超聲速燃燒火焰放熱區(qū)結構CH-PLIF成像技術*

梁劍寒，李 韻，孫明波，吳 戈，朱家健，高 強，李 博

(1. 國防科技大學 高超聲速沖壓發(fā)動機技術重點實驗室， 湖南 長沙 410073；2. 天津大學 內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室， 天津 300072)

高超聲速飛行器因其速度快、突防能力強的特點，具有廣闊的軍事應用前景[1]。吸氣式高超聲速飛行器中，超燃沖壓發(fā)動機作為可靠的推進方式，其研究備受關注，但也充滿著艱巨的挑戰(zhàn)[2]。究其原因，超燃沖壓發(fā)動機凈推力獲取困難，推力主要依靠超聲速燃燒提供的能量產(chǎn)生，必須高效利用。超燃沖壓發(fā)動機中的超聲速燃燒現(xiàn)象涉及湍流、激波、邊界層、化學反應等多種現(xiàn)象的耦合，機理十分復雜[3]。因此，超聲速燃燒現(xiàn)象成為當今高超聲速研究的熱點。在超聲速燃燒現(xiàn)象研究中，對火焰結構的研究有助于揭示超聲速燃燒穩(wěn)焰機理和改進超燃沖壓發(fā)動機設計。合理的燃燒診斷技術不僅能夠在穩(wěn)態(tài)燃燒中實現(xiàn)高精度測量，更能夠應用于復雜瞬態(tài)燃燒診斷[4]。平面激光誘導熒光(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF)技術具有非侵入式、實時原位測量、高時空分辨、可用于耐高溫高壓環(huán)境等獨特優(yōu)勢，其在火焰結構的可視化中具有重要應用[5]。

PLIF技術通過對燃燒過程中產(chǎn)生的重要中間產(chǎn)物或者自由基(如CH2O、OH和CH等)進行高分辨率二維成像，從而實現(xiàn)對火焰結構的可視化。CH2O常用于標示火焰預熱區(qū)結構，OH用于標示火焰反應區(qū)的結構，CH則用于標示火焰放熱區(qū)的結構。PLIF在研究開敞空間的低速射流火焰結構方面應用廣泛。胡志云等[6]利用OH-PLIF獲得穩(wěn)定燃燒場的二維OH分布，并分析了激光區(qū)域內(nèi)的二維溫度場分布。趙建榮[7]、李麥亮[8]等利用OH-PLIF測量了多種平面火焰爐的火焰結構，探索了PLIF理論與實驗方法，并利用了PLIF實現(xiàn)了湍流火焰結構成像。翁武斌等[9]使用OH-PLIF技術研究甲烷空氣預混射流火焰，探究在不同出口雷諾數(shù)與不同氮氣稀釋比例下的OH分布及火焰鋒面結構。Zhou等[10-11]使用CH/CH2O/OH-PLIF與HCO/CH2O/OH-PLIF成像火焰爐中湍流預混火焰的預熱區(qū)與反應區(qū)等精細結構，探究了各產(chǎn)物與自由基的分布和相互滲透情況。朱家健等[12]使用CH2O/OH-PLIF同時成像甲烷/空氣部分預混火焰結構，探索火焰分區(qū)分裂規(guī)律。

在超燃沖壓發(fā)動機直連式試驗臺中開展PLIF實驗時會受到封閉空間內(nèi)壁面反射強、試驗臺運行時間短、難以在線優(yōu)化光學系統(tǒng)等因素的影響。這使PLIF技術診斷超聲速燃燒的火焰結構時比開敞空間低速射流火焰更加困難。因此，在超聲速燃燒診斷中，PLIF技術常用于診斷相對較易測量的OH和CH2O。耿輝等[13]使用OH-PLIF技術探究超聲速燃燒火焰結構與凹腔穩(wěn)焰作用。范周琴等[14]使用OH-PLIF技術探究噴注當量比、噴注位置、凹腔構型等對超燃火焰分布的影響。李麥亮等[15]使用OH-PLIF技術研究凹腔中不同長深比、凹腔后緣傾角和不同燃料噴注方案對超燃火焰結構的影響。Chen等[16]使用OH雙色PLIF技術實現(xiàn)了對超聲速燃燒火焰溫度分布的測量。Rasmussen等[17]使用CH2O/OH-PLIF方法成像凹腔超聲速燃燒，并探究噴注位置對凹腔穩(wěn)焰效果的影響。

CH基在碳氫燃料的燃燒反應中起重要作用。與OH和CH2O不同，CH是僅存在于放熱區(qū)中的重要組分，其分布區(qū)域可以認為是火焰鋒面所在區(qū)域，具有分布集中、存在時間短、擴散影響小等優(yōu)點，對于研究細微的火焰結構與火焰反應機理具有重要意義。但是，由于CH基活性強、分布窄、壽命短、CH熒光效率低、易受雜散光干擾等特點，給CH基的PLIF測量(尤其是在超聲速燃燒環(huán)境中的測量)帶來極大的挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)外利用CH-PLIF測量超聲速燃燒火焰結構的研究非常少，只有Micka等[18]有過初步成果。Micka[18]使用CH-PLIF技術得到凹腔超聲速燃燒的火焰結構圖像，得到兩種凹腔穩(wěn)焰下火焰的細微結構。但是，Micka等在CH-PLIF實驗研究中使用傳統(tǒng)的染料激光器，該激光器在CH的激發(fā)波段(390.3 nm)能量較低，熒光信號相對較弱。

本文基于可調(diào)諧Alexanderite固體激光器進行超聲速燃燒火焰結構CH-PLIF成像技術研究，探究使用CH-PLIF成像凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒火焰放熱區(qū)結構的方法。先利用單組分CH基成像技術研究甲烷/空氣湍流預混火焰鋒面結構進行驗證，再對凹腔超聲速燃燒火焰結構進行成像，得到初步的超燃火焰放熱區(qū)結構。

1 實驗方法

本文在開展CH-PLIF實驗時，先在開敞空間低速射流火焰中進行CH-PLIF技術的初步技術驗證和系統(tǒng)優(yōu)化，再在超燃直連式試驗臺利用CH-PLIF、OH-PLIF與CH自發(fā)輻射技術成像火焰預熱區(qū)的結構。下文從光學診斷系統(tǒng)、火焰爐系統(tǒng)、超燃系統(tǒng)及圖像處理方法四個方面介紹實驗方法。

1.1 光學診斷系統(tǒng)

CH-PLIF系統(tǒng)示意如圖1(a)所示，可調(diào)諧Alexanderite固體激光器(101PAL，Light Age)產(chǎn)生波長為774 nm的激光后，經(jīng)由固體倍頻器進行二倍頻，輸出波長約387 nm的激光，單脈沖激光能量為15 mJ，頻率為10 Hz，脈寬為100 ns。激光光束通過高反鏡，進入凹柱鏡(f=-40 cm)進行擴束，再經(jīng)凸透鏡(f=130 cm)聚焦為片狀激光，照射在燃具中央。激發(fā)出熒光后，熒光信號由ICCD相機(PI-MAX I, Princeton Instruments)采集，ICCD相機曝光時間為100 ns。接收進入計算機進行處理。ICCD相機和Alexanderite激光器的時序由脈沖信號發(fā)生器(DG535)進行同步控制。為了消除雜散光對PLIF信號的干擾，在ICCD相機鏡頭(Nikkor 50 mm,f/1.4)前加上窄帶濾光片IF431。

(a) 射流火焰爐實驗中PLIF測量光路圖(a) Optical arrangements for PLIF measurement in the jet flame burner

圖1 射流火焰爐實驗中PLIF實驗裝置示意圖及火焰圖片F(xiàn)ig.1 Schematic of the PLIF experimental setup in the jet flame burner and flame photos

為了與CH-PLIF實驗結果進行對比，在光學診斷實驗部分還開展了OH-PLIF實驗和高速攝影實驗。在OH-PLIF實驗中采用Nd:YAG泵浦的染料激光器(Cobra Stretch-G-2400, Sirah)，波長為283 nm，能量為12 mJ，頻率為30 Hz。OH-PLIF系統(tǒng)采用的相機鏡頭為Nikkor紫外鏡頭，采用的濾光片為IF310，濾光片中心波長為431 nm，半寬為10 nm。其他實驗裝置與CH-PLIF實驗所用裝置相似。在高速攝影實驗中，采用幀頻為50 kHz的高速相機(Photron Fastcam SA-5)拍攝火焰的圖像，相機鏡頭 (Nikkor 50 mm,f/1.4) 上安裝CH濾波片(IF431)，相機的曝光時間為18 μs。

1.2 火焰爐系統(tǒng)

開敞空間低速射流火焰爐采用協(xié)流-射流火焰爐，在協(xié)流和射流中通入甲烷和空氣預混氣體產(chǎn)生射流火焰和協(xié)流火焰。協(xié)流火焰用于防止周圍冷空氣對射流火焰的影響，協(xié)流火焰的當量比為0.9，防止過量燃料對中心射流火焰的影響。中心射流火焰的當量比、流速等可通過流量計進行調(diào)節(jié)和控制。開敞空間低速射流火焰爐CH-PLIF實驗中采用低雷諾數(shù)與高雷諾數(shù)兩種不同工況(如表1所示)，中心射流火焰的當量比都為1.15，流速分別為6 m/s和85 m/s，雷諾數(shù)分別為2800和27 300。低雷諾數(shù)工況下，噴孔直徑為8 mm，高雷諾數(shù)工況下，在8 mm噴孔上加裝直徑為1.5 mm的不銹鋼噴嘴，中心射流由噴嘴噴出。兩種工況協(xié)流層內(nèi)徑都為61 mm。典型的低雷諾數(shù)火焰和高雷諾數(shù)火焰圖片如圖1(b)、圖1(c)所示。

表1 火焰爐射流實驗工況

1.3 超燃系統(tǒng)

CH-PLIF實驗在國防科技大學1 kg/s超燃直連式實驗臺上開展。超燃直連式實驗臺由隔離段、帶光學觀察窗口的燃燒室和擴展段等部分組成。超聲速燃燒實驗使用空氣加熱器保證來流能夠達到實際高超聲速飛行工況，模擬超聲速燃燒入口的總焓?？諝饧訜崞魇褂每諝狻⒀鯕?、酒精三組元混合燃燒的方法產(chǎn)生符合要求的模擬氣流，正常點火工作后，超聲速來流總溫為1530 K，總壓為2.6 MPa，馬赫數(shù)為2.92。加熱器工作之后，產(chǎn)生的模擬來流進入燃燒室入口。加熱器與來流工況如表2所示。

實驗光路示意如圖2所示，其中帶光學觀察窗口的燃燒室為凹腔超聲速燃燒實驗段部分。凹腔長48 mm，深12 mm，后緣傾角45°，后緣高12 mm，在凹腔上游10 mm處設置燃料噴注孔，噴孔直徑3 mm，噴注燃料為乙烯。凹腔底壁安裝電子火花塞用于點火。擴張段擴張角為2.25°。光路基本與火焰爐實驗保持一致，所不同的是由于凹腔在風洞中所處位置特殊，采取三個高反鏡使激光進入凹柱面鏡擴束，再進入凸透鏡轉化為片狀激光，從燃燒室頂部石英玻璃窗口照射在凹腔中部約24 mm處。

表2 凹腔超聲速燃燒實驗段工況

圖2 凹腔穩(wěn)焰超燃系統(tǒng)結構和PLIF實驗裝置示意圖Fig 2 Schematic of the configuration of the cavity-stabilized scramjet system and the PLIF experimental setup

1.4 圖像處理方法

為了更加清晰地觀察火焰結構，需要對CH-PLIF原始圖像進行后處理，圖像處理方法包括濾波及尺寸調(diào)整等步驟。

在濾波的圖像處理中，首先利用原始圖像減去背景圖像去除背景噪聲。此時仍可能殘留較大的激光范圍外的較強自發(fā)輻射熒光信號點，因此使用MATLAB中“腐蝕”與“膨脹”的操作，抓取火焰鋒面的形狀并將大噪點濾去。其次依據(jù)P-M擴散方程[19]進行非線性擴散濾波，引入方差計算非線性擴散系數(shù)函數(shù)，可以有效完成脈沖噪聲的消除并且保護圖像的邊緣特征。之后再進行中值濾波操作，進一步濾去噪聲。

濾波后利用二維標尺對圖像進行尺寸與位置校正?；鹧鏍t與凹腔標尺圖像均為1024像素×1024像素的圖像，對應尺度關系，可得火焰爐圖像中1像素約為0.03 mm。截取圖像中火焰區(qū)域，并根據(jù)對應標尺得到火焰結構的尺度信息。

2 結果與討論

2.1 火焰爐實驗

低雷諾數(shù)下甲烷和空氣預混射流火焰CH-PLIF圖像如圖3所示。CH常用于標示火焰的放熱區(qū)。低雷諾數(shù)條件下，火焰放熱區(qū)結構呈現(xiàn)明顯的分區(qū)。由文獻[8]可知，CH基所包裹的區(qū)域為CH2O標示的火焰預熱區(qū)，CH外側區(qū)域為OH標示的火焰反應區(qū)。預熱區(qū)與反應區(qū)接觸邊界為火焰鋒面，即CH分布區(qū)域。

(a) (b) (c)

(d) 圖3 低雷諾數(shù)下湍流預混火焰CH-PLIF圖像Fig.3 CH-PLIF images of a premixed jet flame under low Reynolds number

如圖3所示，在低雷諾數(shù)下，火焰鋒面仍然較規(guī)則，沒有明顯的褶皺等現(xiàn)象，整體結構類似于層流預混火焰。圖3(a)中，鋒面還未交錯，放熱區(qū)呈現(xiàn)腰部變窄的長條形。圖3(b)中，兩側鋒面結合但還并未使得上下放熱區(qū)分離。圖3(c)中的放熱區(qū)已經(jīng)分裂成兩個小放熱區(qū)，其中上部放熱區(qū)呈現(xiàn)橢圓形，并且火焰鋒面有被拉長的趨勢，下部預熱區(qū)則呈現(xiàn)柱形。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是大尺度的湍流使火焰鋒面產(chǎn)生扭曲，增大火焰鋒面的面積的同時，使得火焰分裂成多個放熱區(qū)。截取圖3(a)中所示方框中的火焰鋒面并由信號強度分布的半高寬估計寬度，結果如圖3(d)所示。由實驗前所拍攝標尺與圖像像素長度對應關系，估算出火焰鋒面的厚度約為0.6 mm。

如圖4所示，高雷諾數(shù)條件下，火焰中的CH輪廓比起低雷諾數(shù)時更加破碎，火焰鋒面褶皺程度增強。由圖4可以看出，在火焰鋒面褶皺程度增大的同時，鋒面局部區(qū)域發(fā)生多處合并，形成多個分離的局部放熱區(qū)域。圖3和圖4的CH-PLIF實驗圖像表明，隨著雷諾數(shù)的進一步增大，湍流對火焰放熱區(qū)結構的影響更加顯著，使得火焰鋒面的扭曲程度增強，火焰放熱區(qū)的形態(tài)發(fā)生劇烈變化。這兩種工況的對比說明了雷諾數(shù)對湍流火焰放熱區(qū)結構的重要影響，并且表明CH-PLIF技術可以清晰捕捉復雜的火焰放熱區(qū)分布及其細微結構的變化，能夠為下一步凹腔中的超聲速燃燒火焰結構的研究提供有力的工具。

圖4 高雷諾數(shù)下湍流預混火焰CH-PLIF圖像Fig 4 CH-PLIF images of a premixed jet flame under high Reynolds number

2.2 超聲速燃燒火焰結構CH-PLIF成像

凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒火焰結構CH-PLIF圖像如圖5所示。在圖5所示圖像中，使用白線標示出CH-PLIF信號的分布區(qū)域，即白線所標示區(qū)域的內(nèi)側為CH-PLIF信號，外側為CH自發(fā)輻射區(qū)域。需要特別指出的是本文在進行CH-PLIF實驗時，ICCD相機的曝光時間設置為100 ns。在開敞空間的火焰爐中進行CH-PLIF成像時，ICCD采用100 ns的曝光時間并沒有觀察到CH的自發(fā)輻射信號，但是CH自發(fā)輻射信號卻出現(xiàn)在凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒火焰中。Micka等[18]的CH-PLIF實驗也觀察到類似的實驗現(xiàn)象。這可能是由超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)CH自發(fā)輻射信號路徑積分的效應較強而造成的。

(a)

(b)

(c)

(d)圖5 凹腔超聲速燃燒CH-PLIF圖像(phi=0.50, Ma=2.92)Fig 5 CH-PLIF image in a cavity-stabilized scramjet combustor (phi=0.50, Ma=2.92)

在CH-PLIF實驗過程中，為了提高激光的激發(fā)效率，激光片(約15 mm)只照射在凹腔正中間區(qū)域。由圖5可以看出，圖像中的CH分布總體呈現(xiàn)連續(xù)層狀，放熱層厚度約為0.5～6.5 mm。由于PLIF圖像顯示的是火焰?zhèn)鞑ブ林髁飨掠翁幍膱D像，因此放熱區(qū)顯得更加褶皺也更厚，部分區(qū)域還出現(xiàn)了CH基處于近似孤立的簇叢而非薄層中的現(xiàn)象，如圖5(b)所示。由圖5(c)可以認為放熱區(qū)正好處于向下游傳播的湍流結構中，湍流使得放熱區(qū)發(fā)生高度褶皺。

使用CH自發(fā)輻射也可以顯示CH激發(fā)態(tài)的分布，進而在一定程度上反映火焰放熱區(qū)的分布。圖6(a)為凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒中火焰CH自發(fā)輻射的測量結果。與圖5所示的CH-PLIF圖像相比，圖6(a)中呈現(xiàn)的CH自發(fā)輻射圖像為路徑積分的結果，沒有空間分辨能力，不能反映出火焰放熱區(qū)某些分離、破碎的結構。OH-PLIF技術也常用于呈現(xiàn)火焰反應區(qū)結構，如圖6(b)所示。OH-PLIF圖像雖然具有空間分辨率，但由于OH存在時間比CH長，更易擴散，分布范圍比放熱區(qū)更大，不能顯示精確細致的火焰鋒面結構，因此使用OH-PLIF成像火焰結構將導致火焰鋒面的結構判斷失真。對比圖5與圖6可知，使用CH-PLIF可以更準確地呈現(xiàn)火焰放熱區(qū)的結構。

通過火焰爐火焰結構與凹腔穩(wěn)焰的超聲速火焰結構的CH-PLIF成像，可以看出CH-PLIF技術在探究凹腔超聲速燃燒火焰放熱區(qū)結構時具有重要的應用價值。在進行實驗優(yōu)化與改進后，CH-PLIF將具有全流域成像火焰放熱區(qū)細微結構的能力，這對于深入研究凹腔中超聲速燃燒穩(wěn)焰機理具有重要意義。

(a) CH自發(fā)輻射圖像(a) CH chemiluminescence images

(b) OH-PLIF圖像(b) OH-PLIF images圖6 凹腔CH自發(fā)輻射與OH-PLIF火焰結構成像(phi=0.50, Ma=2.92)Fig 6 CH spontaneous emission images and OH-PLIF images in a cavity-stabilized scramjet combustor(phi=0.50, Ma=2.92)

3 結論

利用CH-PLIF技術實現(xiàn)了超聲速燃燒火焰放熱區(qū)結構的可視化。首先使用CH-PLIF技術對低速條件下的火焰爐燃燒進行技術驗證和系統(tǒng)優(yōu)化，得到清晰的火焰結構并進行分析，然后通過CH-PLIF獲得凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒火焰結構，分析了火焰放熱區(qū)的分布。

實驗結果表明，在開敞空間的火焰爐中，火焰放熱區(qū)由于湍流影響會發(fā)生扭曲、褶皺和分裂等現(xiàn)象，隨著雷諾數(shù)的增大，火焰鋒面褶皺程度更加顯著。在凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒中，火焰放熱區(qū)高度褶皺和破碎，放熱區(qū)結構的厚度為0.5～6.5 mm，同時也存在放熱區(qū)的分裂與剝離等現(xiàn)象。

由CH-PLIF圖像與OH-PLIF圖像、CH自發(fā)輻射圖像的比較可知，CH-PLIF技術能夠以較高的空間分辨率更準確地呈現(xiàn)凹腔超聲速火焰放熱區(qū)的結構，其在凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒診斷中具有更大的優(yōu)越性和重要的應用價值。