OH和CH2O平面激光誘導熒光同時成像火焰結構

朱家健，趙國焱，龍鐵漢，孫明波，李慶，梁劍寒

(國防科學技術大學高超聲速沖壓發(fā)動機技術重點實驗室，長沙410073)

OH和CH2O平面激光誘導熒光同時成像火焰結構

朱家健，趙國焱，龍鐵漢，孫明波*，李慶，梁劍寒

(國防科學技術大學高超聲速沖壓發(fā)動機技術重點實驗室，長沙410073)

OH和CH2O平面激光誘導熒光(PLIF)同時成像技術在研究火焰結構和燃燒反應中間產物二維分布等方面能夠發(fā)揮重要作用。OH的分布被用來表征火焰反應區(qū)的結構，而CH2O的分布則被用來顯示火焰預熱區(qū)的分布。利用OH和CH2O PLIF同時成像技術研究了甲烷/空氣部分預混火焰的結構。從實驗系統(tǒng)、光路調節(jié)、時序同步、OH A-X(1，0)掃譜、數(shù)據采集和處理等方面討論了PLIF同時成像技術的實驗方法。實驗結果表明，OH和CH2O PLIF同時成像能夠分別呈現(xiàn)甲烷/空氣部分預混火焰反應區(qū)和預熱區(qū)不同形狀的瞬時結構;由于反應區(qū)在相鄰位置的結合，在火焰中能夠局部生成新的分裂的預熱區(qū)。

平面激光誘導熒光;激光誘導熒光;激光燃燒診斷;火焰反應區(qū);火焰預熱區(qū)

0 引言

火焰結構和燃燒過程中間產物分布的測量在研究燃燒化學反應機理和驗證燃燒理論模型等方面具有重要意義。傳統(tǒng)的物理探針和取樣測量等手段無法滿足對火焰結構和燃燒過程中間產物等重要信息進行實時、在線和非侵入的原位診斷［1-2］。平面激光誘導熒光(PLIF)技術不僅能夠對燃燒過程中重要的中間產物(如OH和CH2O)和火焰結構進行二維成像［3］，而且與傳統(tǒng)的物理探針和取樣測量相比，PLIF技術具有實時、非侵入、耐高溫高壓、高時空分辨率等優(yōu)點［4-5］。

OH自由基和CH2O是燃燒中重要的中間產物。OH的分布被用來表征火焰反應區(qū)的結構，而CH2O的分布則被用來顯示火焰預熱區(qū)的分布［6］。PLIF技術能夠測量火焰中OH和CH2O的二維分布［7－9］。單組份OH－PLIF技術被國內同行廣泛應用于燃燒診斷中。胡志云［10］、關小偉［11］等利用單組份OH－PLIF的二維分布圖像研究了預混火焰的結構和溫度場分布。翁武斌等人［9］利用單組份OH－PLIF研究甲烷湍流射流火焰OH自由基的二維分布和火焰鋒面的結構特性。耿輝［7］、李麥亮［8］等人利用OH－PLIF研究了超聲速燃燒的火焰結構。國內同行對單組份CH2O－PLIF以及雙組份OH和CH2O同步PLIF的相關研究較少。

單組份OH－PLIF技術只能呈現(xiàn)火焰高溫反應區(qū)的結構，并不能呈現(xiàn)火焰其他區(qū)域的結構，如預熱區(qū)。雙組份OH和CH2O PLIF在呈現(xiàn)火焰反應區(qū)和預熱區(qū)結構方面能夠發(fā)揮重要作用。Micka［12］等利用OH和CH2O PLIF同時成像技術，研究超聲速燃燒中火焰自點火反應區(qū)和主反應區(qū)的結構，結果表明自點火反應能夠強化火焰。Ehn［14］等通過OH和CH2O PLIF技術研究在等離子體產物臭氧助燃下，貧燃湍流火焰中OH和CH2O信號強弱和分布的變化。Zhou［15］等利用OH和CH2O PLIF同時成像甲烷／空氣預混火焰反應區(qū)的結構，發(fā)現(xiàn)在分布式火焰反應區(qū)中CH2O分布變寬且能夠出現(xiàn)在整個火焰內側區(qū)域，OH的分布正好與CH2O的分布互斥。

本文利用雙組份OH和CH2O PLIF同時成像技術研究甲烷／空氣部分預混層流火焰反應區(qū)和預熱區(qū)的結構，以及它們之間的相對分布。首先從介紹OH／CH2O雙組份PLIF同時成像技術的實驗方法入手，詳細闡述實驗系統(tǒng)、光路調節(jié)、時序同步、OH A－X（1，0）掃譜、數(shù)據采集和處理等實驗環(huán)節(jié)，然后利用OH和CH2O PLIF同時成像技術研究了甲烷／空氣部分預混層流火焰中OH和CH2O的二維分布和火焰的反應區(qū)、預熱區(qū)的結構。

1 實驗方法

與單組份PLIF技術相比，雙組份同步PLIF成像技術的實驗方法更加復雜。下文從實驗系統(tǒng)、光路調節(jié)、時序同步、OH A－X（1，0）掃譜、數(shù)據采集和處理等幾個方面詳細論述OH／CH2O雙組份PLIF同時成像技術的實驗方法。

1．1 實驗系統(tǒng)

OH和CH2O雙組份PLIF同時成像技術的實驗系統(tǒng)如圖1所示。在CH2O－PLIF系統(tǒng)中，使用三倍頻的Nd：YAG激光器（Pro－250，Spectra Physics），波長為～355nm，能量為～120mJ，頻率為10Hz；在OHPLIF系統(tǒng)中，使用Nd：YAG泵浦的染料激光器（Cobra Stretch－G－2400，Sirah），波長為～283．6nm，能量為～12mJ，頻率為30Hz。355nm激光經過高反鏡（HR）之后，在雙色鏡（DR）處與283nm激光合束。2束激光經過凹柱鏡（CL）和凸透鏡（SL）之后形成激光片，聚焦在燃具中央。OH和CH2O的熒光分別被2臺ICCD（PI－MAX I和PI－MAX II，Princeton Instruments）相機收集。為了讓CH2O－PLIF和OH－PLIF之間的測量不受彼此干擾，2束激光在時序上相隔200ns，在這極短的時間內，火焰結構和特征來不及改變，不影響同時測量的結果。

圖1 OH和CH2O PLIF同時成像實驗系統(tǒng)示意圖和甲烷／空氣部分預混層流火焰圖像Fig．1 Schematic of the experimental setup for simultaneous OH／CH2O PLIF imaging and photo of a CH4／air partially premixed laminar flame

PLIF測量對象為甲烷／空氣部分預混層流火焰，如圖1所示。該火焰由本生燈產生，本生燈的出口直徑為10mm。進入本生燈的空氣由本生燈底部的調節(jié)閥控制，甲烷和空氣預混氣體流速的范圍為1～5m／s，當量比的范圍為1．2～1．6，形成類似于Keifer［16］等所述的富燃部分預混火焰。圖1是由可見光相機拍攝得到的火焰圖像，可以看出火焰分為內、外2層，內層火焰為本生燈內甲烷與空氣預混燃燒形成的富燃預混火焰，外層火焰為未燃盡的甲烷與周圍空氣燃燒形成的擴散火焰。

1．2 光路調節(jié)

在搭建OH／CH2O雙組份PLIF同時成像實驗系統(tǒng)的光路時，需要考慮激光合束、激光光片長度和均勻性、相機擺放等問題。

在2束激光合束時，實驗中使用石英材料的283nm激光高反鏡，該鏡能夠高反283nm激光且對355nm激光具有較高的透過率，可以充當雙色鏡的作用。在實際光路調節(jié)中，首先將283nm激光準直調平，然后以其為參考，交替調節(jié)355nm激光的2個高反鏡，使之與283nm激光分別在近場和遠場重合，最終達到合束的目的。

在搭建激光片時，首先要考慮所需激光光片的大小。激光光片的放大倍數(shù)等于凸透鏡焦距與凹柱鏡焦距之比。實驗中采用凸透鏡焦距為130 mm，凹柱鏡焦距為－30mm，激光光片長度放大約4倍，形成30mm×0．3mm的激光片。其次還需要考慮激光片的光強均勻性。為了獲得光強較均勻的激光光片，通常在光路中加入光闌，把光強較弱的光片邊緣擋住。

2個ICCD相機呈直線擺放，都成像在激光路徑上，盡量保證相機具有相近的視場。為了便于數(shù)據分析，兩面標有相同刻度的網格紙放在燃具正中光路經過的位置，標定2個相機的視場。

1．3 時序同步

為了能夠正確收集激光誘導產生的熒光信號和保證雙組份同時成像，必須確保2臺激光器和2個相機在時序上同步，時序同步方案如圖2所示。使用脈沖信號發(fā)生器DG645同時外觸發(fā)2臺激光器，DG645的4個通道分別觸發(fā)2臺激光器的泵浦燈（LAMP TRIG in，Lin）和Q開關（Q－SW in，Qin），在DG645上調節(jié)泵浦燈和Q開關之間的延遲，優(yōu)化激光的能量。利用355nm激光泵浦燈的外觸發(fā)通道（LAMP SYNC out，Lout）觸發(fā)采集OH熒光信號的ICCD相機（EXT TRIG in，Tin），再用此ICCD的相機門信號（Monitor out，Mout）觸發(fā)第2個ICCD相機，以便同時收集CH2O熒光信號。利用光電二極管（PD）和示波器顯示激光信號和ICCD相機門信號的時序位置，調節(jié)DG645和相機的延遲時間，保證2束激光在時序上相隔200ns，2個ICCD相機能夠分別捕捉到283nm和355nm的激光信號。為了消除火焰自發(fā)輻射的影響，ICCD相機的曝光時間設置為50ns。

圖2 OH／CH2O激光器和OH／CH2O相機時序同步示意圖Fig．2 Schematic of the synchronization scheme for lasers and ICCD cameras used in simultaneous OH／CH2O PLIF measurements

1．4 OH－PLIF掃譜

為了確定OH的激發(fā)波長，準確找到對溫度不敏感的Q1（8）激發(fā)線，需要進行OH的掃譜。掃譜范圍約為2nm，掃譜速度為0．009nm／s。為了讓ICCD相機的頻率能夠響應激光掃譜的速度，ICCD的視場設置在12×214像素點的范圍內，保證在該視場下始終能捕捉到火焰的OH－PLIF信號。

OH－PLIF實驗掃譜結果和LIFBASE［17］模擬結果如圖3所示。經過與LIFBASE模擬結果比較，實驗掃譜結果與模擬計算結果能夠較好地匹配。在測量中選用對溫度不敏感的Q1（8）線（～283．6nm）作為激發(fā)光，并在染料激光器設置所對應的激光波長。

圖3 OH－PLIF掃譜和LIFBASE模擬結果。選取283．6nm附近的Q1（8）線為OH的激發(fā)波長。Fig．3 An experimental excitation scan in the OH－PLIF measurement and a LIFBASE simulation．The Q1（8）line at～283．6nm was used to excite OH．

1．5 數(shù)據采集及處理

在數(shù)據采集中，使用PI－MAX I（512×512）和PI－MAX II（1024×1024）ICCD相機分別收集OH和CH2O的熒光信號，相機上分別安裝Nikkor紫外鏡頭和Nikkor普通鏡頭。收集OH熒光的相機前安裝中心透過波長為310nm的窄帶濾光片IF310，而收集CH2O的熒光相機前安裝的濾光片為GG400。

除了多次重復采集火焰中OH／CH2O的熒光信號之外，還采集了相同情況下沒有火焰時的背景噪聲。在數(shù)據處理時，利用已拍攝的標有相同刻度的網格坐標，標定2個ICCD相機的視場。利用采集到的背景噪聲，消除其對熒光信號的影響。在處理OH和CH2O的PLIF瞬時圖像時，利用中值濾波Medfilt 2在3×3的像素點空間進行濾噪。

2 結果與討論

在甲烷／空氣部分預混層流火焰中，PLIF同時測量得到的OH和CH2O瞬時圖像如圖4所示。其中，圖4（a）和（c）的OH－PLIF瞬時圖像在時序上分別對應于圖4（b）和（d）的CH2O－PLIF瞬時圖像。需要指出的是，由于碰撞淬滅等因素的影響，對OH和CH2O濃度的定量測量結果需要借助飽和LIF等其他技術實現(xiàn)，本文給出的是OH和CH2O的相對強度分布。PLIF圖像上方的顏色條代表OH和CH2O相對強度的大小。由圖4可以看出，作為火焰反應區(qū)指示物的OH主要分布在火焰外側（擴散火焰區(qū)域）；與OH不同，作為火焰預熱區(qū)指示物的CH2O分布在火焰內側（預混火焰區(qū)域）。在圖4（a）和（b），OH內沿和CH2O的分布呈現(xiàn)倒“V”型，而在圖4（c）和（d），OH內沿和CH2O的分布呈現(xiàn)倒“W”型。CH2O分布呈現(xiàn)了些許的皺褶，這可能是由于空氣和甲烷混合氣體流速的不均勻性導致的。OH的分布呈近似對稱的兩部分，每部分的徑向寬度為5mm以上。CH2O呈條狀分布在較窄區(qū)域，其寬度約為1mm。分布在火焰外側的OH峰值強度的位置和分布在內側的CH2O峰值強度的位置在空間上不重疊。在本生燈出口上方20mm處，CH2O峰值強度的位置與OH峰值強度的位置間隔距離約為6mm。這是因為在富含OH的高溫區(qū)域，CH2O會與OH、H和O等粒子發(fā)生反應而消耗。但是需要特別提出的是，OH和CH2O的分布在空間上也存在著重疊的區(qū)域，OH和CH2O分布區(qū)域間的乘積可以得出火焰釋熱區(qū)的分布，其得到的火焰釋熱區(qū)分布與單組份CH－PLIF和HCO－PLIF的測量結果相近［16］。

圖4 不同時刻OH和CH2O的PLIF瞬時圖像。（a）和（c）為OH－PLIF瞬時圖像，（b）、（d）分別為與（a）、（c）同時獲取的CH2O－PLIF瞬時圖像。Fig．4 Simultaneous OH／CH2O PLIF single－shot images．Typical single－shot OH－PLIF images are shown in（a）and（c），whereas singleshot CH2O－PLIF images recorded simultaneously with（a）and（c）are shown in（b）and（d），respectively．

為了與實驗結果對比，本文采用Chemkin 4．1的層流對撞火焰模塊［18］計算了甲烷／空氣火焰中CH2O和OH的分布。之所以使用對撞火焰模塊，一方面是因為對撞火焰模塊是現(xiàn)成的計算程序，可以簡化計算過程；另一方面是因為對撞火焰和本生火焰雖然形式上不同，但是本質上講兩者都是部分預混火焰，具有雙層結構，外層為擴散火焰反應區(qū)，內層為預混火焰預熱區(qū)。但是，需要特別說明的是，本生火焰主要受曲率影響，而對撞火焰主要受伸張率影響，這里只對測量結果和計算結果中火焰結構的分布進行定性比較。

當量比為1．5時，甲烷和空氣層流對撞火焰中CH4、O2、H2O、CO2、H2、CO、CH2O和OH等組份的分布如圖5所示。由圖5（b）可以看出，分布于左端的CH2O標示了預混火焰的預熱區(qū)，分布于右端的OH標示了擴散火焰的反應區(qū)，且預熱區(qū)的CH2O峰值位置和反應區(qū)的OH峰值位置之間存在一定的間隔距離，反應區(qū)的OH比預熱區(qū)的CH2O信號更強。這些由模擬計算總結出的結論和趨勢與CH2O和OH同步PLIF的測量結果相符。

在圖4中，甲烷／空氣部分預混層流火焰預熱區(qū)中CH2O呈連續(xù)的條狀分布。但是，在實驗中還發(fā)現(xiàn)其他明顯與圖4不同的CH2O分布。如圖6（b）和（d）所示，CH2O的PLIF瞬時圖像呈分裂的條狀分布。與之對應的OH分布呈現(xiàn)出孤立的空心結構，如圖6（a）和（c）所示。這表明，在火焰中能夠局部生成新的分裂的預熱區(qū)。這種分裂的局部預熱區(qū)的生成可能是由于反應區(qū)結合而造成，如圖7所示。

圖5 甲烷／空氣層流對撞部分預混火焰組份分布（Φ＝1．5）Fig．5 Species distribution of a CH4／air partially premixed laminar counterflow flame（Φ＝1．5）：（a）distribution of CH4，O2，H2O，CO2，H2and CO；（b）distribution of CH2O and OH．The signal intensity of CH2O in（b）is multiplied by 10．

圖6 PLIF同時測量的OH和CH2O瞬時圖像。（a）和（c）為OH－PLIF瞬時圖像，（b）、（d）分別為與（a）、（c）同時獲取的CH2O－PLIF瞬時圖像。Fig．6 Simultaneous OH／CH2O PLIF single－shot images．Typical single－shot OH－PLIF images are shown in（a）and（c），whereas single－shot CH2O－PLIF images recorded simultaneously with（a）and（c）are shown in（b）and（d），respectively．

圖7 PLIF同時測量的OH和CH2O瞬時圖像。（a）和（c）為典型的OH－PLIF瞬時圖像，（b）、（d）分別為與（a）、（c）同時獲取的CH2O－PLIF瞬時圖像。Fig．7 Simultaneous OH／CH2O PLIF single－shot images．Typical single－shot OH－PLIF images are shown in（a）and（c），whereas single－shot CH2O－PLIF images recorded simultaneously with（a）and（c）are shown in（b）and（d），respectively．

圖6 中呈分裂條狀分布的CH2O和呈孤立空心分布的OH等實驗結果可以由圖7進一步解釋。分析圖7（a）和（b）可知，原本連續(xù)的倒“V”型反應區(qū)內側，在腰部位置結合，形成新的OH空心結構反應區(qū)和分裂的CH2O條狀分布。而在圖6（c）中可以看到，原本連續(xù)的倒“W”型反應區(qū)內沿在右側有逐漸靠攏結合的趨勢，形成如圖6（d）所示的分離小預熱區(qū)。反應區(qū)的結合可能是由于外部空氣卷吸進入火焰中央而造成的?，F(xiàn)有10Hz水平的PLIF測量系統(tǒng)無法記錄足夠高時間分辨率的圖像，因此無法捕捉到足夠多時間上連續(xù)的圖像以便于分析這些小預熱區(qū)形成和耗散的全過程。但是，隨著k Hz量級或具有更高重復頻率的激光器的發(fā)展［19］，高速PLIF技術可以為診斷和測量這些小預熱區(qū)形成和耗散過程提供有效的方法。

3 結 論

本文建立了OH和CH2O雙組份同步PLIF實驗平臺，從光路調節(jié)、時序同步、掃譜、數(shù)據采集和處理等方面論述了雙組份PLIF同步測量技術的實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)對甲烷／空氣部分預混火焰反應區(qū)和預熱區(qū)瞬時結構的可視化。實驗結果表明，OH和CH2O雙組份PLIF同時成像技術能夠完整呈現(xiàn)火焰擴散火焰反應區(qū)和預混火焰預熱區(qū)不同時刻的瞬時結構。作為火焰反應區(qū)指示物的OH主要分布在火焰外側（擴散火焰區(qū)域），作為火焰預熱區(qū)指示物的CH2O分布在火焰內側（預混火焰區(qū)域）。在本生燈出口上方20mm處，CH2O峰值強度的位置與OH峰值強度的位置間隔距離約為6mm。擴散火焰反應區(qū)和預混火焰預熱區(qū)的分布會呈現(xiàn)倒“V”型和倒“W”型結構。倒“V”型和倒“W”型結構的火焰在相鄰位置的結合，使火焰能夠局部生成新的分裂的預熱區(qū)。這表明OH和CH2O雙組份PLIF同時成像技術在研究火焰結構和燃燒反應中間產物二維分布等方面能夠發(fā)揮重要作用。

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Simultaneous OH and CH2O PLIF imaging of flame structures

Zhu Jiajian，Zhao Guoyan，Long Tiehan，Sun Mingbo*，Li Qing，Liang Jianhan
(Science and Technology on Scram jet Laboratory，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Simultaneous OH and CH2O Planar Laser-Induced Fluorescence(PLIF)imaging plays an important role in studying flame structures and two-dimensional distribution of intermediate species in combustion．The OH distribution is used to represent the reaction zone structure of flames，whereas CH2O is employed to show the pre-heating zone structure of flames．Flame structures of a CH4/air partially premixed flame were investigated using simultaneous OH and CH2O planar laser-induced fluorescence (PLIF)imaging．Experimentalmethods，including experimental system，optic alignment，synchronization scheme，excitation scan of OH A-X(1，0)，data collection and analysis，are discussed．Experimental results suggest that simultaneous OH and CH2O PLIF imaging can show different instantaneous structures of reaction zones and preheating zones in the CH4/air partially premixed flame．New separated preheating zones are locally generated due to themerge of the reaction zone between two adjacent areas．

Planar Laser-Induced Fluorescence;laser-induced fluorescence;laser combustion diagnostics;flame reaction zone;flame preheating zone

O643．2

A

（編輯：張巧蕓）

1672-9897(2016)05-0055-07

10．11729/syltlx20160026

2016-01-30;

2016-05-22

*通信作者E-mail:sunmingbonudt@sina．com

Zhu J J，Zhao G Y，Long TH，etal．Simultaneous OH and CH2O PLIF imag ing of flame struc tures．Journalof Experiments in Fluid Mechanics，2016，30(5):55-60，87．朱家健，趙國焱，龍鐵漢，等．OH和CH2O平面激光誘導熒光同時成像火焰結構．實驗流體力學，2016，30(5):55-60，87．

朱家健（1987－），男，貴州威寧人，講師。研究方向：激光燃燒診斷和等離子體助燃。通信地址：湖南省長沙市開福區(qū)德路109號一院高超重點室（410073）。E－mail：jjzhu＠nudt．edu．cn