基于二氧化碳红外热成像的火焰起升高度分析

胡宗杰，张骏捷，龚慧峰，李理光，2

(1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.同济大学 中德学院，上海 200092)

为实现高效、清洁燃烧，液体燃料需要经过雾化、蒸发，并与空气充分混合，这一系列过程都对液体燃料燃烧有重要影响[1].对液体燃料，无论采用何种雾化方式，都是使燃油形成射流，通过增强液流与气流的相对运动，使射流产生不稳定，导致破碎雾化成液滴群进行燃烧的[2].因此,液滴群燃烧的基础研究有重要科学意义和工程指导价值，也是分析更为复杂火焰和燃烧的必要前提.

Jenny等[3]指出液滴群的燃烧过程中存在液滴湍流弥散、蒸发混合、燃烧化学反应和自燃等现象，而且与湍流场相互作用，多种因素紧密耦合.火焰的起升高度表征了射流持续燃烧的稳定位置，是火焰的重要表征参数之一，对指导燃烧系统设计也具有重要价值.O’Loughlin等[4-5]采用超声雾化和载气输运技术制成液滴群射流，将其引入协流燃烧器的热氛围中，使用普通数码相机拍摄了正己烷、正庚烷和丙酮液滴群射流自燃情况和火焰起升高度.龚慧峰等[6]利用数码相机拍摄正庚烷液滴流火焰，获得了火焰起升高度、火焰高度和宽度等参数的变化规律；但由于液滴群预混射流火焰基部温度较低，其发出的可见光较为微弱，火焰起升高度的测量精度尚待提高.OH基分布是定义火焰起升高度的方法之一，O’Loughlin等[7]采用高速激光诱导荧光法(LIF)测量甲醇液滴群起升火焰中的OH基，由此得到了火焰起升高度.Yon等[8]还利用LIF技术捕捉火焰中的OH基得到了甲烷、氧气、氢气预混合气体射流火焰的起升高度.但LIF技术的测试系统比较复杂，可视化区域相对较小，当火焰起升高度大幅度变化时需要调整片光位置来捕捉火焰基部，试验难度较大.

根据热辐射定律，一切物体都在不断向外发出热辐射.当温度在2 000 K以下时，黑体的辐射能量和峰值波长都集中在红外区域[9]，采用红外热成像技术可以测量物体在红外波段发出的辐射光，相比于可见光成像技术，更能有效捕捉低温物体.Frédérick等[10]使用高速红外热像仪研究燃烧器中生物质燃料的着火情况，拍摄到了液滴流从形成火核到发展成火焰的详细过程.Philippe等[11]在红外热像仪镜头前加装不同种类的滤片，拍摄了不同曲轴转角时光学发动机缸内的燃烧温度分布，以及HC、CO2的生成情况.Wei等[12]利用高速红外热像仪拍摄到了直喷汽油机缸内碳氢燃料分布，及其与喷雾和进气流动的相互作用.

在燃烧过程中，CO2、H2O、CO等燃烧产物红外辐射的强弱在一定程度上能够反映出温度的变化和燃烧反应情况[13]，因此利用红外热像仪捕捉CO2等物质的热辐射，也可以确定火焰前锋位置，测量火焰起升高度.

为模拟发动机缸内湍流状态下的液滴群燃烧情况，本文采用超声雾化和载气输运技术制备正庚烷液滴群射流，并将其引入可控热氛围燃烧器的高温协流中，形成液滴群射流起升火焰.本文也利用基于CO2红外热成像技术拍摄液滴群射流火焰，研究协流温度、射流速度和预混当量比等因素对火焰起升高度的影响，分析其变化规律和影响因素.

1 试验系统和研究方法

本文正庚烷液滴群射流火焰试验研究平台主要分为3个部分：液滴群射流发生装置、可控热氛围燃烧器和红外热像仪(如图1所示).本文利用超声喷嘴直接将液体燃料雾化成液滴群，再由空气作为载气将液滴群加速，并经布置在燃烧器中间的中央喷管引入高温热协流中，形成起升火焰.利用高速红外热像仪拍摄火焰，根据火焰图片计算火焰起升高度.

图1 正庚烷液滴群射流火焰试验研究平台Fig.1 Experimental platform of n-heptane droplet streams jet flame

1.1 正庚烷液滴群射流的制备

本文采用蠕动泵将液体燃料输送至超声雾化喷嘴，直接雾化成细小的液滴群，液滴初速度方向各异，速度值约为零，其SMD(索特平均直径)约为40 μm.蠕动泵流量可调范围为0.001～720 mL·min-1，控制精度可达0.001 L·min-1.空气流量由调节阀控制，并利用气体质量流量计实时测量，控制精度可达0.001 L·min-1.空气与液滴群混合，并在中央喷管(内径D=5 mm)中加速液滴，形成空气和液滴群的预混合射流，进入燃烧器上方的高温协流中.通过独立调节空气流量和燃料流量，可以在中央喷管出口获得不同速度和预混合当量比的液滴群射流.

本文选取正庚烷为燃料，制备了出口速度U0分别为20、40、80 m·s-1，预混合当量比Φ分别为0.5、1.0、2.0、4.0、8.0的液滴群预混射流，其对应关系如表1所示.表中，Ff为燃料质量流量.

表1 正庚烷液滴群射流的载气与燃料配比及其当量比Tab.1 Equivalence ratio of carrier-air flow and fuel

1.2 可控热氛围系统

可控热氛围燃烧器提供液滴群射流发生自燃的热环境，它由多孔燃烧盘、防回火装置(玻璃珠层)、外围挡圈以及协流混合气供给系统组成，如图2所示.

图2 可控热氛围燃烧器示意图[14]Fig.2 Controllable active thermo-atmosphere combustor

本文采用空气与氢气的预混合气作为协流混合气，在多孔燃烧盘上方点燃协流混合气，可以形成数千个均匀平坦的小火焰，从而在多孔燃烧盘上方形成低速流动的高温协流场.通过调节氢气和空气的流量配比可以获得500～1 500 K稳定的热协流，并保证协流中仍含有大量氧气，为液滴群射流燃烧提供充足的氧化剂.外围挡圈能够减小外界对协流小火焰的影响，使协流温度的波动范围不超过2 K[14].

1.3 火焰热成像

本文采用FLIR公司的一款制冷型中波红外热像仪(型号SC7700BB)，其主要技术参数如表2所示.该仪器能够探测出20 mK的温度差异，能够有效区分火焰与未燃射流的边界，确定火焰基部位置.

表2 红外热像仪主要技术参数Tab.2 Main parameters of thermal infrared camera

本文选择(3.99±0.02)μm的窄带滤片，记录火焰面内CO2的红外辐射，积分时间(类似于曝光时间)为95 μs，采样频率为220 Hz.每个工况连续采样8 s，获得1 760张红外图像，部分典型原始单帧图片如图3a所示.对每个工况获得的所有图片灰度值进行算术平均处理，可得到火焰平均辐射强度图片如图3b所示.

从图3a可以看出,利用本文的制冷型高速红外热像仪，可以采用极短的积分时间(95 μs)，就能够有效捕捉到射流火焰的瞬态结构特征.本文重点研究液滴群射流火焰的稳态特征及其影响因素.因此,利用平均后的图像来分析火焰的起升高度.

1.4 火焰起升高度提取方法

图4为U0=20 m·s-1、Φ=4.0时，不同协流温度(Tc)下的火焰平均红外图像.由于火焰图像的灰度值与其辐射强度呈正相关，本文通过设定灰度阈值来确定火焰边界.对采用相同拍摄参数获得的图像，选用的灰度阈值基准也相同.

a 单帧原始灰度图片b 平均灰度图片

图3 典型单帧和平均后的火焰红外成像灰度图片(U0=40 m·s-1，Φ=2.0)Fig.3 Single frame images and average image of thermal infrared camera(U0=40 m·s-1，Φ=2.0)

图4 正庚烷液滴群火焰平均灰度图片(U0=20 m·s-1，Φ=4.0)Fig.4 Average gray images of n-heptane droplet stream jet flame(U0=20 m·s-1，Φ=4.0)

在图像处理过程中，首先需要剔除背景部分.本文选取图片每行像素灰度平均值的1.2倍作为背景环境分割阈值，将小于该阈值的像素值设为零，而后将剩余像素点灰度值的平均值作为火焰边界分割阈值.以图5b中白线所在的行为例，像素灰度值分布和阈值分割情况如图5c所示，以此分离出来的主火焰如图5d所示，最后将所得的主火焰图片二值化处理，获得了如图5e所示的火焰平均灰度图的二值化图片.

a 火焰平均灰度图片b 主火焰边界分割示意图c 火焰、背景环境阈值在白线位置分割情况d 从协流背景中分离出主火焰e 火焰平均灰度图的二值化图片

本文定义二值化图片中主火焰的最低点与中央喷管出口的垂直距离为射流火焰的起升高度L，如图6所示.

图6 液滴群射流火焰起升高度的定义Fig.6 Lift-off height definition of droplet stream jet flame

火焰起升高度是液滴群射流在着火延迟期(即从离开喷管到形成稳定火焰的时间)内向下游发展的距离.本文液滴群射流的着火延迟期主要有两个阶段：第一阶段是液滴群射流离开喷管后，在与周围热协流的相互作用过程中，不断发生卷吸、蒸发、混合而形成燃料与空气的混合气，这一阶段主要是物理作用过程，称为物理延迟期；第二阶段是混合气中各种成分缓慢分解氧化直至在温度、浓度等条件合适时形成火焰，并持续燃烧，这一阶段主要是化学作用过程，称为化学延迟期[1].在着火延迟期内，液滴群不断向下游运动，发展一段距离后开始稳定燃烧，火焰起升高度表征了火焰稳定燃烧的位置，是物理和化学延迟期综合作用的结果.

2 火焰起升高度及其影响因素分析

2.1 协流温度对火焰起升高度的影响

对于图4中的火焰平均灰度图片，按照1.4节的图像处理方法，采用L/D对火焰起升高度进行量纲一化，结果如图7所示.可见起升高度随协流温度的升高而下降，但当协流温度较高时，起升高度几乎不再变化，总体上两者呈指数函数关系.分析认为,协流温度升高，有利于加快液滴的蒸发混合，并加快化学反应速率，使物理和化学着火延迟期缩短，进而导致射流火焰的起升高度降低.当协流温度足够高时，化学延迟期基本已经缩短至最小值，此时起升高度主要由物理延迟期决定，而射流出口速度不变时，物理延迟期也基本不变.

图7 正庚烷液滴群射流火焰起升高度随协流热氛围温度的变化趋势(U0=20 m·s-1，Φ=2.0)Fig.7 Flame height of droplet stream versus co-flow temperature(U0=20 m·s-1，Φ=2.0)

为便于分析火焰起升高度与协流热氛围温度的指数关系，进一步比较不同因素对起升高度的影响，借鉴文献[15-17]，本文也定义名义起升高度L*和名义协流温度T*为

L*=ln(L/D)

(1)

T*=1 000/Tc

(2)

根据式(1)和式(2)对图7进行变换，可得该工况下名义起升高度L*和名义协流温度T*的关系，如图8所示.本文将依此进行后续分析，研究不同情况下影响火焰起升高度的主导因素.

2.2 预混合当量比对火焰起升高度的影响

图9为正庚烷液滴群射流在不同当量比下L*随T*的变化趋势.可见火焰起升高度随着液滴群射流预混当量比的增大而降低.分析认为，预混合当量比越大，液滴群射流在离开喷管后由蒸发产生的燃料蒸气量也越大，越容易更快达到适合着火的混合气浓度，因此缩短了着火的物理延迟期，使火焰起升高度降低.该结果与龚慧峰等[6]采用数码相机拍摄到的正庚烷射流火焰起升高度的变化规律一致.

图8 液滴群射流火焰名义起升高度随名义协流热氛围温度的变化(U0=20 m·s-1，Φ=2.0)Fig.8 Flame nominal height of droplet streams versus nominal co-flow temperature(U0=20 m·s-1，Φ=2.0)

a U0=20 m·s-1

b U0=40 m·s-1

c U0=80 m·s-1

2.3 射流出口速度对火焰起升高度的影响

图10a、b、c分别表示在Φ=1.0、2.0、4.0时，正庚烷液滴群射流出口速度对火焰起升高度的影响.由图10可知，液滴群射流出口速度对火焰起升高度的影响存在一个临界温度，低于临界温度时，火焰起升高度随着射流出口速度的增大而增大；高于临界温度时，则相反.在Φ=1.0时，如图10a所示，临界协流温度约为1 430 K；在Φ=2.0时，如图10b所示，临界协流温度约为1 315 K；在Φ=4.0时，如图10c所示，临界协流温度约为1 370 K.

a Φ0=1.0

b Φ0=2.0

c Φ0=4.0

分析认为，当协流温度较低时，尽管射流出口速度增加有利于强化液滴群弥散和蒸发而缩短物理延迟期，但混合气化学反应速率比较缓慢，液滴群混合气需要较长时间才能着火燃烧，因此火焰起升高度仍会随出口速度增大而升高.但随着协流温度升高，化学反应速率呈几何级数增大，化学延迟期迅速缩短到最小值附近，导致火焰起升高度急剧降低，同时射流出口速度增加强化了与协流的卷吸等，更早地形成了可燃混合气，使液滴群射流的物理延迟期缩短，因此火焰起升高度进一步降低.

3 结论

本文成功采用基于CO2红外热成像法记录了正庚烷液滴群射流火焰瞬态结构，开发了有效的图像处理方法，获取了射流火焰起升高度，并研究了热氛围协流温度、液滴群预混当量比、液滴群射流出口速度对液滴群射流起升高度的影响规律.研究结果表明：协流温度是化学延迟期的主要影响因素，而火焰起升高度主要受着火化学延迟期控制，因此协流温度成为主导起升高度的关键参数；协流温度越高起升高度越低，但当协流温度足够高时，起升高度几乎不再变化；较大的预混当量比有利于更快地形成可燃混合气，从而使火焰起升高度降低.另外，在相同的当量比下，存在临界协流温度现象：低于临界协流温度时，由于化学延迟期较长，射流出口速度增加会缩短物理延迟期，从而提高火焰起升高度；在高于临界协流温度时，化学延迟期基本不再降低，而加大射流出口速度可进一步缩短物理延迟期，从而降低火焰起升高度.