高压条件下平面火焰OH-PLIF实验研究

涂晓波, 王林森, 闫 博, 母金河, 陈 爽

(1. 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所, 四川绵阳 621000; 2. 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室, 四川绵阳 621000)

引 言

燃烧过程是各类动力推进系统工作的核心要素之一, 因此燃烧研究至关重要[1]. 要想实现高效、 稳定的燃烧组织, 就必须对燃烧过程中涉及的物理、 化学反应过程有清晰的认识, 对组分浓度、 温度、 压力、 速度等燃烧流场信息进行诊断和测量[2]. 但是燃烧过程往往涉及复杂的化学反应及其与流动之间的相互耦合, 传统的燃烧诊断技术, 包括Pitot管、 热电偶、 测压传感器等, 都属于侵入式诊断技术, 对于燃烧流场干扰较大, 具有很大的局限性, 已经不能满足燃烧学研究对燃烧诊断和流场可视化的要求. 随着激光技术的发展, 激光燃烧诊断技术得以快速发展, 由于具有对流场无干扰、 时空分辨率高等优势, 已经成为燃烧实验研究的主要手段[3-4].

平面激光诱导荧光技术(planar laser-induced fluorescence, PLIF)是一种非接触式的燃烧诊断技术[5], 能够探测分子、 自由基等粒子的浓度[6-7], 测量燃烧场温度[8-10], 表征复杂燃烧场, 实现火焰结构的可视化[11-13]. 该技术具有高灵敏度、 高时空分辨率、 高选择性以及原位无干扰等特性, 已经成为研究燃烧和火焰结构的重要工具, 在基础燃烧研究[14-15]、 超声速燃烧[16-17]、 航空发动机[18]等领域得到了广泛应用, 并发挥着越来越重要的作用. 在碳氢燃料燃烧过程中, OH自由基是一种关键的中间产物, 参与大多数的基元反应, 通常用于表征燃烧反应区, 对于反映火焰锋面位置、 火焰燃烧反应区等具有重要意义. 而且, OH具有浓度较高、 吸收较强、 辐射谱线位于紫外波段等特点, 能够较为容易地被检测. 因此, OH是PLIF技术中最重要也是最普遍的一个测量对象.

实际燃烧器, 不管是燃气轮机, 还是航空发动机、 超燃冲压发动机, 都是在高压条件下工作的. 虽然OH-PLIF技术在这些实际燃烧器的研究中发挥着重要作用, 但是在高压条件下开展OH-PLIF测量非常具有挑战性[19]. 一个显著的问题是, 随着压强的增加, OH荧光猝灭效应显著增强, 导致荧光信号迅速减弱. 由于OH-PLIF物理机理比较复杂, 而且高压燃烧实验比较困难, 因此量化压强对OH-PLIF的影响仍是十分困难的.

目前, 开展高压燃烧研究的实验装置主要有两大类. 一类是利用高压定容燃烧弹[20-21], 这类燃烧装置的燃烧时间极短, 火焰迅速变化, 不适合开展光学诊断测量研究. 二是采用连续燃烧炉, 如本生灯[22]、 旋流燃烧器[23-24]、 平面火焰炉[25-27]等. 这类高压燃烧装置可以实现连续稳定的燃烧, 适合采用光学诊断技术开展研究. 为了开展光学诊断技术研究和参数校正, 本课题组自行设计了一个高压火焰炉, 并采用滤波Rayleigh散射技术, 进行了不同压强条件下甲烷/空气预混火焰温度场测量研究[25,27].

本文将在高压火焰炉上开展甲烷/空气预混平面火焰OH-PLIF测量研究, 具体内容安排如下: 第1节介绍实验装置, 分别对高压火焰炉和OH-PLIF测量系统进行详细描述, 第2节对实验结果进行分析讨论, 第3节对实验工况对应的荧光产额进行仿真, 并与实验结果进行对比分析, 第4节对本文内容进行总结.

1 实验装置

1.1 高压火焰炉

课题组自主设计建设了一套高压火焰炉系统, 该系统由设备本体、 气源系统、 冷却系统、 测控系统4部分组成. 设备能够承受的极限压强可达 1.5 MPa, 压强在0.1～1 MPa之间连续可调, 压强控制精度优于0.01 MPa. 高压火焰炉的结构示意图如图1(a)所示, 高压腔室的四面均安装有石英玻璃光学窗口, 便于进行光学测量研究. 高压火焰炉采用氮气作为工作气体来调节压强, 同时氮气也用作火焰保护气体. 火焰炉采用McKenna平面火焰炉, 炉面直径为25 mm. 燃烧气体采用甲烷/空气预混气体, 通过调节炉内压力可以实现不同压强(0.1～1.0 MPa)条件下甲烷/空气层流预混火焰的稳定燃烧, 其中常压， 0.34， 0.64， 0.98 MPa条件下稳定燃烧的平面火焰照片如图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/空气的燃烧当量比设置为1.0, 具体实验工况如表1所示. 高压火焰炉的压强分别设置为0.1～1.0 MPa, 间隔是 0.1 MPa. 为了保持平面火焰炉的出口速度不变, 甲烷和空气的流量随着压强的增加而成比例地增加. McKenna平面火焰炉表面的多孔板中通有冷却水管, 一方面防止燃烧器过热, 保证火焰炉的安全, 另一方面保证预混气体的出口温度稳定在约300 K.

表1 实验工况

1.2 OH-PLIF测量系统

为了研究压强对OH-PLIF的影响, 本文搭建了OH-PLIF测量实验系统, 研究对象是层流预混火焰, 如图2所示. 激光器系统由Nd∶YAG固体激光器、 染料激光器(Dye)和紫外倍频器(SHG)这3部分组成. Nd∶YAG固体激光器输出的光经倍频后产生532 nm脉冲激光, 进入染料激光器用作泵浦光, 染料激光器输出的光经SHG倍频后输出紫外激光. 紫外激光的脉宽约为10 ns, 重复频率为10 Hz, 能量约为5 mJ, 线宽约为0.3 cm-1. 根据LIFBase数据库[28], OH的激发谱线选用A2Σ+-X2Π(1,0)电子跃迁带的P1(1)谱线, 对应波长为282.254 nm. 染料激光器输出的光采用一个波长计来监测波长, 以保证紫外激光能够恰好落在OH的激发谱线上. 实验采用McKenna平面火焰炉, 放置在高压火焰炉中. 紫外激光通过透镜组后, 形成约15 mm 高的激光片光, 片光沿着平面火焰炉中心线竖直地穿过火焰. OH荧光信号由ICCD相机接收, 在镜头前装有滤光片(Semrock FF02-320/40), 以减少火焰辐射及其他杂散光的干扰. 该滤波片对应的通带波段为300～340 nm, 覆盖了OH的A-X(0,0)和A-X(1,1) 电子跃迁带的荧光. 采用DG535型数字脉冲发生器来控制Nd∶YAG激光器的触发信号、 Q开关和ICCD相机的时序. 激光器和ICCD快门的时序控制如图3所示, 激光器和ICCD快门是同一时刻触发的; ICCD的快门时间设置为200 ns, 以消除火焰自发辐射的影响.

图2 高压层流预混火焰OH-PLIF测量系统示意图Fig. 2 Experimental setup of OH-PLIF measurement for the flat flames at high pressures

图3 激光器、 ICCD时序控制示意图Fig. 3 Schematic diagram of laser and ICCD timing control

2 实验结果与分析

实验按照表1所列的每个实验工况, 设置高压火焰炉的压强和平面火焰的甲烷、 空气流量. 对于每个实验工况， 待高压火焰炉内压强和平面火焰稳定后, 采用PLIF技术连续拍摄50幅OH荧光瞬态图像, 将每幅图像左上角没有信号的100×100区域内平均像素值作为基底, 对每幅OH荧光图像进行背景扣除, 然后对这50幅扣除背景的图像进行数据平均处理, 得到不同压强条件下甲烷/空气预混层流火焰OH-PLIF平均图像, 如图4所示. 需要指出的是, 图4中每个子图的色标都是按照0.1 MPa对应的OH-PLIF图像最大值进行归一化的. 从图3中可以看出, 随着压强的增加, OH的荧光信号越来越弱, 这是由于OH的荧光猝灭效应随压强增加而增强.

图4 不同压强条件下甲烷/空气预混层流火焰OH-PLIF平均测量结果Fig. 4 Averaged OH-PLIF measurement results of laminar premixed CH4/air flames at different pressures

从图4所示的OH-PLIF平均图像沿着火焰炉的中心线提取得到OH荧光强度, 得到不同压强条件OH荧光强度随着高度的变化曲线, 如图5所示. 由于平面火焰可以近似看成是一维火焰, 而一维火焰的火焰面比较薄, 因此靠近炉面附近, OH荧光信号随OH浓度的增加而迅速上升. 在本实验中火焰并不是绝热的, 火焰与外围的氮气存在热交换, OH浓度在到达峰值后将会逐渐减低直至零, 相应地, OH荧光信号逐渐下降, 直至消失. 因为压强的增加会提高甲烷/空气的燃烧反应速率, 所以火焰锋面的厚度会越来越薄. 于是, OH荧光信号的峰值位置会随压强的增加而越来越靠近炉面. 同样由于猝灭效应, OH荧光信号随压强的增加而减弱.

图5 火焰炉中心线上OH荧光强度沿着高度方向的分布图Fig. 5 Fluorescence intensity of OH vs height along the centerline of the burner

3 仿真对比分析

首先, 采用开源软件Cantera[29]和GRI Mech3.0化学反应机理[30], 在绝热近似条件下, 计算表1中所列工况对应的甲烷/空气火焰达到平衡状态时的气体组分和温度. 再采用LASKIN代码[31-32], 针对本实验的OH-PLIF探测采集方案(即激发谱线采用A-X(1,0)频带的P1(1)线, 荧光信号包含OHA-X(0,0)和A-X(1,1)频带的总辐射), 结合仿真得到的甲烷/空气火焰气体组分和温度, 对荧光产额进行仿真, 得到不同压强下甲烷/空气火焰的荧光产额, 见图6中实心正方形标记的曲线. 在图5所示的OH荧光强度分布曲线上提取最大值, 得到OH峰值荧光信号随着压强的变化关系, 见图6中实心圆标记的曲线.

图6 不同压强条件下OH荧光峰值信号与荧光产额对比图Fig. 6 Comparison of peak fluorescence intensity and simulated fluorescence yield of OH at different pressures

从荧光产额与压强的关系曲线看, 荧光产额随着压强的增加而迅速降低, 两者近似呈指数衰减关系. 1 MPa对应的荧光产额仅为0.1 MPa的1/10, 增大压力还会进一步降低荧光产额. 这也是高压条件下OH-LIF测量比较困难的原因.

从图6中两条曲线对比来看, 实测的甲烷/空气平面火焰OH荧光强度随压强的变化趋势, 大体与仿真的荧光产额随压强的变化趋势一致. 这表明, 虽然OH荧光强度与重叠因子密切相关, 进而与压强造成的OH谱线展宽、 频移等因素相关, 但是荧光淬灭效应(荧光产额背后的物理机制)在OH荧光强度-压强关系中起着决定性的作用.

4 结论

本文在自行设计的高压火焰炉上, 搭建了一套OH-PLIF测量系统, 采用OHA-X(1,0)电子跃迁带的P1(1)谱线, 对不同压强条件下甲烷/空气预混平面火焰进行OH-PLIF测量研究, 并对实验工况对应的荧光产额进行了仿真, 将仿真结果与实验结果进行了对比分析. 研究结果表明: (1)随着压强的增加, OH的荧光信号逐渐减弱; (2)平面预混火焰的锋面厚度会随压强增加而逐渐变薄, OH荧光信号的峰值位置会越来越靠近炉面; (3)荧光淬灭效应在OH荧光强度-压强关系中起着决定性的作用.