摘 要

着火延迟时间是燃料着火特性的重要参数之一，是指燃料达到着火条件的时刻到形成稳定燃烧的时间段。激波管作为一种可以瞬间将燃料加温到较高温度和加压到较大压力的实验装置，是研究着火延迟时间常用的装置之一。本文基于MATLAB平台编写实验数据处理软件，利用乙醇/氢气混合燃料在激波管中实验得到的数据计算着火延迟时间和激波速度。其中，激波速度是由PCB压力传感器测得的压力信号数据与传感器间距计算得到的，随后计算出激波的衰减率；着火延迟时间是由Kislter压力传感器测得的压力信号数据和光信号数据计算得到的，此后对不同定义方式下的着火延迟时间数据做对比。主要结论如下：

（1）通过以着火点的定义方式为压力信号斜率最大点切线与其基线的交点、光信号斜率最大点处切线与其基线的交点和光信号峰值这三种定义方式定义着火延迟时间。通过数据分析发现这几种定义方式计算着火延迟时间的方法均可用于实验着火延迟时间的测量。

（2）在高温环境中，乙醇/氢气混合燃料的激波衰减率在0.5%/m~2%/m，属于可正常接受范围内。对比乙醇/氢气混合燃料的侧壁着火延迟时间与端壁的着火延迟时间，侧壁着火延迟时间较短，并且侧壁计算得到的着火延迟时间相对于端壁计算得到的着火延迟时间与利用CHEMKIN软件模拟出的结果比较一致。

关键词：激波管；MATLAB；激波速度；着火延迟时间

Abstract

Ignition delay time is one of the important parameters of fuel ignition characteristics, which refers to the period from the time when the fuel reaches the ignition condition to the time of stable combustion.As an experimental device which can instantly heat the fuel to a higher temperature and pressurize it to a higher pressure, shock wave tube is one of the common devices to study the ignition delay time.This paper wrote experimental data processing software based on MATLAB platform, and then calculated the ignition delay time and shock wave velocity by using the data obtained from the experiment of ethanol/hydrogen mixed fuel in the shock tube.The shock wave velocity is calculated by the pressure signal data measured by PCB pressure sensor and the distance between the sensor, and then the shock wave attenuation rate is calculated.The fire delay time was calculated from the pressure signal data and optical signal data measured by Kislter pressure sensor. Later, the fire delay time data with different definitions were compared.The main conclusions are as follows:

（1）Ignition delay time is defined in three ways: the intersection of the tangent line at the maximum slope of pressure signal and its baseline, the intersection of the tangent line at the maximum slope of optical signal and its baseline, and the peak of optical signal.Through data analysis, it is found that these methods can be used to measure the ignition delay time.

（2）In the high temperature environment, the shock wave attenuation rate of the ethanol/hydrogen mixture is 0.5%/m~2%/m, which is within the acceptable range.The ignition delay time of the side wall of the ethanol/hydrogen mixture is shorter than that of the end wall, and the calculated ignition delay time of the side wall is relatively consistent with the calculated ignition delay time of the end wall by CHEMKIN.

Keywords: Shock tube; MATLAB; Shock velocity;Ignition delay time

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3 研究目的与研究内容 2

1.3.1 研究目的 2

1.3.2 研究内容 2

1.3.3 技术路线 3

第2章 激波管实验数据后处理软件的优化方法 4

2.1 激波管实验装置 4

2.1.1 激波管系统 4

2.1.2 激波管实验数据计算方法 5

2.2 软件优化方法 5

2.2.1 MATLAB软件简介 5

2.2.2 基本编程方法 6

2.3 数据处理方法 6

2.3.1 线性外推法 6

2.3.2 CHEMKIN软件简介 7

2.4 本章小结 8

第3章 激波速度数据的后处理 10

3.1 平均值法计算端壁激波速度 10

3.2 线性外推法计算端壁激波速度 10

3.3 两种计算方法下的激波速度分析与对比 12

3.4 激波衰减 13

3.5 本章小结 14

第4章 着火延迟时间数据的分析 15

4.1 着火延迟时间定义方式 15

4.2 着火延迟时间数据的分析与对比 16

4.3 本章小结 21

第5章 总结与展望 22

5.1 全文总结 22

5.2 工作展望 22

附录 程序 23

致 谢 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 研究背景

着火延迟时间是研究燃料着火特性的重要参数之一，因此准确测量着火延迟时间就显得十分重要。近年来，随着激波管^[1]测量和其他配套技术的日渐成熟，其着火延迟时间的测量精度越来越高，测量结果也愈发可靠^[2]。通过激波管测量获得的着火延迟时间数据，可以为不同燃料的着火特性及化学动力学机理的研究提供强力的数据支持。本文通过实验段的数据采集系统测得压力信号与光信号，利用测得的信号通过计算得到激波速度和着火延迟时间。激波速度^[3]由四个位于低压段末端侧壁上的PCB压力传感器^[4]通过记录激波管中压力阶跃时刻和压力传感器的间距计算得到。低压段端盖处分别安装有Kislter压力传感器与光信号探头^[5]，其中Kislter压力传感器用于标定反射激波到达时刻，光信号探头用于标定着火时刻。着火延迟时间^[6-8]由反射激波到达点与燃料着火点所确定。

为了更准确的得到入射激波速度和着火延迟时间，本文基于MATLAB^[9]软件对实验数据后处理软件进行优化。在优化前软件的基础上增加端壁激波速度的测量，同时增加多种定义方式下的着火延迟时间的测量。利用优化后的软件得到的着火延迟时间和激波速度，然后基于CHEMKIN软件对实验得到的数据进行分析。

1.2国内外研究现状

着火延迟时间是被用于研究燃料着火特性的重要参数之一，其是指从燃料达到着火条件的时刻点到形成稳定燃烧的时刻点之间的时间段。在研究燃料着火特性的过程中，最主要就是对着火延迟时间和化学反应速率系数的研究。目前有很多研究着火延迟时间的装置，激波管作为一种可以瞬间将燃料加温到较高温度和加压到较大压力的实验装置，是在着火延迟时间的研究中常用的装置之一。

尽管激波管较早的被用于实验的研究，但最开始激波管仅仅被用来研究气体的化学物理性质。如1956年Clouston等人利用激波管所做的关于气体的吸收和发射光谱的实验；1958年Logan等人利用激波管研究了关于气体的辐射率等问题。随后，科学家们开始将激波管应用于研究燃料的燃烧与爆轰。Markstein作为最早研究激波产生与着火燃烧相互作用的科学家，此后对燃料的爆燃与爆轰主要使用这种研究方法。之后激波管被应用于燃烧机理实验，主要对着火延迟时间和化学反应速率系数这两个燃烧的特征进行研究。这方面早期的研究工作主要由Lifshitz、Grillo、Borisov、Cheng和Oppenheim^[11-14]等人进行，目前激波管应用研究的内容也主要涉及这方面的研究工作。通过激波管测定着火延迟时间，拟合出经验公式，使得燃烧机理的验证更为准确和发展更加快速。如今，国内外的激波管研究已经达到了一个较高的水平，由于激波对反应物的加热时间极短，故认为整个压缩加热过程是绝热、非等熵、均匀加热的，因此现在激波管普遍被用来研究燃烧化学动力学。

目前对不同定义方式下着火延迟时间计算的研究较为缺乏，因此有必要对不同定义方式下的着火延迟时间的计算开展研究。所以，本文针对着火延迟时间对软件进行优化，主要是对于几种不同定义方式下的着火延迟时间编写数据处理软件。为不同燃料燃烧实验着火延迟时间的计算提供合适的计算方法。

1.3 研究目的与研究内容

1.3.1 研究目的

基于MATLAB平台对激波管实验数据后处理软件进行优化，准确计算出激波速度和着火延迟时间；利用软件计算出的激波速度计算激波衰减率；利用CHEMKIN软件分析实验着火延迟时间数据，进而揭示实验的准确性。

1.3.2 研究内容

根据以上研究目标，本文的主要研究内容如下：