平面激光誘導熒光技術在超聲速燃燒火焰結構可視化中的應用

吳 戈, 李 韻, 萬明罡, 朱家健, 楊揖心, 孫明波

(國防科技大學空天科學學院 高超聲速沖壓發(fā)動機技術重點實驗室, 長沙 410073)

0 引 言

高超聲速飛行器飛行速度可達到5馬赫以上，具有廣闊的應用前景[1]。高超聲速飛行器的關鍵部件和動力系統(tǒng)為超燃沖壓發(fā)動機[2-3],對超聲速燃燒機理的研究有助于優(yōu)化超燃沖壓發(fā)動機設計[4]。在超聲速燃燒過程中，火焰結構可視化研究能夠促進對超聲速燃燒穩(wěn)焰機理的認識，因此需要采用合適的診斷技術對超聲速燃燒的火焰結構進行觀測。

平面激光誘導熒光(Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF)技術能夠成像燃燒過程中的重要中間產(chǎn)物的分布，從而實現(xiàn)火焰結構的可視化，如OH存在于火焰反應區(qū)結構中，CH存在于火焰放熱區(qū)結構中，CH2O存在于火焰預熱區(qū)結構中。成像這些重要組分的二維分布，就能得到火焰的瞬態(tài)結構圖像，結合不同時刻或空間的變化，可以獲得火焰的發(fā)展變化規(guī)律。PLIF技術具有高時空分辨率的優(yōu)點，同時也是一種非侵入式的測量方法，其在火焰結構的可視化中有著廣泛而重要的應用[5]。早期的研究中，PLIF技術主要應用在低速常規(guī)火焰中，目前國內(nèi)外的PLIF技術在低速火焰結構成像中的應用已經(jīng)日臻成熟。胡志云等[6]利用OH-PLIF分析了測量區(qū)域內(nèi)的二維溫度場分布，李麥亮等[7]利用 OH-PLIF 成像,測量了多種平面火焰爐的湍流火焰結構，朱家健等[8]使用 CH2O/OH-PLIF 同步成像技術，探索了甲烷/空氣部分預混火焰結構與火焰分區(qū)分裂規(guī)律，Zhou等[9-10]使用CH/CH2O/OH-PLIF與HCO/CH2O/OH-PLIF同步成像技術測量了湍流預混火焰的結構及其變化規(guī)律，Carter等[11]使用高速CH-PLIF對預混湍流火焰鋒面進行了成像。

相比之下，超聲速燃燒現(xiàn)象復雜、反應劇烈，導致自發(fā)輻射光信號強；封閉空間內(nèi)壁面反射強，導致雜散光信號強；實驗臺維持火焰時間較短，導致難以在線優(yōu)化光學系統(tǒng)，因此PLIF技術在超聲速燃燒中的應用相對有限。耿輝等[12]利用OH-PLIF研究了超聲速燃燒的火焰結構，李麥亮等[13]使用OH-PLIF探索了不同凹腔結構和不同燃料類型對凹腔穩(wěn)定火焰結構的影響，Donbar等[14]利用OH-PLIF成像研究了各種碳氫燃料在凹腔中的燃燒情況，Cantu等[15]利用OH-PLIF技術對雙模凹腔中的乙烯預混火焰實現(xiàn)了可視化，O′Byrne等[16]使用OH-PLIF成像了在高馬赫數(shù)工況下凹腔底部噴注燃料的燃燒火焰結構。超聲速燃燒領域中的CH-PLIF研究較少，目前僅有Micka等[17]利用CH-PLIF技術對雙模凹腔的反應區(qū)進行成像，梁劍寒等[18]使用CH-PLIF技術對超聲速燃燒火焰中的放熱區(qū)結構進行研究。

本文針對復雜的超聲速燃燒現(xiàn)象，綜合利用OH-PLIF與CH-PLIF技術，對超聲速燃燒的火焰結構進行研究，獲得了不同當量比條件下多個截面火焰反應區(qū)和放熱區(qū)的瞬時結構，分析了火焰反應區(qū)和放熱區(qū)的分布規(guī)律，并比較了不同組分的分布情況。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 超聲速燃燒實驗系統(tǒng)

本實驗在國防科技大學流量為1 kg/s的超聲速燃燒直連式實驗臺展開。如圖1所示，超聲速燃燒直連式實驗臺由加熱器、隔離段、燃燒室和擴張段等部分組成。其中燃燒室凹腔長48 mm、寬50 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，凹腔底壁安裝火花塞用于點火，火花塞中心距凹腔前緣30 mm；擴張段擴張角為2.25°；加熱器使用空氣/氧氣/酒精三組元混合，用來模擬入口空氣的化學成分。正常點火后，空氣加熱器能夠模擬超聲速燃燒沖壓發(fā)動機入口的總焓，其模擬的總溫為1530 K，總壓2.5 MPa?？諝饧訜崞鞒隹诘幕旌蠚怏w進入隔離段，通過拉瓦爾噴管進一步加速到Ma2.92，到達燃燒室。

圖1 1 kg/s超聲速燃燒直連式實驗臺組成結構示意圖

1.2 PLIF光學診斷系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)由激光器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光學系統(tǒng)以及時序控制系統(tǒng)構成。根據(jù)所測中間產(chǎn)物與實驗方案，所采用的激光器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及光學系統(tǒng)有所不同，具體方案如表1所示。

圖2 PLIF成像實驗系統(tǒng)

表1 PLIF實驗系統(tǒng)配置

OH-PLIF實驗的激光通過Nd:YAG激光器(Spectral Physics)的二倍頻532 nm激光泵浦染料激光器，經(jīng)倍頻后得到283 nm附近的激光，經(jīng)過掃譜獲得Q1(8)的泵浦激發(fā)線。選取此波長激發(fā)線是因為在超聲速燃燒的溫度范圍中，OH熒光強度受溫度影響小于20%[16]，在LIFBASE仿真軟件中對應的波長為283.553 nm。CH-PLIF實驗的激光通過可調(diào)諧Alxanderite激光器倍頻后得到387 nm附近的激光。激光經(jīng)所對應波長的高反鏡，通過柱面凹透鏡和球面凸透鏡制成均勻的光片。OH-PLIF的信號較強且對激光能量要求低，選用長焦距的凸柱面鏡制成較大的光片，可以覆蓋整個所測區(qū)域。OH-PLIF成像截面的選取如圖3所示，流向截面位于凹腔的中軸線上，分別在凹腔中與凹腔下游的臺階上選取了S1與S2截面；展向截面分別在距離凹腔前緣30、55和75 mm的位置，在凹腔底部、斜坡以及凹腔下游臺階上選取了A、B和C等3個截面，其中截面A位于火花塞之上。在觀察展向截面時，相機與截面需呈一定角度拍攝PLIF信號，拍攝前測量相機與截面的夾角，在后期處理中按照對應的角度將獲取的PLIF信號投影圖像還原為相應截面的正視圖。對于CH-PLIF,因為CH基有活性強、分布窄、壽命短、CH熒光效率低、易受雜散光干擾等特點，需要高能量密度的激光來激發(fā)，CH-PLIF的光片制作得比較小，因此相比于OH-PLIF可以對凹腔中整個流向截面成像，CH-PLIF成像的位置只有凹腔正中間的部分區(qū)域(圖3中S3截面)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別采用哈工大研制的ICMOS與PIMAX II ICCD相機，分辨率均為1024 pixel×1024 pixel。時序控制系統(tǒng)由一部DG 535實現(xiàn)。為了消除雜散光對PLIF信號的影響，在鏡頭前分別安裝了相應的濾光片。

圖3 PLIF測量所選取截面在凹腔中的相對位置示意圖

2 實驗結果與討論

2.1 OH-PLIF圖像和火焰反應區(qū)結構

OH是燃燒過程中產(chǎn)生的一種重要自由基，可以用作標示火焰的反應區(qū)，利用OH-PLIF技術可以得到超聲速燃燒室里反應區(qū)的二維分布。本文使用OH-PLIF技術成像流向與展向截面超聲速燃燒火焰反應區(qū)結構，進而分析凹腔穩(wěn)定火焰的空間結構分布與發(fā)展規(guī)律。

實驗燃料選擇乙烯，噴注壓強在1.3與2.3 MPa附近，因為無法精確控制噴注壓強，對應的全局當量比φ分別為0.30±0.01與0.50±0.01。從實驗結果來看，當量比0.01的變化幾乎無影響，而0.30與0.50的現(xiàn)象差別很大，因此以0.30代表低當量比、0.50代表高當量比作為實驗工況。實驗中噴注時間200 ms，維持燃燒時間800 ms，總實驗時間為1 s。泵浦源固體激光器頻率為30 Hz，數(shù)據(jù)采集的ICMOS相機采集頻率最高為500 Hz,遠大于30 Hz，所以在1 s的實驗時間里可以獲得30張左右的有效圖像，在此基礎上選取瞬時圖像對火焰結構進行分析。

圖4為不同全局當量比下A、B和C等3個展向截面上的OH-PLIF實驗結果。低當量比時(φ=0.30)，A截面上有一對OH結構關于燃燒室中軸線對稱，分布在距離中軸線約1/4個凹腔寬度的位置；B截面上對稱的OH結構聚集于燃燒室中軸線附近并且高度降低，在中軸線兩側約1/4個凹腔寬度處的位置仍有細微的OH結構，有從兩側往中心匯合的趨勢；C截面上OH結構基本集中在中軸線附近，表明已經(jīng)完全匯合，火焰往后沿中軸線發(fā)展。高當量比時(φ=0.50)，與低當量比時的火焰結構有較大差異，A截面上OH聚集結構呈不對稱分布，均附著在兩側的壁面上，結合燃燒室的尺寸，在垂直方向上的高度已經(jīng)超出凹腔的深度，并且接近燃燒室頂部，左側的OH聚集結構產(chǎn)生了向中軸線延伸的結構，說明火焰有往中軸線聚集的趨勢；B截面上在中軸線已經(jīng)形成大的OH聚集結構，貼近壁面的地方仍有少量OH聚集結構，整體呈中間高兩邊低的結構，火焰在此截面正處于兩側往中間聚集的過程中；C截面上呈現(xiàn)出典型的湍流火焰面結構，火焰至此已經(jīng)完全匯合。

對多組實驗中展向OH-PLIF瞬時結果，選取30張有效數(shù)據(jù)進行平均計算后，可得到如圖5所示的平均強度分布結果。橫坐標為圖4中x方向離凹腔右側的距離(面對來流方向)，縱坐標為相對強度。從強度上來看，高當量比時OH-PLIF的強度要遠高于低當量比工況的，說明火焰在高當量比時燃燒更加劇烈。不同截面的OH-PLIF信號分布，高/低當量比差別較大。低當量比工況時，在A截面，OH分布在中軸線兩側近似對稱，左端強度稍高，到了B與C截面，OH均完成了匯聚，集中在中軸線附近。高當量比工況時，在A與B截面，OH均集中在靠壁面一側，表現(xiàn)出不對稱現(xiàn)象，其中在A截面上，OH集中分布在左側，與低當量比時左側強度較高的情況是一致的，C截面強度分布對稱于中軸線，OH在此截面匯聚完成。

圖4 不同全局當量比下超聲速燃燒展向截面OH-PLIF結果

圖5 不同當量比下多個展向截面OH-PLIF的平均強度分布對比

圖6為不同當量比下S1、S2流向截面上的OH-PLIF實驗結果。可以看到，在低當量比時OH主要分布在凹腔剪切層下的回流區(qū)內(nèi)，在高當量比時OH分布位置變得更高，已經(jīng)超出剪切層而發(fā)展到主流之中；高當量比時OH強度分布差異較大，且在凹腔下游仍然存在較劇烈的燃燒。

圖6 不同全局當量比下超聲速燃燒流向截面OH-PLIF結果

圖7為多組瞬時OH-PLIF結果疊加后，垂直方向上的平均強度分布。圖7(a)的橫坐標為豎直方向上離凹腔底部壁面的距離，圖7(b)的橫坐標為豎直方向上離臺階底部壁面的距離?？v坐標為相對強度。工況為低當量比時，S1截面上OH分布均勻，主要分布在離凹腔底部壁面較近的位置。試驗件凹腔高為12 mm，圖7(a)中品紅色虛線以左為在凹腔中的強度，從總體上來看，低當量比時，OH在垂直方向的分布高度均不高于凹腔。S2截面上OH垂直方向的分布高度約8～9 mm(見圖7(b))，但分布不均勻，出現(xiàn)了破碎的結構。綜合展向截面的結果分析，在上游的位置OH還未聚集，因此流向截面的信號相對較弱，而在凹腔中部與后緣，OH已經(jīng)聚集在中軸線附近，S2截面上的結構出現(xiàn)了破碎與分離。高當量比時，從展向截面的結果可知，在凹腔中OH聚集結構主要在兩側壁面，因此在S1截面OH的分布并不均勻，有空洞出現(xiàn)。S2截面位于凹腔下游，從展向截面的結果可知，在S2截面火焰已完成匯合，與低當量比工況一樣，S2截面也出現(xiàn)了部分破碎與分離的結果，說明OH在下游的分布很不穩(wěn)定。高當量比工況時，S1截面中的OH高度分布遠高于凹腔，S2截面的強度與高度分布均高于低當量比工況。

圖7 流向截面垂直方向上OH-PLIF平均強度分布

2.2 CH-PLIF圖像和火焰放熱區(qū)結構

CH存在于燃燒中的放熱層，所分布的區(qū)域可認為能夠反映火焰放熱區(qū)的結構。在超聲速燃燒中，OH經(jīng)常存在于凹腔中的反應區(qū)，并會擴散到高溫產(chǎn)物區(qū)，因此OH分布較寬。與OH相比，CH壽命短、分布窄，常用于標示火焰放熱區(qū)的結構。本文利用CH-PLIF技術，在超燃直連臺對凹腔穩(wěn)定火焰放熱區(qū)結構成像。實驗工況采用OH-PLIF實驗時的高當量比工況(φ=0.50)，實驗結果如圖8所示。因為CH自身熒光效率低，和自發(fā)輻射信號強度接近，所以會出現(xiàn)熒光和自發(fā)輻射信號同時存在的情況，Micka等[17]的實驗中也出現(xiàn)過類似現(xiàn)象。與PLIF信號相比，自發(fā)輻射信號沒有空間分辨能量，無法得到精細結果，可通過此來判斷是否為PLIF信號。圖8中黃綠色表示的即為CH-PLIF的信號邊界，其外側為CH自發(fā)輻射。可以看出，CH具有高度皺褶和破碎的結構。圖像中的CH分布整體為片狀結構，其中圖8(a)中的CH是單一的片狀結構，沿流向分布，沒有在垂直空間上折疊，圖8(b)中CH破碎成更多細小的片狀結構，圖8(c)中CH展寬程度更大，并且在下游凹腔中有獨立小尺度的片狀結構。

圖8 凹腔超聲速燃燒CH-PLIF圖像

圖9為超聲速燃燒時OH-PLIF與CH-PLIF的瞬時圖像。從信號的空間分布來看，OH-PLIF信號緊貼凹腔壁面，在凹腔中分布較為廣泛；CH-PLIF信號顯示的放熱區(qū)位于凹腔壁面的上方，分布區(qū)域比OH要窄。

圖9 OH-PLIF與CH-PLIF在流向截面的火焰結構成像對比

同時,在相同工況下獲取OH與CH在特定位置的相對強度分布。圖10(a)為在OH-PLIF與CH-PLIF共同測量的截面上，OH與CH的平均強度分布情況。圖10(b)為從凹腔下游每4.4 mm沿凹腔垂直方向(如圖10(a)中的虛線所示)所獲取的5個截面的相對強度曲線，相對強度取的是多次實驗疊加之后的平均值。OH分布于整個凹腔中，分布范圍比CH更寬。從圖10(a)中OH 的平均強度可以看出，OH的分布寬度從上游往下游逐步增加，而從圖10(b)中可看出，CH的分布曲線在中心處有明顯的峰值，特別是在II、III、IV、V截面上，因此可以判斷CH主要集中分布在凹腔的中心位置，寬度較窄。

圖10 OH與CH在流向截面的平均強度與強度分布曲線對比

3 結 論

本文開展了基于PLIF技術的超聲速燃燒火焰反應區(qū)和放熱區(qū)結構的成像研究。利用OH-PLIF在多個截面對不同全局當量比下超聲速燃燒的火焰反應區(qū)結構進行成像，利用CH-PLIF成像了火焰放熱區(qū)結構。OH-PLIF結果表明：全局當量比較低時燃燒主要發(fā)生在凹腔中，OH沿中軸線對稱分布；高當量比時火焰位置更高，OH主要沿燃燒室兩側壁面分布。CH-PLIF結果表明，超聲速燃燒的放熱區(qū)呈現(xiàn)高度褶皺和破碎結構，放熱區(qū)分布在比反應區(qū)更窄的區(qū)域。

在未來的研究中，需要繼續(xù)優(yōu)化并改進CH-PLIF技術以提高信噪比、實現(xiàn)更廣范圍的火焰結構成像，比如優(yōu)化激光器系統(tǒng)獲得更高的激光能量、利用紫外高透過率玻璃窗口、使用多個相機消除自發(fā)輻射的影響。開展OH與CH雙組分同步PLIF技術研究，實現(xiàn)超聲速燃燒反應區(qū)和放熱區(qū)瞬時結構的同時成像也是未來研究工作的重要方向。