基于輻射光譜的對沖擴散火焰碳煙溫度和體積分數(shù)的測量實驗研究

李 磊, 周夢祥, 溫大新, 王 宇,2

(1. 武漢理工大學 汽車工程學院,湖北 武漢 430070; 2.現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430070)

0 引 言

碳煙是碳氫燃料不完全燃燒所產(chǎn)生的碳質(zhì)顆粒,是柴油機、航空發(fā)動機、鍋爐等實際動力裝置易產(chǎn)生的主要污染物之一,對環(huán)境、氣候及人體健康均有不良影響[1]。深入理解碳煙的形成機理是開發(fā)有效減少碳煙排放策略的重要前提。碳煙的形成過程非常復雜,包括燃料裂解、多環(huán)芳香烴(PAH)形成、碳煙成核、表面生長、凝結、氧化等復雜物理化學過程[2]。即使經(jīng)過數(shù)十年的研究[3-5],人類對碳煙生成具體機制的理解也依然不足。因為實際動力裝置內(nèi)燃燒工況十分復雜,不利于通過控制單一變量來進行機理研究,所以碳煙研究者通常以可控的實驗室層流火焰作為研究對象。

為了更加深入地研究碳煙生成規(guī)律,為碳煙預測模型的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐,火焰中碳煙溫度場和濃度場的測量十分關鍵。碳煙多光譜輻射(soot spectral emission,SSE) 分析法具有非接觸式測量及實驗裝置簡單的特點,是同步測量碳煙溫度和體積分數(shù)的重要手段。然而,已有的基于SSE方法的研究主要針對射流擴散火焰[6-9],使用SSE方法研究對沖擴散火焰中碳煙生成特性的報道并不多。而對沖火焰由于其準一維性、便于單一變量控制以及是層流火焰面模型的具體物理實現(xiàn)等特點,在碳煙生成機理的研究方面日益受到關注[10]。相對射流火焰而言,對沖火焰空間尺度較小,軸線上的溫度梯度和碳煙體積分數(shù)梯度較大,因此測量時需要更高的空間分辨率和位置精度。

此外,與射流火焰中碳煙主要存在于溫度較高的火焰面區(qū)域不同,對沖火焰中碳煙在成核后會隨著氣體的流動運動到滯止面附近,而滯止面離火焰面較遠溫度較低,此處碳煙輻射信號相對較弱,可能導致SSE法測量對沖火焰碳煙輻射時存在信噪比低的問題,因此SSE方法對對沖火焰的適用性亟待驗證。

本文首次建立一套基于SSE方法的對沖火焰碳煙測量系統(tǒng),考慮到對沖火焰尺測量時高空間分辨率和高定位精度的需求,同時開發(fā)一套精準測量定位系統(tǒng),為實現(xiàn)光譜測試系統(tǒng)的響應校準,建立一套利用熱電偶進行輻射強度原位標定的系統(tǒng);該系統(tǒng)裝置簡單、操作方便,幾乎無附加成本;最后利用SSE方法研究對沖火焰中碳煙溫度分布和碳煙體積分數(shù)分布,并與激光消光法的測量結果進行對比,驗證本文方法在對沖火焰中的適用性。

1 實驗原理

SSE方法的基本原理基于普朗克黑體輻射定律,即溫度為T的黑體在垂直其表面的傳輸方向上的輻射強度公式為:

(1)

其中:c1為常量,c1=1.191×10-16W/(m2·sr);c2為常量,c2=1.438 8×10-2m·K;λ為波長;T為溫度。

對于380～780 nm可見光波段內(nèi)的輻射而言,hc/(λT)?1,則(1) 式可以簡化為:

(2)

對沖火焰中的高溫碳煙同樣會向外進行熱輻射,而通過測量其熱輻射的光譜特征和輻射強度可以獲得輻射源(即碳煙)的溫度和濃度。

在測量過程中,探測器所獲得的信號為沿視線(徑向)方向上各點碳煙的輻射強度的積分值,如圖1所示。

圖1 實驗測量示意圖

各點碳煙輻射強度的積分值可以通過下式[5]計算得出:

(3)

實驗測量值為沿視線方向上的輻射強度積分值,視線方向局部輻射強度值則需要通過層析反演獲得。

已有研究表明,當火焰光學厚度小于0.3時,自吸收影響較小[7],忽略自吸收即可使得對沖火焰輻射具有軸對稱的特性,大大簡化了層析反演的難度,則(3)式可以相應簡化為:

(4)

利用Abel逆變換(剝洋蔥法(OP)和Tikhonov正則化[11]),將輻射強度積分值Iλ層析反演得到局部輻射強度Gr,即kλ(x,y)Ib,λ(T(x,y)。

依據(jù)RDG-FA理論,吸收系數(shù)kλ與碳煙體積分數(shù)φ具有如下關系:

(5)

其中,E(m)λ為碳煙吸收函數(shù),為便于與激光消光法實驗數(shù)據(jù)進行比較,本實驗中E(m)λ取值均為0.26[12-13]。

聯(lián)合 (2) 式和(5) 式,并將方程兩邊取對數(shù),可得:

(6)

將(6)式進行相應變換,常數(shù)項分離后移到方程右邊,用c3表示,可以得到:

(7)

以波長倒數(shù)為橫坐標,以(7)式左邊項為縱坐標做出散點圖,利用最小二乘法擬合出一條線性回歸線,該直線的斜率即c2/T,由此便可求出碳煙溫度T。

在溫度已知的情況下可以計算出吸收系數(shù)kλ,利用(5)式可最終求出碳煙體積分數(shù)φ。

2 實驗裝置及方法

2.1 對沖火焰燃燒器及測量裝置

本文所采用的實驗裝置如圖2所示,所用對沖火焰燃燒器與文獻[14]中相同,燃燒器整體放置在電動位移平臺上?；鹧嬷刑紵煹妮椛湟来瓮ㄟ^光闌、濾光片,由透鏡匯聚到光纖上,然后通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀內(nèi)部,衍射光柵分光后由光譜CCD相機進行不同波長下輻射強度的檢測和信號讀取。

圖2 實驗裝置

在圖2實驗系統(tǒng)中,通過調(diào)節(jié)光闌孔徑使得系統(tǒng)f值(透鏡焦距/光闌孔徑)為50,以保證系統(tǒng)具備足夠大的景深;截止波長為400 nm的濾光片可以過濾掉400 nm以下的輻射信號,消除高階衍射對550～750 nm波段輻射信號的影響;同時,將整套裝置置于暗光環(huán)境中,以減少外界光源對實驗結果的干擾。

2.2 探測點的定位

雖然對沖火焰空間尺寸較小,但其沿軸線上的溫度和碳煙體積分數(shù)梯度較大,因此實驗測量需要足夠高的空間準確性和空間分辨率。在該套系統(tǒng)中,探測原點的位置為燃燒器下噴嘴(燃料)中心。為了保證實驗測量的空間分辨率,選定纖芯為100 μm的光纖,透鏡焦距和物距、像距的選擇保證1∶1成像,此時測量的空間分辨率約為100 μm。測量位置的變化通過電動位移平臺移動燃燒器實現(xiàn),而光學系統(tǒng)始終保持不變。

測量位置的確定經(jīng)過粗定位和精準定位2步實現(xiàn)。進行粗定位時,利用準直激光,將透鏡中心、光纖探頭以及燃燒器下噴嘴的中心調(diào)節(jié)至同一水平直線上,此時能確保光纖探頭接收到的光信號處于燃燒器軸線上,并且此時測量原點與燃料噴嘴處的中心基本重合。但由于激光的光斑較大(0.6 mm),此時確定的原點位置仍不夠精準,還需要進一步提高位置精度。本實驗室常用的探針外徑很小(直徑為0.19 mm),其橫截面在受熱后形成較小的發(fā)光點,較適用于精準定位。

圖3 精準定位原理示意圖

將探針固定在兩噴嘴之間,使得探針端點位于噴嘴中軸線上,且與噴嘴相平行,利用側面的相機測量并記錄探針與下噴嘴的距離。確定好位置后點燃火焰,使探針在無碳煙藍色火焰中受熱發(fā)光。通過上下調(diào)節(jié)電動平移臺,記錄下信號最強的點,即發(fā)光點位置,然后根據(jù)相機記錄得到的探針和噴嘴的距離,利用兩者的差值微調(diào)原點位置,即可保證探測坐標原點與燃料噴口的中心點精準重合。

2.3 光譜測量系統(tǒng)的輻射響應標定

實驗裝置中光譜相機的量子效率與波長相關,且所使用的各種光學元件透射率也與波長相關。因此光譜測量系統(tǒng)的響應標定十分關鍵。一般情況下,將標準黑體爐的理論輻射曲線與所用光譜儀測量出的光譜曲線進行對比,即可得到光譜系統(tǒng)的響應曲線,但黑體爐價格較為昂貴,且體積較大,不方便用于原位標定。

R型熱電偶受熱發(fā)出的輻射很穩(wěn)定,在已知其溫度和輻射率的情況下可以簡單得出輻射強度值,因此成本較低的R型熱電偶也可以作為標定源[15]。

當利用熱電偶進行輻射強度標定時,將圖3中的探針替換為熱電偶,并將其置入無碳煙藍色火焰中。通過調(diào)節(jié)火焰工況和熱電偶在火焰中的位置,測量1 350～1 530 K范圍內(nèi)多個溫度下的熱電偶輻射信號值Sλ。

當溫度為1 517 K時,熱電偶的輻射信號如圖4a所示,波長小于550 nm的輻射信號相對過弱,而大于750 nm的輻射信號中噪音信號較大(由光譜相機CCD光學特性決定),因此為了保證標定精度和實驗精度,實驗中采用550～750 nm波段的信號進行分析計算。

圖4 光譜儀輻射強度響應標定

通過基于波長輻射函數(shù)的一點標定法[16]校正標定溫度(1 517 K)的輻射信號值后,利用公式即可得到光譜測量系統(tǒng)對不同波長的輻射強度響應η(λ),其結果如圖4b所示。該輻射強度響應η(λ)計算公式為:

(8)

其中:ε(λ)為R型熱電偶的輻射率[15];k為無量綱常數(shù),與熱電偶結點發(fā)光面積相關,通過對比同一工況、同一位置消光法與SSE方法分別測得的輻射率kλ,可得k的取值為0.32。

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為了驗證標定的準確性,對不同溫度下測量的熱電偶輻射信號利用輻射響應函數(shù)得到其輻射強度Iλ后,使用SSE方法測量熱電偶的溫度,測量結果與熱電偶顯示溫度的偏差見表1所列。從表1可以看出,兩者的偏差在±0.37%以內(nèi),表明熱電偶的輻射很穩(wěn)定,利用其標定光譜系統(tǒng)響應的精度較高。

表1 熱電偶顯示溫度與計算溫度的對比

3 實驗結果與分析

3.1 實驗工況

在本文實驗中,對沖火焰燃燒器燃料端和氧化劑端氣體出口流速均為20 cm/s,溫度為室溫298 K。對沖燃燒器的氧化劑端為氧氣與氮氣的混合氣體,其中氧氣的體積分數(shù)記為φO2,燃料端為純乙烯,該工況下形成的火焰均為SF(soot formation)火焰[17],此類型的火焰結構簡圖如圖5所示。

圖5 對沖火焰結構簡圖

3.2 對沖火焰的徑向碳煙溫度及體積分數(shù)

在之前的研究中,對沖火焰通常被視為準一維火焰,即各種流場變量如軸向速度、溫度、組分濃度和碳煙體積分數(shù)只沿軸向變化,而在徑向保持不變。碳煙體積分數(shù)在對沖火焰中的準一維性已經(jīng)在本實驗室基于消光法的研究中得到了驗證[14]。本文擬通過SSE方法核實該結論,并且進一步驗證對沖火焰中溫度的準一維性。為此首先對對沖火焰徑向的碳煙溫度和碳煙體積分數(shù)進行測量。

將視線上的輻射強度積分值反演后可以得到徑向局部輻射強度,再利用(7)式擬合得到不同位置的碳煙溫度,φO2=0.35工況下某一點的溫度擬合如圖6a所示。根據(jù)φO2=0.35工況下乙烯對沖火焰中不同軸向高度下的測量結果,如圖6b所示,碳煙溫度沿徑向變化幅度較小,僅在遠離火焰中心處溫度略有下降。因此,可以認為在靠近火焰中軸線處對沖火焰中的碳煙溫度是具有準一維性的。

圖6 溫度擬合曲線及碳煙溫度與體積分數(shù)徑向分布

此外,當半徑在3 mm以內(nèi)時,碳煙的體積分數(shù)在徑向上也基本不變,這與文獻[14]中基于消光法得到的對沖火焰具有準一維性的結論是一致的。

根據(jù)第1節(jié)所述,在SSE方法中,局部輻射強度值需要將視線輻射強度積分值進行層析反演得到,而獲取火焰中每個高度平面上的碳煙輻射數(shù)據(jù)十分耗時。當僅需火焰軸線上的局部輻射值時,考慮到對沖火焰的準一維性質(zhì),可以將視線通過火焰軸線時測量的輻射強度積分值不進行反演,直接除以火焰光程L[14],以得到軸線上的局部輻射強度值,再利用該值求解得到碳煙溫度和體積分數(shù)。

基于層析反演和準一維假設分別得到的軸線處碳煙溫度和體積分數(shù)結果如圖7所示。

圖7 層析反演與準一維假設軸向碳煙溫度和體積分數(shù)(φO2=0.35)

從圖7可以看出,2種方法得到的碳煙溫度和體積分數(shù)差距不大,吻合度較高[18]。因此,可以基于準一維假設,僅測量軸線位置處的輻射強度求得碳煙溫度和體積分數(shù),此方法在保證實驗結果較為可靠的情況下大幅度提高了實驗效率。

3.3 對沖火焰的軸向碳煙溫度及體積分數(shù)

在驗證了對沖火焰具有準一維性的基礎上,對不同工況下的對沖火焰軸向碳煙溫度分布和體積分數(shù)進行測量,并與其他獨立方法得到的結果進行比較,以驗證SSE方法測得的碳煙溫度和體積分數(shù)的可行性。

3.3.1 軸向碳煙溫度分布

溫度是影響碳煙生成的重要因素。在對沖火焰中,碳煙的生成演化與火焰軸向的溫度分布密切相關。因此測量對沖火焰中溫度軸向分布尤為重要。

將測得的視線上輻射強度積分值反演,可以得到軸線上局部輻射強度分布,然后利用 (7) 式擬合得到軸線上的溫度分布。2種工況下(φO2=0.30、φO2=0.35)測得的溫度數(shù)據(jù)如圖8所示,其中實線為利用Chemkin程序包并采用乙烯詳細化學反應機理(KM2機理[18])模擬所得的火焰氣體溫度。

圖8 不同工況下的碳煙溫度軸向分布

從圖8可以看出,不同工況下SSE方法測得的溫度均與KM2模擬溫度的差值很小。這表明本文基于SSE方法測量的對沖火焰碳煙溫度是可靠的,且從側面證明了使用熱電偶作為光譜系統(tǒng)原位標定源的方法是可行的。另一方面,需要注意到SSE方法只能測得對沖火焰軸向上其中一部分區(qū)域的碳煙溫度。例如,當工況為φO2=0.35時,基于SSE方法只能得到距離下噴嘴的距離在2.4～3.5 mm之間的碳煙溫度數(shù)據(jù)。當離下噴嘴距離小于2.4 mm時,溫度較低,碳煙輻射信號很弱,而此時噪音信號與其只相差1個量級,故使得該處的溫度嚴重失真;當離下噴嘴的距離大于3.5 mm時,溫度也無法準確測量,這是由于此處碳煙剛開始形成,碳煙體積分數(shù)很小,碳煙輻射信號很弱,溫度測量失真。當工況為φO2=0.30時,測量結果顯示出類似情況,這說明SSE方法測量碳煙溫度有一定的限制,這種限制與碳煙溫度和碳煙體積分數(shù)有關。

碳煙溫度或體積分數(shù)減小,均會使得輻射信號大幅減弱,當輻射信號過弱,信噪比低于20 dB時,很難去掉疊加在其中的噪音信號,導致溫度測量失真。

3.3.2 軸向碳煙體積分數(shù)分布

對沖火焰中碳煙體積分數(shù)的軸向分布是研究碳煙生成演化的重要參數(shù)。在求得溫度T后,便可以得到吸收系數(shù)kλ,進一步利用 (5) 式可以求出碳煙體積分數(shù)φ。本文將同一工況下SSE方法與消光法測得的軸線上的碳煙體積分數(shù)進行比較,結果如圖9所示。

圖9 碳煙體積分數(shù)的軸向分布(φO2=0.35)

從圖9可以看出,SSE方法與消光法測得的軸線碳煙體積分數(shù)變化趨勢是一致的,但有一定的偏差。當離下噴嘴的距離在2.4～3.0 mm區(qū)域內(nèi),偏差基本在20%范圍內(nèi),由文獻[19]的研究結果可知,此偏差在合理范圍內(nèi)的,在進一步分析發(fā)現(xiàn),該偏差主要來源于碳煙吸收函數(shù)E(m)的不確定性。E(m)的取值取決于碳煙顆粒的大小、成熟度以及形成碳煙的物理化學環(huán)境[20],在火焰不同位置,E(m)的取值會發(fā)生變化。然而E(m)變化的規(guī)律至今仍然沒有定論。但從總體來看,采用E(m)=0.26得到的溫度與Chemkin模擬溫度吻合度較高,而碳煙體積分數(shù)與消光法有一定的偏差,這說明溫度對于E(m)變化的敏感性小于碳煙體積分數(shù)的。

最后,本文分別測量了不同工況下(φO2=0.30、φO2=0.35、φO2=0.40)的碳煙溫度和體積分數(shù),并進行了對比分析,結果如圖10所示。

圖10 不同工況下的碳煙溫度和體積分數(shù)軸向分布

由圖10可知,隨著φO2的增加,碳煙溫度隨之增加,碳煙體積分數(shù)也隨之增加,且碳煙體積分數(shù)最大值增加的幅度在不斷擴大。這一結果與LE法測得的趨勢相同[14],因此SSE方法也能較好地捕捉工況變化時碳煙溫度和體積分數(shù)的變化趨勢。

綜上所述,基于SSE方法測量對沖火焰中的碳煙溫度具有較高可行性。但SSE方法測量碳煙體積分數(shù)對E(m)的敏感度較高,若能進一步提高E(m)的準確性,SSE方法測量的碳煙體積分數(shù)準確性也能進一步提高?？傮w而言,SSE方法能準確地捕捉到碳煙體積分數(shù)的相對變化,因此,采用SSE方法測量碳煙體積分數(shù)也是可行的。

4 結 論

本文基于SSE方法對對沖火焰中碳煙溫度和體積分數(shù)進行了實驗研究,開發(fā)了一種適用于對沖火焰測量的精準定位方法,提高了系統(tǒng)測量位置精度,同時建立了一套利用熱電偶進行光譜響應原位標定的系統(tǒng),使利用SSE方法測量對沖火焰成為了可能;基于SSE方法對對沖火焰的碳煙溫度和體積分數(shù)的徑向分布進行測量,驗證了對沖火焰準一維的性質(zhì);同時,研究了反演與否對實驗結果的影響,結果表明,兩者得到的碳煙溫度和體積分數(shù)差距均較小,驗證了非反演方案的可行性,也為提高實驗效率提供了一種可行的實驗方案。

本文測量了對沖火焰碳煙溫度的軸向分布,并與Chemkin模擬溫度進行了對比。結果表明:SSE方法能較為可靠地測得碳煙溫度,但對于輻射強度較弱的位置(信噪比小于20 dB)難以準確測量。與此同時也進一步驗證了用熱電偶作為標定源的可行性,為降低SSE測量系統(tǒng)的標定成本提供了一種可行的方案。

最后,本文測量了對沖火焰碳煙體積分數(shù)的軸向分布,并與消光法得到的實驗結果進行了對比。結果表明:SSE方法能夠很好地捕捉碳煙體積分數(shù)的變化趨勢,但是碳煙體積分數(shù)與消光法測得的結果有一定的偏差,經(jīng)過分析可知,該偏差主要來源于碳煙吸收函數(shù)E(m)的不確定性。

在未來的研究中,若能很好地考慮不同位置碳煙吸收函數(shù)E(m)的變化,SSE方法測量碳煙溫度和體積分數(shù)的精度將進一步得到提高。