基于高光譜技術(shù)的甲烷層流預(yù)混火焰自由基特性研究

王 巖， 王寶瑞*， 王 岳

1. 中國(guó)科學(xué)院輕型動(dòng)力創(chuàng)新研究院， 北京 100190

2. 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190

3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

引 言

甲烷是天然氣的主要成分， 也是最為常見(jiàn)的一種烴類(lèi)燃料, 是燃?xì)廨啓C(jī)、 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等能源和動(dòng)力設(shè)備的燃料。 研究甲烷的燃燒特性對(duì)提高燃燒效率、 降低污染排放有著重要的作用。 同時(shí)， 甲烷預(yù)混火焰燃燒方式是最主要的低污染燃燒方式[1]， 隨著預(yù)混火焰燃燒技術(shù)的普及， 利用層流火焰深入研究其基礎(chǔ)特性具有重要的意義。

高光譜技術(shù)是成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合， 能夠獲取目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜信息。 相對(duì)于其他測(cè)量技術(shù)， 高光譜技術(shù)具有獲取信息數(shù)量多， 信息分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。 高光譜技術(shù)廣泛應(yīng)用于遙感、 污染檢測(cè)、 軍事活動(dòng)等領(lǐng)域， 但較少應(yīng)用于燃燒領(lǐng)域。 20世紀(jì)80年代， 第一幅高光譜影像的獲得， 象征著高光譜時(shí)代的到來(lái)。 20世紀(jì)末， 高光譜衛(wèi)星被成功研制出來(lái)， 被譽(yù)為是20世紀(jì)遙感領(lǐng)域的最偉大的成就之一。 高光譜數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域[2]。 美國(guó)Rebellion公司利用高光譜成像技術(shù)研發(fā)了氣云成像系統(tǒng)， 用以識(shí)別和量化氣體泄漏, 可對(duì)50多種烴類(lèi)氣體進(jìn)行識(shí)別。 火焰具有豐富的空間和光譜特性， 高光譜技術(shù)可以充分獲取空間信息和光譜信息， 但目前很少有基于高光譜技術(shù)的燃料燃燒特性研究。

傳統(tǒng)火焰實(shí)驗(yàn)中常用直接成像設(shè)備和光譜儀進(jìn)行燃燒特性的研究。 一般直接成像設(shè)備得到的火焰信息只有灰度信息或者RGB三個(gè)通道信息， 光譜信息不充分， 主要獲取火焰的空間信息。 張浪通過(guò)ICCD相機(jī)和相應(yīng)濾光片獲取OH*和CH*的化學(xué)發(fā)光圖像， 得出OH*主要分為三個(gè)燃燒區(qū)域， CH*分布主要為兩個(gè)燃燒區(qū)域， 并且得到了自由基的濃度分布云圖[3]。 傳統(tǒng)光譜儀可以充分獲取光譜信息， 但是只能逐點(diǎn)測(cè)量， 不能充分獲取空間信息， Ayranci使用FTIR紅外光譜儀獲取1.1～1.7 μm波段內(nèi)火焰輻射能量， 在光學(xué)薄假設(shè)下， 對(duì)乙烯擴(kuò)散火焰溫度和煙黑顆粒體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算, 得到了較為精確的結(jié)果[4]。 除了用直接成像設(shè)備和光譜儀對(duì)燃燒特性進(jìn)行診斷， 基于激光散射或激發(fā)光譜技術(shù)的粒子圖像速度場(chǎng)儀(particle image velocimetry, PIV)、 平面激光誘導(dǎo)熒光(planar laser induced fluorescence, PLIF)也是常用的燃燒光學(xué)測(cè)量技術(shù)。

嚴(yán)浩通過(guò)對(duì)OH*與CH2O雙組分進(jìn)行同步PLIF測(cè)量， 獲得了不同工況下燃燒室反應(yīng)區(qū)以及預(yù)熱區(qū)的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)信息， 進(jìn)一步研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的旋流燃燒室模型在貧燃狀態(tài)下的工作特性[5]。 基于激光的測(cè)量技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控火焰燃燒狀態(tài)， 但激光散射或激發(fā)光譜技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高， 不易應(yīng)用于惡劣的燃燒環(huán)境[6], 且外加的激光光源會(huì)對(duì)火焰造成干擾， 因此目前基于化學(xué)自發(fā)光的方法越來(lái)越受人們重視[7]。 利用高光譜技術(shù)對(duì)火焰燃燒特性的相關(guān)研究不多， He利用基于壓縮感知的高光譜技術(shù)對(duì)甲烷/空氣火焰在不同當(dāng)量比下的自由基化學(xué)發(fā)光發(fā)射率進(jìn)行了測(cè)量， 結(jié)果表明發(fā)射率與當(dāng)量比的相關(guān)性較好, 該技術(shù)基于壓縮感知的單次高光譜成像， 可以快速獲取火焰信息[8]。 柳華蔚采用高光譜成像設(shè)備拍攝四種空氣工況乙烯層流擴(kuò)散火焰輻射圖像， 迭代計(jì)算火焰內(nèi)部溫度、 吸收系數(shù)和煙黑顆粒體積分?jǐn)?shù)分布[9]， 研究中使用乙烯火焰， 是因?yàn)橐蚁┗鹧嬷心軌虍a(chǎn)生相對(duì)更多的煙黑， 從而使用黑體模型， 該方法卻不易應(yīng)用于甲烷火焰， 并且在預(yù)混火焰中煙黑更少。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 燃燒系統(tǒng)和高光譜設(shè)備

實(shí)驗(yàn)利用本生燈構(gòu)造層流甲烷預(yù)混火焰， 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示， 使用的氣態(tài)甲烷在一個(gè)10 L的氣罐中加壓， 空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生0.7 MPa壓力的空氣。 燃燒器為軸對(duì)稱(chēng)預(yù)混燃燒器， 在收縮噴管出口處產(chǎn)生穩(wěn)定的錐形層流預(yù)混火焰， 其出口直徑為10 mm， 收縮比是2.25。 燃料的噴注采用雙孔對(duì)噴的方式， 以達(dá)到燃料噴注后迅速與空氣混合均勻的目的， 避免濃度分層產(chǎn)生的誤差影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

采用GaiaField Pro-V10高光譜儀采集火焰輻射光譜信息， 光譜儀集成高性能數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)， 無(wú)需外接計(jì)算機(jī)。 其波長(zhǎng)覆蓋范圍是400～1 000 nm， 光譜通道數(shù)為176， 數(shù)據(jù)格式為16位無(wú)符號(hào)整型(0-65535)； 內(nèi)置CCD探測(cè)器， 可以得到火焰的二維圖像， 以及圖像上每個(gè)點(diǎn)的光譜信息， 通過(guò)ENVI軟件對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以得到火焰高光譜信息。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

表1 不同當(dāng)量比實(shí)驗(yàn)工況

表2 不同流量實(shí)驗(yàn)工況

1.3 火焰實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的選擇

圖2為甲烷層流預(yù)混火焰的RGB圖像(RGB分別用光譜通道中的700， 550和470 nm作為近似)， 為了使選取的位置具有代表性， 實(shí)驗(yàn)選取火焰面上的最高點(diǎn)火焰頂部和火焰高度一半位置的火焰中心為研究點(diǎn)。 在軸對(duì)稱(chēng)火焰條件下， 預(yù)混火焰面最高點(diǎn)受到火焰面內(nèi)部的輻射影響最??； 同時(shí)火焰的中心在理論上不存在光線偏折， 能更好的體現(xiàn)火焰面的輻射特性， 因此選定這兩點(diǎn)在不同工況下的高光譜輻射特性來(lái)研究甲烷層流預(yù)混火焰自由基的輻射特性。

圖2 火焰圖像

2 結(jié)果與討論

2.1 甲烷層流預(yù)混火焰光譜特性

研究了甲烷預(yù)混火焰的整體輻射特性。 圖3為當(dāng)量比為1的甲烷預(yù)混火焰在波長(zhǎng)400～1 000 nm的輻射曲線和基于黑體輻射定律的輻射曲線對(duì)比圖， 甲烷火焰輻射曲線包括火焰中心處、 火焰面內(nèi)、 燃燒區(qū)域內(nèi)輻射曲線， 其中火焰面內(nèi)、 燃燒區(qū)域內(nèi)輻射強(qiáng)度是將區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的強(qiáng)度累加后做平均化處理, 相當(dāng)于將火焰面內(nèi)和整個(gè)燃燒區(qū)域當(dāng)作一個(gè)點(diǎn)而形成的光譜， 平均化之后的光譜仍然保留了主要光譜特征。 從圖3中可以看出， 黑體輻射定律不再適用于甲烷預(yù)混火焰， 輻射定律擬合的曲線隨波長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)， 而甲烷預(yù)混火焰的輻射曲線在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值， 在其他波長(zhǎng)范圍內(nèi)變化平穩(wěn)， 因此需要深入研究甲烷預(yù)混火焰輻射特性為完善傳統(tǒng)輻射模型提供理論基礎(chǔ)。

圖3 理論黑體輻射分布和實(shí)驗(yàn)光譜分布對(duì)比

圖4 當(dāng)量比為0.85和1.15火焰中心處的光譜圖

2.2 當(dāng)量比對(duì)自由基輻射強(qiáng)度的影響

在預(yù)混條件下固定空氣流量， 調(diào)節(jié)甲烷流量來(lái)改變當(dāng)量比， 當(dāng)量比變化范圍從0.79～1.28， 圖5為不同當(dāng)量比甲烷火焰的輻射強(qiáng)度三維圖， 波段范圍為400～1 000 nm； 從圖中可以看出， 隨著當(dāng)量比的變化， 對(duì)應(yīng)曲線的峰值高度也在發(fā)生變化， 自由基的輻射強(qiáng)度都經(jīng)歷了先變大后減小的變化， 不同當(dāng)量比的曲線也會(huì)出現(xiàn)不同的峰值特性， 當(dāng)量比大于1時(shí)， 在波長(zhǎng)為554 nm處出現(xiàn)了C類(lèi)自由基， 而當(dāng)量比小于1時(shí)不會(huì)出現(xiàn)這些峰值。

圖5 不同當(dāng)量比甲烷火焰的輻射強(qiáng)度三維圖

圖6 自由基輻射強(qiáng)度隨當(dāng)量比的變化

圖7 火焰中心處和燃燒區(qū)域內(nèi)與當(dāng)量比的關(guān)系

圖和CH*自由基輻射強(qiáng)度比值云圖

2.3 甲烷及空氣總流量對(duì)自由基輻射強(qiáng)度的影響

上述實(shí)驗(yàn)探究了空氣流量固定， 甲烷流量增加時(shí)自由基輻射強(qiáng)度的變化， 為了進(jìn)一步探究甲烷和空氣流量對(duì)火焰和自由基分布的影響， 保持當(dāng)量比不變， 同時(shí)增加甲烷和空氣的流量(層流狀態(tài)下)， 探究不同流量下火焰和自由基濃度分布的規(guī)律。

圖9 CH*和C2*自由基相對(duì)輻射強(qiáng)度分布圖

圖10 不同流量甲烷火焰的輻射強(qiáng)度三維圖

圖11 不同流量時(shí)的火焰頂部和火焰中心的自由基輻射強(qiáng)度

3 結(jié) 論

利用高光譜研究了不同燃燒狀態(tài)下甲烷預(yù)混火焰的總體光譜特性和自由基的輻射強(qiáng)度分布。 通過(guò)甲烷預(yù)混火焰自由基的輻射強(qiáng)度隨當(dāng)量比和流量的變化測(cè)量, 分析了輻射特性及其與火焰的燃燒狀態(tài)的關(guān)系， 結(jié)果表明：

(1)甲烷層流預(yù)混火焰擁有豐富的化學(xué)發(fā)光光譜。 高光譜測(cè)量可以識(shí)別出了火焰中的主要自由基， 為甲烷GRI詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的完善提供了更多參考。 通過(guò)光譜的比較表明， 基于傳統(tǒng)黑體輻射的模型不適用于甲烷層流預(yù)混火焰在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光譜分布, 這些結(jié)果為燃燒輻射模型的完善提供了基礎(chǔ)。

(3)分析了不同當(dāng)量比下的甲烷預(yù)混火焰自由基光譜。 結(jié)果表明， 當(dāng)量比的變化同時(shí)影響自由基的種類(lèi)和輻射強(qiáng)度， 主要有以下規(guī)律：

② CH*自由基輻射強(qiáng)度在當(dāng)量比為1.01時(shí)達(dá)到峰值。 當(dāng)量比1代表完全反應(yīng)， 且CH*是重要的自由基， 因此可以用CH*的相對(duì)強(qiáng)度表征火焰中燃燒反應(yīng)的強(qiáng)度。

本研究從技術(shù)應(yīng)用和火焰特性分析的角度為燃燒領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了參考。 下一步擬利用軸對(duì)稱(chēng)模型定量化研究火焰內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 未來(lái)將應(yīng)用于工程化的湍流火焰。