CH4/Air反擴散射流火焰多組分同步PLIF診斷

陳 爽, Lukasz Jan Kapsta, 翁武斌, 蘇 鐵, 涂曉波, Zhongshan Li

(1. 中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000; 2. 華沙理工大學 能源與航空工程學院 熱能工程研究所, 波蘭 華沙 21/25 00-665; 3. 隆德大學 燃燒物理系, 瑞典 隆德 S-S22100)

0 引 言

反擴散射流火焰(Inverse Diffusion Jet Flame，IDJ)是一種特殊的擴散同軸射流火焰，其燃料和氧化劑分布位置剛好與常規擴散火焰相反，即中心區通氧化劑，燃料分布在外圍。這些差異使得反擴散火焰特性和火焰結構有別于常規的擴散火焰。這種火焰結構在工業中有著典型的應用，如一些工業燃燒器和火箭發動機，因而有著重要的學術和工程研究價值[1-2]。此外，航空發動機燃燒室中空氣從主燃孔注入是一種反擴散的燃燒形式；燃煤鍋爐中二次風進入爐膛也是典型的反擴散燃燒形式[3]，很多研究都圍繞其展開[4-7]。

因此，對這種火焰結構進行深入研究，尤其是發展平面激光誘導熒光(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF)技術[8]對其火焰結構進行可視化有著重要的意義。另外，就湍流燃燒基礎研究而言，這種火焰結構同時存在擴散燃燒、預混燃燒以及部分預混燃燒等模式，對于研究燃燒化學反應機理、燃燒理論模型也有重要的學術價值。

火焰結構和燃燒過程中間產物分布的精細化顯示與測量能夠提供豐富的信息，PLIF技術能夠獲得主要中間產物(如OH、CH以及CH2O)的二維分布，在燃燒學相關研究中一直扮演著重要的角色，其實時、非侵入以及高時空分辨的優點使其一直受到關注。OH自由基分布可以被用來表征火焰的反應區，而CH2O的分布則被用來顯示火焰預熱區的分布，CH則能顯示火焰鋒面的發生區域[9]。作為主要的燃燒場診斷技術之一，單組分的OH-PLIF、CH-PLIF已經相對比較成熟，在基礎研究領域，特別是基礎湍流燃燒實驗中發揮著重要作用[10]。同時，在很多工程實際燃燒器中單組分PLIF技術也已經得到廣泛應用[11]，耿輝等利用OH-PLIF研究了超聲速燃燒的火焰結構[12]，陳爽、蘇鐵則發展了雙色瞬態OH-PLIF測溫技術，對超聲速燃燒流場進行了二維瞬態溫度分布的測量[13]。這些工作都反映了國內PLIF燃燒場診斷技術的研究水平。

多組分同步PLIF瞬態測量則能夠呈現火焰多個區域(反應區、預熱區)，獲得更加豐富的信息。Micka等利用OH/CH2O-PLIF同時成像技術，研究超聲速燃燒中火焰自點火反應區和主反應區的結構，結果表明自點火反應能夠強化火焰[11]。Zhou等利用OH/CH2O-PLIF同時成像甲烷/空氣預混火焰反應區的結構，發現在分布式火焰反應區中CH2O分布變寬且能夠出現在整個火焰內側區域，OH的分布正好與CH2O的分布互斥[14]，為湍流燃燒CFD建模提供了重要依據?？梢?，發展多組分同步PLIF技術，特別是采用該技術對反擴散射流火焰進行研究，對于發現燃燒現象有著重要意義。目前，國內多組分同步測量的相關研究開展較少，近年來才開始關注多組分同步診斷[15]，與國外在精細程度、分辨率以及可測組分種類等方面尚有較大差距。

本文針對反擴散射流火焰設計了燃燒器，發展了多組分同步PLIF診斷技術，并開展了OH基化學發光成像實驗以及多組分瞬態PLIF診斷實驗研究。

1 實驗設計

1.1 反擴散射流燃燒器

根據反擴散射流火焰的研究需要，設計同軸射流燃燒器如圖1所示：外環為低速的氣體燃料通路，直徑(內徑)為30mm，中心管道為空氣通路，內徑為4mm；為了研究不同的中心射流雷諾數和流速，設計了2個尺寸的噴嘴可以更換，內徑分別為1.6和2mm；噴嘴與外環出口的孔板固定在一起；外管的孔板由一系列軸對稱均勻分布的小孔組成，一方面用于防止回火，另一方面可以確保中心噴嘴嚴格處于外管圓心處。

圖1 反擴散射流燃燒器設計圖

1.2 OH/CH2O/Acetone-PLIF分析

與常規PLIF系統相比，多組分同步PLIF診斷系統需要集成2套PLIF系統，和雙色瞬態PLIF測溫系統類似[13]，關鍵在于不同激光器出射激光的高效合束，并照射同一待測截面，以及合適的激發譜線的選取。

對于OH-PLIF，采用Nd:YAG(Pro-250, Spectra Physics)泵浦染料激光器(Cobra Stretch-G-2400, Sirah)后再倍頻的方式實現對應激發譜線的激光輸出；激發譜線選擇A-X(0,1)躍遷的Q1(6)線(波長約為282.6nm)。激發熒光主要位于305～320nm波段的A-X(0,0)帶，因此采用UG11和WG305濾光片阻擋激發激光的散射信號。

而CH2O-PLIF可以選用的激光器類型較多，不如OH那么集中于280～320nm波段。Harrington和Smyth[16]以及Bauerle等人采用XeF激光輸出353nm激發A1A2-X1A1帶獲得熒光信號[17]。Phillps H. Paul則選取201401帶(338nm附近)獲得了10倍以上的熒光強度[18]，但是這種波長的激光不易獲得。本工作中，對于CH2O熒光成像選取A-X電子帶，采用355nm激光激發。雖然355nm不在最強的吸收峰位置(351nm)，但是直接采用Nd:YAG激光器三倍頻即可獲得高能量的脈沖輸出，可以大大簡化實驗系統。由此，本實驗采用Nd:YAG激光器及三倍頻系統(Quantel，Brilliant B)。

丙酮(Acetone)作為一種大分子物質，具有較寬的光譜吸收范圍( 225～320nm)，能被一些常用紫外激光所激發，產生可見波段( 350～550nm)的熒光信號。特別是該組分具有較高的飽和蒸汽壓，比較容易隨著流場進入射流中，是燃燒場研究中典型的染料示蹤物質。本研究工作構建了Acetone示蹤系統，通過在CH4氣路中加入一示蹤裝置，氣化的丙酮隨著氣體進入燃燒器，最終顯示CH4的燃燒位置。雖然266nm激發具有更強的熒光信號，但是考慮到系統的復雜性和可靠性，本實驗采用了基于OH激發的282nm附近的窄線寬激光進行激發。

1.3 多組分同步PLIF系統實現

實驗系統如圖2所示，系統由2套激光器、2部ICCD相機、1組時序控制器以及光學系統構成。利用Nd:YAG(Pro-250, Spectra Physics)泵浦染料激光器(Cobra Stretch-G-2400, Sirah)后再倍頻的方式輸出282.6nm紫外激光，對應OH基A-X(0,1)躍遷的Q1(6)線，脈沖能量為20mJ，脈寬小于10ns。Nd:YAG激光器及三倍頻系統(Quantel，Brilliant B)輸出355nm激光，脈沖能量大于100mJ，脈寬約為8ns。

圖2 多組分同步PLIF成像實驗系統示意圖

Fig.2Schematicoftheexperimentalsetupforsimultaneousmulti-speciesPLIFimaging

2路不同波長的激光通過雙色鏡進行合束，其中282.6nm激光在鏡面45°入射高反，355nm激光則在鏡片上實現高透。合束后的激光經過3片柱面鏡組成的光路系統(垂直方向2片，f=-40和400mm，水平方向為f=300mm)形成激光片，工作區域厚度約為0.5mm。2部ICCD相機(PIMAX I和PIMAX II, 1024pixel×1024pixel)分別置于待測截面兩側，對片光照射平面進行成像，采用325±25mm的帶通濾光片實現OH-PLIF成像熒光信號選通，GG385濾光片用于CH2O-PLIF成像則是阻擋激發激光散射。需要說明的是，在進行Acetone-PLIF時，采用可見光鏡頭，紫外激光散射不能通過，因此沒有增加濾光片。經USAF-1951目標板測試，成像分辨率約為100μm。

控制時序由2部DG535實現，如圖3所示,283與355nm激光間隔約為200ns，做到2路激光相互不干擾。在200ns的時間間隔上流場被“凍結”，可以認為是同一時刻的情況。2個ICCD分別針對探測的熒光信號打開增強器，“Gate”約為100ns，保證熒光信號的獨立性。OH/Acetone-PLIF相對簡單，單一激光激發，2個ICCD同時曝光，熒光信號純粹用濾光片隔離。

圖3 OH/CH2O-PLIF和OH/Acetone-PLIF時序示意圖

Fig.3SynchronizationschemeofOH/CH2O-PLIFandOH/Acetone-PLIF

2 實驗結果與討論

2.1 火焰基本形貌

本工作中，首先采用化學自發光OH*對火焰形貌進行顯示。帶通濾光片(320±20nm)置于ICCD相機(PI-MAX2，1024pixel×1024pixel)前，保證只有OH自由基的化學發光(OH*chemiluminescence)能被相機采集，幀頻5Hz，單幀曝光時間500μs?？諝夂虲H4氣路均采用質量流量計(Bronkhorst)進行控制，具體的流量參數如表1所示，其中表征火焰湍流度的Re*由公式確定[11]。圖4為對應不同條件下的火焰形貌——100次單幀OH*成像的平均結果。

從OH*圖像可以清晰看出IDJ火焰由基礎火焰(Base flame)和主火焰(Main flame)2部分構成，我們將明顯的分界定義為火焰頸部(Flame neck)。這種火焰形貌是由IDJ火焰的結構造成的，基礎火焰為典型的層流擴散燃燒，是由外環低速的CH4氣流產生，火焰呈錐形結構，黃色的火焰發光可以判斷為典型的擴散燃燒時大量的積碳(Soot)導致。主火焰則是由中心的空氣射流產生的湍流火焰，由于高速的空氣卷吸未反應的CH4氣體，火焰呈藍色，為典型的部分預混火焰。這種火焰結構中，基礎火焰為主火焰提供一個高溫環境，起到引導火焰(Pilot)的作用，可以實現高湍流度主火焰的穩定。

此外，對比圖4(a)～(d)以及(j)～(l)不同工況條件下的OH*圖像可知，通過改變中心射流空氣的速度而維持協流CH4速度不變，主流空氣速度大于66.31m/s后會出現本地熄火(Local extinction)，最終發生吹熄(Blow off)。這是由于隨著中心射流速度變大，空間中大量的冷空氣被卷吸進入，最終不能實現穩焰；此外，錐形的主火焰會逐漸變小，可以理解為中心射流帶走了大量的CH4，使得層流擴散散射的基礎火焰中發生反應的CH4不斷減小，從而火焰錐變小，這符合擴散層流火焰特性。對于圖4(c)～(i)，在不改變中心射流速度的條件下，不斷增加協流的速度，可以看出基礎火焰形貌保持不變而主火焰高度不斷增加。這是由于更多未反應的CH4氣體被中心射流空氣帶到了下游，整體火焰處于富燃狀態，依然可以維持燃燒，表現出部分預混火焰的特點。不過通過OH*來研究IDJ火焰的形貌并不能得到更多細致的信息，因此需要對其進行瞬態多組分PLIF測量。

2.2 多組分PLIF瞬態同步測量

為了更好研究反擴散射流火焰的火焰結構，針對典型3個工況(c、f和j)開展了多組分PLIF瞬態同步測量實驗。采用OH/Acetone-PLIF得到的OH基與氣態Acetone分子熒光瞬時圖像如圖5所示，采用OH/CH2O-PLIF得到的OH基與CH2O基的熒光瞬時圖像如圖6所示。需要指出的是：圖中的色標只是表征熒光信號的強弱，能夠用于反應自由基的空間分布，并不能完全對應于絕對的濃度信息；照射流場的片光因為激光器出射光斑的限制，并沒有進行歸一化校準，在運行中會因為光斑能量分布的不均勻而導致熒光信號強度的差異。

表1 不同工況條件下的參數Table 1 Parameters at various cases of IDJ flame

圖4 不同條件下IDJ火焰OH*成像結果

圖5 工況c/f/j反擴散射流火焰OH/Acetone-PLIF同時測量的瞬態圖像

圖6 工況c/f/j下反擴散射流火焰OH/CH2O-PLIF同時測量的瞬態圖像

工況c、f和j分別對應弱湍流燃燒、強湍流燃燒和吹熄(Blow off)3種典型火焰。首先，與圖4測得的OH*顯示火焰結構一致，在火焰的底部有一個明顯的錐形火焰區即基礎火焰(Base flame)，這是一個典型的層流擴散火焰形貌。隨著內外流速的比值Rv(Velocity ratio)增大，基礎火焰錐不斷“塌陷”，高度降低、錐頂角變大；這是因為大量的CH4被中間的空氣射流帶入了下游，使得構成基礎火焰層流擴散燃燒的純CH4流量減小，最終導致火焰錐高度減小。

從圖5和6中都可以看出，Case c中OH基呈條狀分布，且在火焰的外側，這與OH化學發光顯示的結果一致。這是反擴散火焰的特點，與預混以及擴散射流火焰不太一樣，存在2個火焰面。當中心射流速度增大，湍流度隨之升高，這種條狀結構被破壞：內外火焰面出現很多褶皺和卷曲，局部OH分布呈現出不連續分布且變厚，火焰面被嚴重撕裂。進一步提高中心射流速度，由于更強烈的湍流作用，OH分布變得不再連續，甚至發生熄火。在下游會發生自點火，零星存在一些孤立的OH“島”。

Acetone代表了燃料CH4在流場中的分布，如圖5所示,其主要分布在火焰中心，在噴嘴出口中心射流位置空氣迅速與協流CH4發生摻混。當Vr(Velocity ratio)較低時(Case c)，燃料被很好地約束在火焰內側，反應區內燃料被迅速消耗；隨著內外流速比值的增大，中心未摻混的純空氣分布區域不斷減小，而燃料也穿過被撕裂的反應面向外擴散；當火焰發生吹熄時(Case j)，Acetone消耗較小，向外擴散進一步加劇。

CH2O基作為火焰預熱區的重要指示物，存在區域更貼近反應區，所以在射流中心位置沒有CH2O存在。在反應發生區域，OH與CH2O在空間呈現互補分布，這從圖6中的Case c可以看出；即使在Vr較大時(Case f)，這種互補也存在，即在OH大量存在的區域，CH2O會表現出一個空白區域；但是在發生吹熄時(Case j)，CH2O仍然會低密度存在，與之前的“互補”特性并不相符，特別是在未發生燃燒的下游區域。這是因為下游的CH2O分布并不是由反應面擴散而來，而是基礎火焰產生的大量CH2O被中心射流帶到了下游。

從同步PLIF診斷的結果來看，湍流燃燒的main flame中CH2O分布于OH內側，并不存在典型擴散火焰的2個火焰面結構；其基本形態類似于Sandia發布的部分預混擴散火焰flame D[19]。這可以理解為在Base flame內部由于空氣射流的卷吸作用，燃料與空氣快速摻混，典型反擴散火焰結構被改變。而整個實驗工況中，當量比比較高(>3)，超出了預混可燃極限，所以下游火焰主要呈現了擴散火焰模式。

圖7 OH(綠)、丙酮(藍)和CH2O(紅)同時成像表征的火焰結構

Fig.7Thelocalstructuresofthreesimultaneouslymeasuredspecies,OH(green),acetone(blue)andCH2O(red)

另外，圖7為Case c(圖像最下端距射流出口40mm)某一時刻多組分同步PLIF測量結果的空間疊加細節圖，不同顏色代表不同組分(OH為綠色，丙酮為藍色，CH2O為紅色)?？梢钥闯?，OH與CH2O有著良好的空間互補特性，CH2O較Acetone更貼近火焰面或反應區；OH與Acetone存在一個“gap”。從細節圖可以看出，2種組分還有一些重合的細微區域，這是2臺ICCD成像時空間校準所引入的誤差，在Y方向估計有1mm的偏移。

3 結 論

本文建立了OH/CH2O/Acetone多組分同步PLIF實驗系統，系統由2套激光器、2部ICCD相機、1組時序控制器以及光學系統構成，對不同組分物質分子有效激發策略、時序控制方法以及雙ICCD成像技術進行了分析，最終實現了對火焰反應區、預熱區以及燃料分布區域等火焰結構信息的瞬態測量及可視化。并基于該實驗系統，對反擴散射流火焰進行了實驗研究。通過對比化學發光成像和瞬態多組分PLIF圖像，可以看出該火焰形式既不同于傳統的預混火焰，也不同于常規的擴散火焰。這種反擴散火焰的燃燒器設計在低速時具有較為典型的反擴散結構，在中心空氣射流較大的情況下卻更多表現為部分預混的擴散火焰，類似于Sandia實驗室發布的flame D的情況。研究結果表明，較之OH*的化學發光成像，多組分PLIF結構更能準確認識火焰的基本形態和燃燒模式，在基礎燃燒和工業研究中都具有重要的應用價值。

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