基于吸收光谱方法的平面非预混Hencken火焰多参数测量

王绍杰，顾明明，齐 飞，刘训臣

基于吸收光谱方法的平面非预混Hencken火焰多参数测量

王绍杰，顾明明，齐 飞，刘训臣

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

Hencken炉可以产生均匀稳定的平面火焰，常被用作各种激光诊断技术的标定．本研究设计制造了一种适用于吸收光谱测量的Hencken平面炉，利用CO2在4.2mm带头位置吸收峰的高温敏感性，采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术研究了Hencken炉所产生平面火焰的燃烧特性．本研究采用DME作为燃料，同时测量了Hencken炉火焰温度及CO2体积分数的二维分布．当空气/燃料流速与层流火焰传播速度相当时，DME平面Hencken火焰轴向存在温度、产物浓度稳定区．当火焰燃烧稳定时，在此区域内火焰温度、产物浓度保持不变并接近绝热火焰工况．

Hencken平面火焰；二甲醚；TDLAS；火焰温度

激光燃烧诊断技术基于激光与火焰中特定分子的相互作用，通过测量吸收、发射或散射等过程，研究燃烧流场中的温度、组分浓度等重要物理量，在燃烧研究中的应用十分广泛．尽管诸如HITRAN等光谱数据库已经日渐完善，无须标定即可进行测量[1]，许多激光燃烧诊断技术仍需要特定的标准火焰作为其测量的标定源，所以标准火焰的质量在很大程度上会影响激光燃烧诊断技术测量的精度．用于定量标定温度、组分浓度等标量场数据的标准火焰应该具备层流、稳定、近似绝热、温度和组分浓度便于预测等特点[2]．标准火焰常以层流平面火焰形式出现．最常见的产生平面火焰的装置是McKenna[3]火焰炉，目前大量研究已从中得到了许多重要的反应动力学模型数据以及光谱测量数据[4-7]．但是，由于McKenna炉采用预混气作为燃料，火焰稳定于炉面，炉体中的冷却水使得火焰温度低于绝热火焰温度，又因为Mckenna炉表面泡沫金属的限制使得燃料流速变化范围不大，其作为标准火焰有着许多限制．例如Prucker等[3]采用CARS(连续反斯托克斯拉曼散射)方法利用N2光谱测得McKenna炉所产生火焰温度与绝热火焰温度有偏差．同时McKenna炉由于当量比限制，温度调节范围比较狭窄．Hencken炉产生的平面火焰是另一种常用的标准火焰，Hancock等[8]采用CARS方法测量Hencken火焰温度，其测量结果与化学平衡计算的绝热火焰温度基本吻合．Ombrello等[9]在研究低压下Hencken火焰时发现，低压环境下火焰吹脱炉体表面，但仍保持一维层流结构以及绝热状态，非常适合平面激光诱导荧光(PLIF)、粒子图像测速(PIV)等技术的测量．因此，相比之下Hencken火焰更适合于火焰温度的燃烧诊断标定．目前Hencken火焰在激光燃烧诊断方向的应用很多．Chai等[10]使用共振增强的CARS方法测量Hencken火焰中的NO分布，测量结果与计算结果一致．McCord等[11]也采用Hencken火焰作为一种利用火焰自发光测量燃空比的方法的验证火焰，实验结果表明，低压下采用该方法可以精确测量燃空比，而在高压下此方法误差较大.Kearney[12]也利用(fs/ps)CARS方法测量Hencken火焰温度，结果与绝热工况计算结果一致.

Hencken炉作为标定火焰系统时，最为常用的燃料是氢气．一个重要原因是氢气的层流火焰传播速度较快，在空气/燃料流量大时火焰形态稳定且整体散热较少[13]，其火焰中心温度可以认为等于绝热火焰温度．然而，当使用TDLAS对基于H2的标准平面火焰进行测试时，通常只能以H2O作为待测组分，测量过程中会受到周围环境中H2O分子的干扰，测量结果不准确．二甲醚是一种清洁代用燃料，其成本较H2低廉且获取方式便利，人们对其燃烧化学反应机理、火焰特性也越来越感兴趣．目前，将DME作为Hencken炉燃料时所产生的平面火焰的温度、主要燃烧产物浓度分布还未被深入研究．例如Hajilou等[14-16]在研究低压臭氧助燃冷火焰时，选用DME作为燃料，但是其测温方法是介入式热电偶测温，取样法测量物种浓度分布，会引入很大的误差．

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是基本的燃烧诊断方法，具有定量准确，高频、高灵敏度[17-18]等特点，常被用于各种火焰及复杂反应系统中的温度、浓度测量．中红外吸收光谱相较于近红外吸收光谱具有吸收强度大、灵敏度高的特点．本文介绍了自制的Hencken平面火焰炉，并采用中红外TDLAS方法研究如下问题：①二甲醚作为Hencken火焰燃料时的燃烧特性以及空气、燃料流量对火焰温度、CO2浓度分布的影响．②当量比对火焰温度、CO2浓度分布的影响．③利用TDLAS方法测量Hencken火焰的整个稳定区温度和CO2浓度分布．

1 实验装置和测量方法

1.1 Hencken平面火焰炉

自主设计制造的Hencken平面火焰炉见图1．其边长为50mm，炉体表面分为两个区域，即中间火焰燃烧区域和周围的伴流气区域．在中间火焰燃烧区域，每根燃料管和6个空气通道构成一个小的火焰单元，680根内径0.5mm的燃料管从炉体上表面直接与底部腔体相连并与空气通道隔绝．燃料管的作用是将底部腔体进入的气体燃料导至炉体表面．空气从燃烧炉中间法兰处进入，通过燃料管间的空隙并从炉面的空气孔中流出．因此在炉面出口处，燃料和空气彼此分隔开来，不存在预混气回火的危险．在燃烧炉上表面形成紧密排布的多个吹脱的扩散火焰并进一步组合形成平面火焰．此时，平面火焰吹脱于炉面，火焰的对流和热传导损失可以忽略，需要考虑的是火焰辐射的热损失．因此对于碳烟比较少的火焰，也即是贫燃火焰，可以认为火焰温度接近绝热火焰温度．伴流气从燃烧炉上部腔体侧面进入，到达燃烧炉表面后，从伴流气区域的小孔中流出形成保护气，防止燃烧炉工作时周围气流对火焰产生影响．为减小实验测量误差，本实验中伴流气采用20L/min(标准升每分钟)氮气保持不变．燃烧炉搭建完毕后，首先需要确定稳定运行所需要的空气和燃料流量．在平面火焰中，当火焰传播速度等于未燃气体来流速度时火焰处于稳定的层流火焰状态．

因为火焰燃烧区域较小且燃烧反应迅速，可以认为空气和燃料在脱离炉体上表面后很快反应并掺混均匀，所以本文认为炉体上表面面积为气流流通面积并以此计算来流速度．根据文献[19]，二甲醚的层流火焰传播速度在当量比1.0附近约为40cm/s，对应空气流量约为55L/min．实际测量发现，在不同当量比条件下层流火焰传播速度会有差异，在不同研究中汇报的层流火焰速度测量结果也有偏差[19-21]，同时当Hencken火焰稳定后，在轴向上存在一定区域，在此区域内温度保持不变[22]，是激光燃烧诊断测量的主要区域．为此，需要改变气流速度找到最合适的空气流量以及对应的火焰稳定区范围．

采用表1中实验工况，相机拍摄结果如图2所示，当量比在0.7～1.2范围内，主流空气流量在20～65L/min范围时火焰可以稳定在炉体上表面．由工况范围内火焰照片可见，火焰在当量比0.7～1.1，空气流量40～65L/min相对其他工况更加稳定，火焰更均匀．当量比小于0.7时，火焰部分未燃，大于1.1时火焰抖动明显且底部逐渐产生大范围吹熄．主流空气流量小于20L/min火焰不稳定同时局部无法点燃，大于65L/min时火焰底部也会产生局部熄灭，甚至全部熄灭．当量比一定时，增加燃料/空气总流量，气流速度逐渐增加，从小于火焰速度到等于火焰传播速度最后大于火焰传播速度，火焰长度逐渐增加，火焰先紧贴炉体表面再慢慢升高到逐渐稳定，最后再次过渡到不稳定状态直至吹脱．主流空气流量不变，增加当量比，火焰底部从局部熄灭、部分燃料管无火焰，直至整个方形区域产生完整的平面火 焰，继续增加当量比，下游火焰开始不稳定抖动直至 熄灭．

表1 DME-Air火焰测试工况

Tab.1 Summary of the experimental conditions

图2 不同工况Hencken炉平面火焰

通过火焰照片图2可以看到，当量比0.7～0.9以及空气流量55L/min附近火焰形态最为稳定．当主流气体流过火焰面后，火焰仍会出现小幅抖动．造成这一现象有两方面原因，一是气体经过火焰温度辐射改变上游气体温度导致流速发生变化．二是火焰并不是理想的柱体，下游气体向四周扩散流通面积发生变化，导致流速改变．当气体受热起主导作用，55L/min时主流流速大于层流火焰传播速度火焰不稳定．当气体扩散起主导作用时，主流流速将小于层流火焰传播速度，此时增加流量会使火焰更稳定．

1.2 直接吸收光谱测量装置和原理

图3 TDLAS实验装置

图4所示是由实验装置采集3路信号后的数据预处理过程，通过原始信号、背景信号和标准具信号可以得到实验光谱数据．Hencken炉由两轴位移台控制移动，沿轴向扫描时，保持激光在火焰区正中心，从炉体上表面每隔0.5mm扫描一个点．沿横向扫描时，从火焰左边缘开始每隔2mm扫描一个点．

图4 数据预处理及激光波长标定

常见的吸收峰展宽机制包括多普勒展宽和压力展宽，分别对应高斯线型和洛伦兹线型．在燃烧诊断面临的高温情况下分子的多普勒展宽和压力展宽都需要考虑，因此对两线型做卷积可以得到Voigt线型，并定义变量为

表2 吸收跃迁相关参数

Tab.2 Absorption transition parameters

采用最小二乘法对实验测得的吸收率的温度、浓度进行拟合即可得到测量结果．图5是利用HITEMP数据库中激光器波长范围附近的所有吸收峰参数对实验测得的吸光度进行拟合得到的最终测量结果，图中当量比为1.0，空气流量为55L/min，由结果可以看出，HITEMP数据库在光谱带头以外的区域拟合效果很好，而在带头附近的光谱模型与实际光谱吸收有差别使得带头拟合产生误差．

图5 基于HITEMP数据库光谱拟合结果

2 实验结果与讨论

2.1 空气流量对火焰稳定区的影响

为研究Hencken炉稳定运行的最适合空气流量，图6(a)展示了在变流量情况下火焰温度随轴向高度变化的关系，图中不确定度由多次实验得到．图中当量比为1.0，当空气流量大于等于55L/min时火焰沿轴向温度先升高再降低，空气流量低于55L/min时火焰温度沿轴向一直降低．从图中可以看出，空气流量大于55L/min时火焰出现平台区，在平台区内火焰温度变化较小，这是因为在炉体表面，燃料与空气在短距离内逐渐燃烧完全，温度上升到达稳定值后保持不变，形成稳定平台区，随后火焰向四周传热以及对流换热使得温度逐渐降低．当空气流量为55L/min时，主流气体流速约等于层流火焰传播速度，此时火焰处于最稳定状态平台区温度误差最小．当流速较低的时候，火焰向上游传播，火焰面较低甚至贴近燃料管出口，气流流经反应区后快速消耗，轴向散热比例逐渐增大，火焰温度降低．对于小流量工况，沿着火焰轴向高度越高火焰越不稳定，测得的温度与平均值的偏差越大，对于流量较大的工况，其测量温度则分布比较密集，这是因为在这些工况火焰散热少且更加稳定．与氢气的轴向温度分布不同，二甲醚层流火焰传播速度低导致主流流速低，主流沿轴向不断向四周扩散，温度下降很快使得其火焰稳定区的范围也较窄．

图6 空气流量对火焰轴向温度分布的影响

图7(a)为当量比1.0时，改变空气流量Hencken火焰轴向的CO2体积分数分布．空气流量高于40L/min时均出现浓度分布稳定区．燃料和空气在炉体表面短距离内逐渐燃烧完全，使得CO2浓度逐渐上升达到稳定值，形成平台区，随后CO2向四周扩散，浓度降低．理论上温度越高，二甲醚燃烧越充分、反应越完全，CO2浓度也越高．实验结果也证明CO2体积分数与温度变化是一致的．唯一的区别是，CO2体积分数分布在低流速(40L/min)时也会出现火焰平台区，这是因为当反应完全后，温度降低并不会消耗CO2，CO2体积分数的降低仅是主流向周围扩散导致的，在低流速(40L/min)下，虽然火焰温度较低，但已经反应完全，因此同样也会出现火焰平台区．当流速过低时(20L/min)，燃料还未完全燃烧完毕，CO2体积分数就随着扩散效应逐渐降低，因此在轴向上其浓度是始终降低的.

图7 空气流量对轴向CO2体积分数的影响

2.2 稳定区火焰温度、CO2体积分数

根据前文可知，空气流量55L/min时火焰温度稳定区高度在20mm附近，故激光测量高度定为20mm．改变主流当量比从0.7～1.2，其中当量比变化每间隔0.02增加一个测试点，测量每个工况下的光谱数据并处理得到温度和CO2体积分数随当量比变化的结果．在火焰稳定区，温度变化和CO2体积分数变化通过TDLAS测量得到，而绝热火焰温度以及浓度则通过文献[25]中的反应机理采用Cantera软件计算得到，如图8所示，其中实验不确定度由多次实验得到．在当量比0.9以下，火焰温度与绝热火焰温度非常接近，而在高当量比时温度与绝热火焰温度差距较大．可能的原因包括：①低当量比时火焰非常稳定，而在高当量比时，富燃导致火焰底部不稳定，存在局部熄灭造成温度降低．②富燃工况存在碳烟的宽谱吸收，由此对测量吸收光谱造成干扰，如图2所示．CO2体积分数分布则在低当量比时与绝热工况有所差距，而在高当量比时更加接近绝热火焰工况．

图8　　轴向高度为20mm时，TDLAS测量火焰温度和CO2体积分数随当量比变化

图9(a)和(b)分别展示了在当量比为1.0的情况下，DME-空气火焰的二维温度分布以及在不同高度截面上火焰的横向温度分布情况．在测量范围内火焰温度较为均匀，但在火焰根部局部温度较高，这是由于4.2mm激光器光束直径约为3mm，当激光束贴近炉体表面时，部分激光光源被炉体表面阻挡或者低温炉体与燃料/空气换热导致局部温度不均匀、激光折射使得探测器测得的激光信号变弱，不同的炉体表面位置激光光源被阻挡的大小也不同，进一步加大了此区域的测量误差．由于吸收光谱方法测得的是光路径上的平均温度，因此火焰横向温度分布的不均匀性可能会对测量结果产生误差，基于此，如图9(b)所示，将火焰中间稳定区域温度作为理论温度，对温度横向分布曲线积分后得到的平均温度作为测量温度，由理论温度与测量温度的差值可以计算得到温度的横向分布不均匀在20mm高度处会引入约4.9%的误差．因为火焰沿轴向是收缩的，低温区在横向上范围增大，计算得到在40mm高度处火焰横向温度分布不均匀会引入约13.2%的误差．然而，由于4.2mm激光仅对高温敏感，实际测量的误差要小于估计值．

图10展示的是火焰二维CO2体积分数分布以及横向火焰CO2体积分数分布，可以明显看到，20mm附近范围内CO2体积分数分布比较均匀形成稳定区．火焰两侧形成了高浓度的区域，与周围环境有很大的浓度差，以及扩散作用使得CO2体积分数不断降低．考虑体积分数横向分布不均匀时，在20mm处会产生约7.0%的误差，而在40mm处会产生9.7%的误差．同样由于4.2µm激光的高温敏感性，实际测量误差要小于此估计值．

图10　　火焰CO2体积分数二维分布及不同高度CO2体积分数横向分布

3 结 论

本文基于CO2于4.2mm带头附近的吸收峰，采用TDLAS技术测量DME作为燃料时Hencken平面火焰温度、CO2体积分数分布随主流流速、当量比等的变化．得到的结论如下：

(1)自制Hencken炉火焰均匀，可以用作激光诊断的标定火焰，其50mm吸收距离适合采用吸收光谱方法进行测量．

(2)主流速度约等于层流火焰传播速度时，Hencken火焰可以产生比较大的平台区，当量比为0.7～0.9时，在此区域火焰温度比较均匀，接近绝热工况，而CO2体积分数则在高当量比区域与绝热工况接近．

(3)沿Hencken火焰轴向，CO2体积分数变化与火焰温度变化一致，在轴向高度20mm附近存在稳定的平台区，但CO2体积分数的稳定平台区在流速更大的范围内均存在．

［1］ Rothman L S，Jacquemart D，Barbe A，et al. The HITRAN 2004 molecular spectroscopic database[J].，2005，96(2)：139-204.

［2］ Belmont E，Ombrello T，Brown M，et al. Experimental and numerical investigation of freely propagating flames stabilized on a Hencken burner[J].，2015，162(6)：2679-2685.

［3］ Prucker S，Meier W，Stricker W. A flat flame burner as calibration source for combustion research：Temperatures and species concentrations of premixed H2/air flames[J].，1994，65(9)：2908-2911.

［4］ Migliorini F，Deiuliis S，Cignoli F，et al. How“flat”is the rich premixed flame produced by your McKenna burner?[J].，2008，153(3)：384-393.

［5］ Campbell M F，Schrader P E，Catalano A L，et al. A small porous-plug burner for studies of combustion chemistry and soot formation[J].，2017，88(12)：125106.

［6］ Zhang X，Zhang Y，Li T，et al. Low-temperature chemistry triggered by probe cooling in a low-pressure premixed flame[J].，2019，204：260-267.

［7］ Ma L，Cheong K-P，Ning H，et al. An improved study of the uniformity of laminar premixed flames using laser absorption spectroscopy and CFD simulation[J].，2020，112：110013.

［8］ Hancock R D，Bertagnolli K E，Lucht R P. Nitrogen and hydrogen CARS temperature measurements in a hydrogen/air flame using a near-adiabatic flat-flame burner[J].，1997，109(3)：323-331.

［9］ Ombrello T，Carter C，Katta V. Burner platform for sub-atmospheric pressure flame studies[J].，2012，159(7)：2363-2373.

［10］ Chai N，Kulatilaka W D，Naik S V，et al. Nitric oxide concentration measurements in atmospheric pressure flames using electronic-resonance-enhanced coherent anti-Stokes Raman scattering[J].，2007，88(1)：141-150.

［11］ McCord W，Gragston M，Wu Y，et al. Quantitative fuel-to-air ratio determination for elevated-pressure methane/air flames using chemiluminescence emission[J].，2019，58(10)：C61-C67.

［12］ Kearney S P. Hybrid fs/ps rotational CARS temperature and oxygen measurements in the product gases of canonical flat flames[J].，2015，162(5)：1748-1758.

［13］ Wang P，Luo X，Li Q. Heat transfer study of the hencken burner flame[J].，，2018，101(3)：795-819.

［14］ Hajilou M，Ombrello T，Won S H，et al. Experimental and numerical characterization of freely propagating ozone-activated dimethyl ether cool flames[J].，2017，176：326-333.

［15］ Hajilou M，Belmont E. Characterization of ozone-enhanced propane cool flames at sub-atmospheric pressures[J].，2018，196：416-423.

［16］ Hajilou M，Brown M Q，Brown M C，et al. Investigation of the structure and propagation speeds of n-heptane cool flames[J].，2019，208：99-109.

［17］ 贾宇杰，张丕状，戚俊成，等. 基于HITRAN光谱数据库的合并谱线测温仿真研究[J]. 测试技术学报，2021，35(3)：211-215.

Jia Yujie，Zhang Pizhuang，Qi Juncheng，et al. Simulation research on combined spectral line temperature measurement method based on HITRAN spectrum database[J].，2021，35(3)：211-215(in Chinese).

［18］ 黄 燕，张国勇，刘训臣，等. 中红外激光测量扩散火焰温度场[J]. 工程热物理学报，2017，38(7)：1447-1453.

Huang Yan，Zhang Guoyong，Liu Xunchen，et al. Temperature distribution of axisymmetric diffusion flame measured by mid-infrared laser[J].，2017，38(7)：1447-1453(in Chinese).

［19］ 王 倩，黄佐华，余金荣，等. 二甲醚-空气混合气层流燃烧速度的测定[J]. 内燃机学报，2007，25(4)：372-378.

Wang Qian，Huang Zuohua，Yu Jinrong，et al. Measurement of laminar burning velocity of dimethyl ether air mixtures[J].，2007，25(4)：372-378(in Chinese).

［20］ 张 波，傅维标. 二甲醚火焰传播速度的实验研究[J]. 燃烧科学与技术，2005，11(2)：163-166.

Zhang Bo，Fu Weibiao. Experimental study on laminar flame speeds of dimethyl ether and air mixtures[J].，2005，11(2)：163-166(in Chinese).

［21］ 王 启，严荣松，渠艳红. 二甲醚火焰传播速度的试验研究[J]. 煤气与热力，2007，27(3)：36-38.

Wang Qi，Yan Rongsong，Qu Yanhong. Experimental research on flame propagation velocity of dimethyl ether[J].，2007，27(3)：36-38(in Chinese).

［22］ 窦 洋. Hencken燃烧器的传热特性研究[D]. 厦门：厦门大学航空航天学院，2017.

Dou Yang. Research on the Heat Transfer Characteristics of Hencken Burner[D]. Xiamen：School of Aerospace engineering，Xiamen University，2017(in Chinese).

［23］ Liu X，Zhang G，Huang Y，et al. Two-dimensional temperature and carbon dioxide concentration profiles in atmospheric laminar diffusion flames measured by mid-infrared direct absorption spectroscopy at 4.2μm [J].，2018，124(4)：61-70.

［24］ Rothman L S，Gordon I E，Barber R J，et al. HITEMP，the high-temperature molecular spectro-scopic database[J].，2010，111(15)：2139-2150.

［25］ Wang Z，Zhang X，Xing L，et al. Experimental and kinetic modeling study of the low- and intermediate-temperature oxidation of dimethyl ether[J].，2015，162(4)：1113-1125.

Multi-Parameter Measurement of a Planar Non-Premixed Hencken Flame Based on TDLAS

Wang Shaojie，Gu Mingming，Qi Fei，Liu Xunchen

(School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

Hencken burner can produce a uniform and stable flat flame and is often used as a calibration source for various laser diagnostic techniques. In this research，a home-made Hencken burner was designed and manufactured，which is capable to provide a near-adiabatic flame condition with dimethyl ether(DME)as the fuel. Based on the high temperature sensitivity of CO2absorbance at 4.2µm，the combustion characteristics of Hencken flame were investigated by tunable diode laser absorption spectroscopy. The two-dimensional distributions of flame temperature and CO2concentration were measured at different spatial locations. It can be concluded that flame temperature and product concentration remain stable and reach a near-adiabatic state when the air/fuel flow speed matches the laminar flame speed.

Hencken planar flame；dimethyl ether；tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS)；flame temperature

TK16

A

1006-8740(2023)01-0044-09

10.11715/rskxjs.R202212003

2022-02-21.

国家自然科学基金资助项目(52076137，91941301).

王绍杰（1998—  ），男，硕士研究生，shaojiewang@sjtu.edu.cn.

齐 飞，男，博士，教授，fqi@sjtu.edu.cn.

(责任编辑：隋韶颖)