高壓條件下平面火焰OH-PLIF實(shí)驗(yàn)研究

涂曉波, 王林森, 閆 博, 母金河, 陳 爽

(1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所, 四川綿陽 621000; 2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川綿陽 621000)

引 言

燃燒過程是各類動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)工作的核心要素之一, 因此燃燒研究至關(guān)重要[1]. 要想實(shí)現(xiàn)高效、 穩(wěn)定的燃燒組織, 就必須對(duì)燃燒過程中涉及的物理、 化學(xué)反應(yīng)過程有清晰的認(rèn)識(shí), 對(duì)組分濃度、 溫度、 壓力、 速度等燃燒流場(chǎng)信息進(jìn)行診斷和測(cè)量[2]. 但是燃燒過程往往涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)及其與流動(dòng)之間的相互耦合, 傳統(tǒng)的燃燒診斷技術(shù), 包括Pitot管、 熱電偶、 測(cè)壓傳感器等, 都屬于侵入式診斷技術(shù), 對(duì)于燃燒流場(chǎng)干擾較大, 具有很大的局限性, 已經(jīng)不能滿足燃燒學(xué)研究對(duì)燃燒診斷和流場(chǎng)可視化的要求. 隨著激光技術(shù)的發(fā)展, 激光燃燒診斷技術(shù)得以快速發(fā)展, 由于具有對(duì)流場(chǎng)無干擾、 時(shí)空分辨率高等優(yōu)勢(shì), 已經(jīng)成為燃燒實(shí)驗(yàn)研究的主要手段[3-4].

平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(planar laser-induced fluorescence, PLIF)是一種非接觸式的燃燒診斷技術(shù)[5], 能夠探測(cè)分子、 自由基等粒子的濃度[6-7], 測(cè)量燃燒場(chǎng)溫度[8-10], 表征復(fù)雜燃燒場(chǎng), 實(shí)現(xiàn)火焰結(jié)構(gòu)的可視化[11-13]. 該技術(shù)具有高靈敏度、 高時(shí)空分辨率、 高選擇性以及原位無干擾等特性, 已經(jīng)成為研究燃燒和火焰結(jié)構(gòu)的重要工具, 在基礎(chǔ)燃燒研究[14-15]、 超聲速燃燒[16-17]、 航空發(fā)動(dòng)機(jī)[18]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用, 并發(fā)揮著越來越重要的作用. 在碳?xì)淙剂先紵^程中, OH自由基是一種關(guān)鍵的中間產(chǎn)物, 參與大多數(shù)的基元反應(yīng), 通常用于表征燃燒反應(yīng)區(qū), 對(duì)于反映火焰鋒面位置、 火焰燃燒反應(yīng)區(qū)等具有重要意義. 而且, OH具有濃度較高、 吸收較強(qiáng)、 輻射譜線位于紫外波段等特點(diǎn), 能夠較為容易地被檢測(cè). 因此, OH是PLIF技術(shù)中最重要也是最普遍的一個(gè)測(cè)量對(duì)象.

實(shí)際燃燒器, 不管是燃?xì)廨啓C(jī), 還是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī), 都是在高壓條件下工作的. 雖然OH-PLIF技術(shù)在這些實(shí)際燃燒器的研究中發(fā)揮著重要作用, 但是在高壓條件下開展OH-PLIF測(cè)量非常具有挑戰(zhàn)性[19]. 一個(gè)顯著的問題是, 隨著壓強(qiáng)的增加, OH熒光猝滅效應(yīng)顯著增強(qiáng), 導(dǎo)致熒光信號(hào)迅速減弱. 由于OH-PLIF物理機(jī)理比較復(fù)雜, 而且高壓燃燒實(shí)驗(yàn)比較困難, 因此量化壓強(qiáng)對(duì)OH-PLIF的影響仍是十分困難的.

目前, 開展高壓燃燒研究的實(shí)驗(yàn)裝置主要有兩大類. 一類是利用高壓定容燃燒彈[20-21], 這類燃燒裝置的燃燒時(shí)間極短, 火焰迅速變化, 不適合開展光學(xué)診斷測(cè)量研究. 二是采用連續(xù)燃燒爐, 如本生燈[22]、 旋流燃燒器[23-24]、 平面火焰爐[25-27]等. 這類高壓燃燒裝置可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的燃燒, 適合采用光學(xué)診斷技術(shù)開展研究. 為了開展光學(xué)診斷技術(shù)研究和參數(shù)校正, 本課題組自行設(shè)計(jì)了一個(gè)高壓火焰爐, 并采用濾波Rayleigh散射技術(shù), 進(jìn)行了不同壓強(qiáng)條件下甲烷/空氣預(yù)混火焰溫度場(chǎng)測(cè)量研究[25,27].

本文將在高壓火焰爐上開展甲烷/空氣預(yù)混平面火焰OH-PLIF測(cè)量研究, 具體內(nèi)容安排如下: 第1節(jié)介紹實(shí)驗(yàn)裝置, 分別對(duì)高壓火焰爐和OH-PLIF測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述, 第2節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論, 第3節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)的熒光產(chǎn)額進(jìn)行仿真, 并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析, 第4節(jié)對(duì)本文內(nèi)容進(jìn)行總結(jié).

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 高壓火焰爐

課題組自主設(shè)計(jì)建設(shè)了一套高壓火焰爐系統(tǒng), 該系統(tǒng)由設(shè)備本體、 氣源系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)、 測(cè)控系統(tǒng)4部分組成. 設(shè)備能夠承受的極限壓強(qiáng)可達(dá) 1.5 MPa, 壓強(qiáng)在0.1～1 MPa之間連續(xù)可調(diào), 壓強(qiáng)控制精度優(yōu)于0.01 MPa. 高壓火焰爐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示, 高壓腔室的四面均安裝有石英玻璃光學(xué)窗口, 便于進(jìn)行光學(xué)測(cè)量研究. 高壓火焰爐采用氮?dú)庾鳛楣ぷ鳉怏w來調(diào)節(jié)壓強(qiáng), 同時(shí)氮?dú)庖灿米骰鹧姹Ｗo(hù)氣體. 火焰爐采用McKenna平面火焰爐, 爐面直徑為25 mm. 燃燒氣體采用甲烷/空氣預(yù)混氣體, 通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力可以實(shí)現(xiàn)不同壓強(qiáng)(0.1～1.0 MPa)條件下甲烷/空氣層流預(yù)混火焰的穩(wěn)定燃燒, 其中常壓， 0.34， 0.64， 0.98 MPa條件下穩(wěn)定燃燒的平面火焰照片如圖1(b)～(e)所示.

(a) Schematic diagram of the high-pressure burner

(b) Atmosphere pressure

(c) 0.34 MPa

(d) 0.64 MPa

(e) 0.98 MPa

在本文的研究中, 甲烷/空氣的燃燒當(dāng)量比設(shè)置為1.0, 具體實(shí)驗(yàn)工況如表1所示. 高壓火焰爐的壓強(qiáng)分別設(shè)置為0.1～1.0 MPa, 間隔是 0.1 MPa. 為了保持平面火焰爐的出口速度不變, 甲烷和空氣的流量隨著壓強(qiáng)的增加而成比例地增加. McKenna平面火焰爐表面的多孔板中通有冷卻水管, 一方面防止燃燒器過熱, 保證火焰爐的安全, 另一方面保證預(yù)混氣體的出口溫度穩(wěn)定在約300 K.

表1 實(shí)驗(yàn)工況

1.2 OH-PLIF測(cè)量系統(tǒng)

為了研究壓強(qiáng)對(duì)OH-PLIF的影響, 本文搭建了OH-PLIF測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 研究對(duì)象是層流預(yù)混火焰, 如圖2所示. 激光器系統(tǒng)由Nd∶YAG固體激光器、 染料激光器(Dye)和紫外倍頻器(SHG)這3部分組成. Nd∶YAG固體激光器輸出的光經(jīng)倍頻后產(chǎn)生532 nm脈沖激光, 進(jìn)入染料激光器用作泵浦光, 染料激光器輸出的光經(jīng)SHG倍頻后輸出紫外激光. 紫外激光的脈寬約為10 ns, 重復(fù)頻率為10 Hz, 能量約為5 mJ, 線寬約為0.3 cm-1. 根據(jù)LIFBase數(shù)據(jù)庫[28], OH的激發(fā)譜線選用A2Σ+-X2Π(1,0)電子躍遷帶的P1(1)譜線, 對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為282.254 nm. 染料激光器輸出的光采用一個(gè)波長(zhǎng)計(jì)來監(jiān)測(cè)波長(zhǎng), 以保證紫外激光能夠恰好落在OH的激發(fā)譜線上. 實(shí)驗(yàn)采用McKenna平面火焰爐, 放置在高壓火焰爐中. 紫外激光通過透鏡組后, 形成約15 mm 高的激光片光, 片光沿著平面火焰爐中心線豎直地穿過火焰. OH熒光信號(hào)由ICCD相機(jī)接收, 在鏡頭前裝有濾光片(Semrock FF02-320/40), 以減少火焰輻射及其他雜散光的干擾. 該濾波片對(duì)應(yīng)的通帶波段為300～340 nm, 覆蓋了OH的A-X(0,0)和A-X(1,1) 電子躍遷帶的熒光. 采用DG535型數(shù)字脈沖發(fā)生器來控制Nd∶YAG激光器的觸發(fā)信號(hào)、 Q開關(guān)和ICCD相機(jī)的時(shí)序. 激光器和ICCD快門的時(shí)序控制如圖3所示, 激光器和ICCD快門是同一時(shí)刻觸發(fā)的; ICCD的快門時(shí)間設(shè)置為200 ns, 以消除火焰自發(fā)輻射的影響.

圖2 高壓層流預(yù)混火焰OH-PLIF測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Experimental setup of OH-PLIF measurement for the flat flames at high pressures

圖3 激光器、 ICCD時(shí)序控制示意圖Fig. 3 Schematic diagram of laser and ICCD timing control

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)按照表1所列的每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況, 設(shè)置高壓火焰爐的壓強(qiáng)和平面火焰的甲烷、 空氣流量. 對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況， 待高壓火焰爐內(nèi)壓強(qiáng)和平面火焰穩(wěn)定后, 采用PLIF技術(shù)連續(xù)拍攝50幅OH熒光瞬態(tài)圖像, 將每幅圖像左上角沒有信號(hào)的100×100區(qū)域內(nèi)平均像素值作為基底, 對(duì)每幅OH熒光圖像進(jìn)行背景扣除, 然后對(duì)這50幅扣除背景的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)平均處理, 得到不同壓強(qiáng)條件下甲烷/空氣預(yù)混層流火焰OH-PLIF平均圖像, 如圖4所示. 需要指出的是, 圖4中每個(gè)子圖的色標(biāo)都是按照0.1 MPa對(duì)應(yīng)的OH-PLIF圖像最大值進(jìn)行歸一化的. 從圖3中可以看出, 隨著壓強(qiáng)的增加, OH的熒光信號(hào)越來越弱, 這是由于OH的熒光猝滅效應(yīng)隨壓強(qiáng)增加而增強(qiáng).

圖4 不同壓強(qiáng)條件下甲烷/空氣預(yù)混層流火焰OH-PLIF平均測(cè)量結(jié)果Fig. 4 Averaged OH-PLIF measurement results of laminar premixed CH4/air flames at different pressures

從圖4所示的OH-PLIF平均圖像沿著火焰爐的中心線提取得到OH熒光強(qiáng)度, 得到不同壓強(qiáng)條件OH熒光強(qiáng)度隨著高度的變化曲線, 如圖5所示. 由于平面火焰可以近似看成是一維火焰, 而一維火焰的火焰面比較薄, 因此靠近爐面附近, OH熒光信號(hào)隨OH濃度的增加而迅速上升. 在本實(shí)驗(yàn)中火焰并不是絕熱的, 火焰與外圍的氮?dú)獯嬖跓峤粨Q, OH濃度在到達(dá)峰值后將會(huì)逐漸減低直至零, 相應(yīng)地, OH熒光信號(hào)逐漸下降, 直至消失. 因?yàn)閴簭?qiáng)的增加會(huì)提高甲烷/空氣的燃燒反應(yīng)速率, 所以火焰鋒面的厚度會(huì)越來越薄. 于是, OH熒光信號(hào)的峰值位置會(huì)隨壓強(qiáng)的增加而越來越靠近爐面. 同樣由于猝滅效應(yīng), OH熒光信號(hào)隨壓強(qiáng)的增加而減弱.

圖5 火焰爐中心線上OH熒光強(qiáng)度沿著高度方向的分布圖Fig. 5 Fluorescence intensity of OH vs height along the centerline of the burner

3 仿真對(duì)比分析

首先, 采用開源軟件Cantera[29]和GRI Mech3.0化學(xué)反應(yīng)機(jī)理[30], 在絕熱近似條件下, 計(jì)算表1中所列工況對(duì)應(yīng)的甲烷/空氣火焰達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的氣體組分和溫度. 再采用LASKIN代碼[31-32], 針對(duì)本實(shí)驗(yàn)的OH-PLIF探測(cè)采集方案(即激發(fā)譜線采用A-X(1,0)頻帶的P1(1)線, 熒光信號(hào)包含OHA-X(0,0)和A-X(1,1)頻帶的總輻射), 結(jié)合仿真得到的甲烷/空氣火焰氣體組分和溫度, 對(duì)熒光產(chǎn)額進(jìn)行仿真, 得到不同壓強(qiáng)下甲烷/空氣火焰的熒光產(chǎn)額, 見圖6中實(shí)心正方形標(biāo)記的曲線. 在圖5所示的OH熒光強(qiáng)度分布曲線上提取最大值, 得到OH峰值熒光信號(hào)隨著壓強(qiáng)的變化關(guān)系, 見圖6中實(shí)心圓標(biāo)記的曲線.

圖6 不同壓強(qiáng)條件下OH熒光峰值信號(hào)與熒光產(chǎn)額對(duì)比圖Fig. 6 Comparison of peak fluorescence intensity and simulated fluorescence yield of OH at different pressures

從熒光產(chǎn)額與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線看, 熒光產(chǎn)額隨著壓強(qiáng)的增加而迅速降低, 兩者近似呈指數(shù)衰減關(guān)系. 1 MPa對(duì)應(yīng)的熒光產(chǎn)額僅為0.1 MPa的1/10, 增大壓力還會(huì)進(jìn)一步降低熒光產(chǎn)額. 這也是高壓條件下OH-LIF測(cè)量比較困難的原因.

從圖6中兩條曲線對(duì)比來看, 實(shí)測(cè)的甲烷/空氣平面火焰OH熒光強(qiáng)度隨壓強(qiáng)的變化趨勢(shì), 大體與仿真的熒光產(chǎn)額隨壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)一致. 這表明, 雖然OH熒光強(qiáng)度與重疊因子密切相關(guān), 進(jìn)而與壓強(qiáng)造成的OH譜線展寬、 頻移等因素相關(guān), 但是熒光淬滅效應(yīng)(熒光產(chǎn)額背后的物理機(jī)制)在OH熒光強(qiáng)度-壓強(qiáng)關(guān)系中起著決定性的作用.

4 結(jié)論

本文在自行設(shè)計(jì)的高壓火焰爐上, 搭建了一套OH-PLIF測(cè)量系統(tǒng), 采用OHA-X(1,0)電子躍遷帶的P1(1)譜線, 對(duì)不同壓強(qiáng)條件下甲烷/空氣預(yù)混平面火焰進(jìn)行OH-PLIF測(cè)量研究, 并對(duì)實(shí)驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)的熒光產(chǎn)額進(jìn)行了仿真, 將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析. 研究結(jié)果表明: (1)隨著壓強(qiáng)的增加, OH的熒光信號(hào)逐漸減弱; (2)平面預(yù)混火焰的鋒面厚度會(huì)隨壓強(qiáng)增加而逐漸變薄, OH熒光信號(hào)的峰值位置會(huì)越來越靠近爐面; (3)熒光淬滅效應(yīng)在OH熒光強(qiáng)度-壓強(qiáng)關(guān)系中起著決定性的作用.