm from the wall. Immediately afterwards, the wall first senses the flame as the wall temperature begins to increase. During FWI, gas temperatures up to 1150 K impinge on the wall, producing peak wall heat fluxes (620 kW/m2) and the wall temperature increases (ΔTwall=14 K). Gaseous heat loss in the post-flame gas occurs rapidly at the wall, yielding a TBL of colder gases extending from the wall as wall heat flux slowly decreases. HRCARS further captures the rapid cooling of gases in the TBL and core-gas during the mild expansion and exhaust process.
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