朱家健，趙國(guó)焱，龍鐵漢，孫明波，李慶，梁劍寒

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410073)

OH和CH2O平面激光誘導(dǎo)熒光同時(shí)成像火焰結(jié)構(gòu)

朱家健，趙國(guó)焱，龍鐵漢，孫明波*，李慶，梁劍寒

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410073)

OH和CH2O平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)同時(shí)成像技術(shù)在研究火焰結(jié)構(gòu)和燃燒反應(yīng)中間產(chǎn)物二維分布等方面能夠發(fā)揮重要作用。OH的分布被用來(lái)表征火焰反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)，而CH2O的分布則被用來(lái)顯示火焰預(yù)熱區(qū)的分布。利用OH和CH2O PLIF同時(shí)成像技術(shù)研究了甲烷/空氣部分預(yù)混火焰的結(jié)構(gòu)。從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、光路調(diào)節(jié)、時(shí)序同步、OH A-X(1，0)掃譜、數(shù)據(jù)采集和處理等方面討論了PLIF同時(shí)成像技術(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，OH和CH2O PLIF同時(shí)成像能夠分別呈現(xiàn)甲烷/空氣部分預(yù)混火焰反應(yīng)區(qū)和預(yù)熱區(qū)不同形狀的瞬時(shí)結(jié)構(gòu);由于反應(yīng)區(qū)在相鄰位置的結(jié)合，在火焰中能夠局部生成新的分裂的預(yù)熱區(qū)。

平面激光誘導(dǎo)熒光;激光誘導(dǎo)熒光;激光燃燒診斷;火焰反應(yīng)區(qū);火焰預(yù)熱區(qū)

0 引言

火焰結(jié)構(gòu)和燃燒過(guò)程中間產(chǎn)物分布的測(cè)量在研究燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和驗(yàn)證燃燒理論模型等方面具有重要意義。傳統(tǒng)的物理探針和取樣測(cè)量等手段無(wú)法滿足對(duì)火焰結(jié)構(gòu)和燃燒過(guò)程中間產(chǎn)物等重要信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線和非侵入的原位診斷［1-2］。平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)技術(shù)不僅能夠?qū)θ紵^(guò)程中重要的中間產(chǎn)物(如OH和CH2O)和火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維成像［3］，而且與傳統(tǒng)的物理探針和取樣測(cè)量相比，PLIF技術(shù)具有實(shí)時(shí)、非侵入、耐高溫高壓、高時(shí)空分辨率等優(yōu)點(diǎn)［4-5］。

OH自由基和CH2O是燃燒中重要的中間產(chǎn)物。OH的分布被用來(lái)表征火焰反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)，而CH2O的分布則被用來(lái)顯示火焰預(yù)熱區(qū)的分布［6］。PLIF技術(shù)能夠測(cè)量火焰中OH和CH2O的二維分布［7－9］。單組份OH－PLIF技術(shù)被國(guó)內(nèi)同行廣泛應(yīng)用于燃燒診斷中。胡志云［10］、關(guān)小偉［11］等利用單組份OH－PLIF的二維分布圖像研究了預(yù)混火焰的結(jié)構(gòu)和溫度場(chǎng)分布。翁武斌等人［9］利用單組份OH－PLIF研究甲烷湍流射流火焰OH自由基的二維分布和火焰鋒面的結(jié)構(gòu)特性。耿輝［7］、李麥亮［8］等人利用OH－PLIF研究了超聲速燃燒的火焰結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)同行對(duì)單組份CH2O－PLIF以及雙組份OH和CH2O同步PLIF的相關(guān)研究較少。

單組份OH－PLIF技術(shù)只能呈現(xiàn)火焰高溫反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)，并不能呈現(xiàn)火焰其他區(qū)域的結(jié)構(gòu)，如預(yù)熱區(qū)。雙組份OH和CH2O PLIF在呈現(xiàn)火焰反應(yīng)區(qū)和預(yù)熱區(qū)結(jié)構(gòu)方面能夠發(fā)揮重要作用。Micka［12］等利用OH和CH2O PLIF同時(shí)成像技術(shù)，研究超聲速燃燒中火焰自點(diǎn)火反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明自點(diǎn)火反應(yīng)能夠強(qiáng)化火焰。Ehn［14］等通過(guò)OH和CH2O PLIF技術(shù)研究在等離子體產(chǎn)物臭氧助燃下，貧燃湍流火焰中OH和CH2O信號(hào)強(qiáng)弱和分布的變化。Zhou［15］等利用OH和CH2O PLIF同時(shí)成像甲烷／空氣預(yù)混火焰反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在分布式火焰反應(yīng)區(qū)中CH2O分布變寬且能夠出現(xiàn)在整個(gè)火焰內(nèi)側(cè)區(qū)域，OH的分布正好與CH2O的分布互斥。

本文利用雙組份OH和CH2O PLIF同時(shí)成像技術(shù)研究甲烷／空氣部分預(yù)混層流火焰反應(yīng)區(qū)和預(yù)熱區(qū)的結(jié)構(gòu)，以及它們之間的相對(duì)分布。首先從介紹OH／CH2O雙組份PLIF同時(shí)成像技術(shù)的實(shí)驗(yàn)方法入手，詳細(xì)闡述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、光路調(diào)節(jié)、時(shí)序同步、OH A－X（1，0）掃譜、數(shù)據(jù)采集和處理等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，然后利用OH和CH2O PLIF同時(shí)成像技術(shù)研究了甲烷／空氣部分預(yù)混層流火焰中OH和CH2O的二維分布和火焰的反應(yīng)區(qū)、預(yù)熱區(qū)的結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

與單組份PLIF技術(shù)相比，雙組份同步PLIF成像技術(shù)的實(shí)驗(yàn)方法更加復(fù)雜。下文從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、光路調(diào)節(jié)、時(shí)序同步、OH A－X（1，0）掃譜、數(shù)據(jù)采集和處理等幾個(gè)方面詳細(xì)論述OH／CH2O雙組份PLIF同時(shí)成像技術(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。

1．1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

OH和CH2O雙組份PLIF同時(shí)成像技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。在CH2O－PLIF系統(tǒng)中，使用三倍頻的Nd：YAG激光器（Pro－250，Spectra Physics），波長(zhǎng)為～355nm，能量為～120mJ，頻率為10Hz；在OHPLIF系統(tǒng)中，使用Nd：YAG泵浦的染料激光器（Cobra Stretch－G－2400，Sirah），波長(zhǎng)為～283．6nm，能量為～12mJ，頻率為30Hz。355nm激光經(jīng)過(guò)高反鏡（HR）之后，在雙色鏡（DR）處與283nm激光合束。2束激光經(jīng)過(guò)凹柱鏡（CL）和凸透鏡（SL）之后形成激光片，聚焦在燃具中央。OH和CH2O的熒光分別被2臺(tái)ICCD（PI－MAX I和PI－MAX II，Princeton Instruments）相機(jī)收集。為了讓CH2O－PLIF和OH－PLIF之間的測(cè)量不受彼此干擾，2束激光在時(shí)序上相隔200ns，在這極短的時(shí)間內(nèi)，火焰結(jié)構(gòu)和特征來(lái)不及改變，不影響同時(shí)測(cè)量的結(jié)果。

圖1 OH和CH2O PLIF同時(shí)成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖和甲烷／空氣部分預(yù)混層流火焰圖像Fig．1 Schematic of the experimental setup for simultaneous OH／CH2O PLIF imaging and photo of a CH4／air partially premixed laminar flame

PLIF測(cè)量對(duì)象為甲烷／空氣部分預(yù)混層流火焰，如圖1所示。該火焰由本生燈產(chǎn)生，本生燈的出口直徑為10mm。進(jìn)入本生燈的空氣由本生燈底部的調(diào)節(jié)閥控制，甲烷和空氣預(yù)混氣體流速的范圍為1～5m／s，當(dāng)量比的范圍為1．2～1．6，形成類(lèi)似于Keifer［16］等所述的富燃部分預(yù)混火焰。圖1是由可見(jiàn)光相機(jī)拍攝得到的火焰圖像，可以看出火焰分為內(nèi)、外2層，內(nèi)層火焰為本生燈內(nèi)甲烷與空氣預(yù)混燃燒形成的富燃預(yù)混火焰，外層火焰為未燃盡的甲烷與周?chē)諝馊紵纬傻臄U(kuò)散火焰。

1．2 光路調(diào)節(jié)

在搭建OH／CH2O雙組份PLIF同時(shí)成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光路時(shí)，需要考慮激光合束、激光光片長(zhǎng)度和均勻性、相機(jī)擺放等問(wèn)題。

在2束激光合束時(shí)，實(shí)驗(yàn)中使用石英材料的283nm激光高反鏡，該鏡能夠高反283nm激光且對(duì)355nm激光具有較高的透過(guò)率，可以充當(dāng)雙色鏡的作用。在實(shí)際光路調(diào)節(jié)中，首先將283nm激光準(zhǔn)直調(diào)平，然后以其為參考，交替調(diào)節(jié)355nm激光的2個(gè)高反鏡，使之與283nm激光分別在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)重合，最終達(dá)到合束的目的。

在搭建激光片時(shí)，首先要考慮所需激光光片的大小。激光光片的放大倍數(shù)等于凸透鏡焦距與凹柱鏡焦距之比。實(shí)驗(yàn)中采用凸透鏡焦距為130 mm，凹柱鏡焦距為－30mm，激光光片長(zhǎng)度放大約4倍，形成30mm×0．3mm的激光片。其次還需要考慮激光片的光強(qiáng)均勻性。為了獲得光強(qiáng)較均勻的激光光片，通常在光路中加入光闌，把光強(qiáng)較弱的光片邊緣擋住。

2個(gè)ICCD相機(jī)呈直線擺放，都成像在激光路徑上，盡量保證相機(jī)具有相近的視場(chǎng)。為了便于數(shù)據(jù)分析，兩面標(biāo)有相同刻度的網(wǎng)格紙放在燃具正中光路經(jīng)過(guò)的位置，標(biāo)定2個(gè)相機(jī)的視場(chǎng)。

1．3 時(shí)序同步

為了能夠正確收集激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的熒光信號(hào)和保證雙組份同時(shí)成像，必須確保2臺(tái)激光器和2個(gè)相機(jī)在時(shí)序上同步，時(shí)序同步方案如圖2所示。使用脈沖信號(hào)發(fā)生器DG645同時(shí)外觸發(fā)2臺(tái)激光器，DG645的4個(gè)通道分別觸發(fā)2臺(tái)激光器的泵浦燈（LAMP TRIG in，Lin）和Q開(kāi)關(guān)（Q－SW in，Qin），在DG645上調(diào)節(jié)泵浦燈和Q開(kāi)關(guān)之間的延遲，優(yōu)化激光的能量。利用355nm激光泵浦燈的外觸發(fā)通道（LAMP SYNC out，Lout）觸發(fā)采集OH熒光信號(hào)的ICCD相機(jī)（EXT TRIG in，Tin），再用此ICCD的相機(jī)門(mén)信號(hào)（Monitor out，Mout）觸發(fā)第2個(gè)ICCD相機(jī)，以便同時(shí)收集CH2O熒光信號(hào)。利用光電二極管（PD）和示波器顯示激光信號(hào)和ICCD相機(jī)門(mén)信號(hào)的時(shí)序位置，調(diào)節(jié)DG645和相機(jī)的延遲時(shí)間，保證2束激光在時(shí)序上相隔200ns，2個(gè)ICCD相機(jī)能夠分別捕捉到283nm和355nm的激光信號(hào)。為了消除火焰自發(fā)輻射的影響，ICCD相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)置為50ns。

圖2 OH／CH2O激光器和OH／CH2O相機(jī)時(shí)序同步示意圖Fig．2 Schematic of the synchronization scheme for lasers and ICCD cameras used in simultaneous OH／CH2O PLIF measurements

1．4 OH－PLIF掃譜

為了確定OH的激發(fā)波長(zhǎng)，準(zhǔn)確找到對(duì)溫度不敏感的Q1（8）激發(fā)線，需要進(jìn)行OH的掃譜。掃譜范圍約為2nm，掃譜速度為0．009nm／s。為了讓ICCD相機(jī)的頻率能夠響應(yīng)激光掃譜的速度，ICCD的視場(chǎng)設(shè)置在12×214像素點(diǎn)的范圍內(nèi)，保證在該視場(chǎng)下始終能捕捉到火焰的OH－PLIF信號(hào)。

OH－PLIF實(shí)驗(yàn)掃譜結(jié)果和LIFBASE［17］模擬結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過(guò)與LIFBASE模擬結(jié)果比較，實(shí)驗(yàn)掃譜結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果能夠較好地匹配。在測(cè)量中選用對(duì)溫度不敏感的Q1（8）線（～283．6nm）作為激發(fā)光，并在染料激光器設(shè)置所對(duì)應(yīng)的激光波長(zhǎng)。

圖3 OH－PLIF掃譜和LIFBASE模擬結(jié)果。選取283．6nm附近的Q1（8）線為OH的激發(fā)波長(zhǎng)。Fig．3 An experimental excitation scan in the OH－PLIF measurement and a LIFBASE simulation．The Q1（8）line at～283．6nm was used to excite OH．

1．5 數(shù)據(jù)采集及處理

在數(shù)據(jù)采集中，使用PI－MAX I（512×512）和PI－MAX II（1024×1024）ICCD相機(jī)分別收集OH和CH2O的熒光信號(hào)，相機(jī)上分別安裝Nikkor紫外鏡頭和Nikkor普通鏡頭。收集OH熒光的相機(jī)前安裝中心透過(guò)波長(zhǎng)為310nm的窄帶濾光片IF310，而收集CH2O的熒光相機(jī)前安裝的濾光片為GG400。

除了多次重復(fù)采集火焰中OH／CH2O的熒光信號(hào)之外，還采集了相同情況下沒(méi)有火焰時(shí)的背景噪聲。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，利用已拍攝的標(biāo)有相同刻度的網(wǎng)格坐標(biāo)，標(biāo)定2個(gè)ICCD相機(jī)的視場(chǎng)。利用采集到的背景噪聲，消除其對(duì)熒光信號(hào)的影響。在處理OH和CH2O的PLIF瞬時(shí)圖像時(shí)，利用中值濾波Medfilt 2在3×3的像素點(diǎn)空間進(jìn)行濾噪。

2 結(jié)果與討論

在甲烷／空氣部分預(yù)混層流火焰中，PLIF同時(shí)測(cè)量得到的OH和CH2O瞬時(shí)圖像如圖4所示。其中，圖4（a）和（c）的OH－PLIF瞬時(shí)圖像在時(shí)序上分別對(duì)應(yīng)于圖4（b）和（d）的CH2O－PLIF瞬時(shí)圖像。需要指出的是，由于碰撞淬滅等因素的影響，對(duì)OH和CH2O濃度的定量測(cè)量結(jié)果需要借助飽和LIF等其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)，本文給出的是OH和CH2O的相對(duì)強(qiáng)度分布。PLIF圖像上方的顏色條代表OH和CH2O相對(duì)強(qiáng)度的大小。由圖4可以看出，作為火焰反應(yīng)區(qū)指示物的OH主要分布在火焰外側(cè)（擴(kuò)散火焰區(qū)域）；與OH不同，作為火焰預(yù)熱區(qū)指示物的CH2O分布在火焰內(nèi)側(cè)（預(yù)混火焰區(qū)域）。在圖4（a）和（b），OH內(nèi)沿和CH2O的分布呈現(xiàn)倒“V”型，而在圖4（c）和（d），OH內(nèi)沿和CH2O的分布呈現(xiàn)倒“W”型。CH2O分布呈現(xiàn)了些許的皺褶，這可能是由于空氣和甲烷混合氣體流速的不均勻性導(dǎo)致的。OH的分布呈近似對(duì)稱(chēng)的兩部分，每部分的徑向?qū)挾葹?mm以上。CH2O呈條狀分布在較窄區(qū)域，其寬度約為1mm。分布在火焰外側(cè)的OH峰值強(qiáng)度的位置和分布在內(nèi)側(cè)的CH2O峰值強(qiáng)度的位置在空間上不重疊。在本生燈出口上方20mm處，CH2O峰值強(qiáng)度的位置與OH峰值強(qiáng)度的位置間隔距離約為6mm。這是因?yàn)樵诟缓琌H的高溫區(qū)域，CH2O會(huì)與OH、H和O等粒子發(fā)生反應(yīng)而消耗。但是需要特別提出的是，OH和CH2O的分布在空間上也存在著重疊的區(qū)域，OH和CH2O分布區(qū)域間的乘積可以得出火焰釋熱區(qū)的分布，其得到的火焰釋熱區(qū)分布與單組份CH－PLIF和HCO－PLIF的測(cè)量結(jié)果相近［16］。

圖4 不同時(shí)刻O(píng)H和CH2O的PLIF瞬時(shí)圖像。（a）和（c）為OH－PLIF瞬時(shí)圖像，（b）、（d）分別為與（a）、（c）同時(shí)獲取的CH2O－PLIF瞬時(shí)圖像。Fig．4 Simultaneous OH／CH2O PLIF single－shot images．Typical single－shot OH－PLIF images are shown in（a）and（c），whereas singleshot CH2O－PLIF images recorded simultaneously with（a）and（c）are shown in（b）and（d），respectively．

為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，本文采用Chemkin 4．1的層流對(duì)撞火焰模塊［18］計(jì)算了甲烷／空氣火焰中CH2O和OH的分布。之所以使用對(duì)撞火焰模塊，一方面是因?yàn)閷?duì)撞火焰模塊是現(xiàn)成的計(jì)算程序，可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程；另一方面是因?yàn)閷?duì)撞火焰和本生火焰雖然形式上不同，但是本質(zhì)上講兩者都是部分預(yù)混火焰，具有雙層結(jié)構(gòu)，外層為擴(kuò)散火焰反應(yīng)區(qū)，內(nèi)層為預(yù)混火焰預(yù)熱區(qū)。但是，需要特別說(shuō)明的是，本生火焰主要受曲率影響，而對(duì)撞火焰主要受伸張率影響，這里只對(duì)測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果中火焰結(jié)構(gòu)的分布進(jìn)行定性比較。

當(dāng)量比為1．5時(shí)，甲烷和空氣層流對(duì)撞火焰中CH4、O2、H2O、CO2、H2、CO、CH2O和OH等組份的分布如圖5所示。由圖5（b）可以看出，分布于左端的CH2O標(biāo)示了預(yù)混火焰的預(yù)熱區(qū)，分布于右端的OH標(biāo)示了擴(kuò)散火焰的反應(yīng)區(qū)，且預(yù)熱區(qū)的CH2O峰值位置和反應(yīng)區(qū)的OH峰值位置之間存在一定的間隔距離，反應(yīng)區(qū)的OH比預(yù)熱區(qū)的CH2O信號(hào)更強(qiáng)。這些由模擬計(jì)算總結(jié)出的結(jié)論和趨勢(shì)與CH2O和OH同步PLIF的測(cè)量結(jié)果相符。

在圖4中，甲烷／空氣部分預(yù)混層流火焰預(yù)熱區(qū)中CH2O呈連續(xù)的條狀分布。但是，在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)其他明顯與圖4不同的CH2O分布。如圖6（b）和（d）所示，CH2O的PLIF瞬時(shí)圖像呈分裂的條狀分布。與之對(duì)應(yīng)的OH分布呈現(xiàn)出孤立的空心結(jié)構(gòu)，如圖6（a）和（c）所示。這表明，在火焰中能夠局部生成新的分裂的預(yù)熱區(qū)。這種分裂的局部預(yù)熱區(qū)的生成可能是由于反應(yīng)區(qū)結(jié)合而造成，如圖7所示。

圖5 甲烷／空氣層流對(duì)撞部分預(yù)混火焰組份分布（Φ＝1．5）Fig．5 Species distribution of a CH4／air partially premixed laminar counterflow flame（Φ＝1．5）：（a）distribution of CH4，O2，H2O，CO2，H2and CO；（b）distribution of CH2O and OH．The signal intensity of CH2O in（b）is multiplied by 10．

圖6 PLIF同時(shí)測(cè)量的OH和CH2O瞬時(shí)圖像。（a）和（c）為OH－PLIF瞬時(shí)圖像，（b）、（d）分別為與（a）、（c）同時(shí)獲取的CH2O－PLIF瞬時(shí)圖像。Fig．6 Simultaneous OH／CH2O PLIF single－shot images．Typical single－shot OH－PLIF images are shown in（a）and（c），whereas single－shot CH2O－PLIF images recorded simultaneously with（a）and（c）are shown in（b）and（d），respectively．

圖7 PLIF同時(shí)測(cè)量的OH和CH2O瞬時(shí)圖像。（a）和（c）為典型的OH－PLIF瞬時(shí)圖像，（b）、（d）分別為與（a）、（c）同時(shí)獲取的CH2O－PLIF瞬時(shí)圖像。Fig．7 Simultaneous OH／CH2O PLIF single－shot images．Typical single－shot OH－PLIF images are shown in（a）and（c），whereas single－shot CH2O－PLIF images recorded simultaneously with（a）and（c）are shown in（b）and（d），respectively．

圖6 中呈分裂條狀分布的CH2O和呈孤立空心分布的OH等實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以由圖7進(jìn)一步解釋。分析圖7（a）和（b）可知，原本連續(xù)的倒“V”型反應(yīng)區(qū)內(nèi)側(cè)，在腰部位置結(jié)合，形成新的OH空心結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)和分裂的CH2O條狀分布。而在圖6（c）中可以看到，原本連續(xù)的倒“W”型反應(yīng)區(qū)內(nèi)沿在右側(cè)有逐漸靠攏結(jié)合的趨勢(shì)，形成如圖6（d）所示的分離小預(yù)熱區(qū)。反應(yīng)區(qū)的結(jié)合可能是由于外部空氣卷吸進(jìn)入火焰中央而造成的?，F(xiàn)有10Hz水平的PLIF測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法記錄足夠高時(shí)間分辨率的圖像，因此無(wú)法捕捉到足夠多時(shí)間上連續(xù)的圖像以便于分析這些小預(yù)熱區(qū)形成和耗散的全過(guò)程。但是，隨著k Hz量級(jí)或具有更高重復(fù)頻率的激光器的發(fā)展［19］，高速PLIF技術(shù)可以為診斷和測(cè)量這些小預(yù)熱區(qū)形成和耗散過(guò)程提供有效的方法。

3 結(jié) 論

本文建立了OH和CH2O雙組份同步PLIF實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從光路調(diào)節(jié)、時(shí)序同步、掃譜、數(shù)據(jù)采集和處理等方面論述了雙組份PLIF同步測(cè)量技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷／空氣部分預(yù)混火焰反應(yīng)區(qū)和預(yù)熱區(qū)瞬時(shí)結(jié)構(gòu)的可視化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，OH和CH2O雙組份PLIF同時(shí)成像技術(shù)能夠完整呈現(xiàn)火焰擴(kuò)散火焰反應(yīng)區(qū)和預(yù)混火焰預(yù)熱區(qū)不同時(shí)刻的瞬時(shí)結(jié)構(gòu)。作為火焰反應(yīng)區(qū)指示物的OH主要分布在火焰外側(cè)（擴(kuò)散火焰區(qū)域），作為火焰預(yù)熱區(qū)指示物的CH2O分布在火焰內(nèi)側(cè)（預(yù)混火焰區(qū)域）。在本生燈出口上方20mm處，CH2O峰值強(qiáng)度的位置與OH峰值強(qiáng)度的位置間隔距離約為6mm。擴(kuò)散火焰反應(yīng)區(qū)和預(yù)混火焰預(yù)熱區(qū)的分布會(huì)呈現(xiàn)倒“V”型和倒“W”型結(jié)構(gòu)。倒“V”型和倒“W”型結(jié)構(gòu)的火焰在相鄰位置的結(jié)合，使火焰能夠局部生成新的分裂的預(yù)熱區(qū)。這表明OH和CH2O雙組份PLIF同時(shí)成像技術(shù)在研究火焰結(jié)構(gòu)和燃燒反應(yīng)中間產(chǎn)物二維分布等方面能夠發(fā)揮重要作用。

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Simultaneous OH and CH2O PLIF imaging of flame structures

Zhu Jiajian，Zhao Guoyan，Long Tiehan，Sun Mingbo*，Li Qing，Liang Jianhan
(Science and Technology on Scram jet Laboratory，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Simultaneous OH and CH2O Planar Laser-Induced Fluorescence(PLIF)imaging plays an important role in studying flame structures and two-dimensional distribution of intermediate species in combustion．The OH distribution is used to represent the reaction zone structure of flames，whereas CH2O is employed to show the pre-heating zone structure of flames．Flame structures of a CH4/air partially premixed flame were investigated using simultaneous OH and CH2O planar laser-induced fluorescence (PLIF)imaging．Experimentalmethods，including experimental system，optic alignment，synchronization scheme，excitation scan of OH A-X(1，0)，data collection and analysis，are discussed．Experimental results suggest that simultaneous OH and CH2O PLIF imaging can show different instantaneous structures of reaction zones and preheating zones in the CH4/air partially premixed flame．New separated preheating zones are locally generated due to themerge of the reaction zone between two adjacent areas．

Planar Laser-Induced Fluorescence;laser-induced fluorescence;laser combustion diagnostics;flame reaction zone;flame preheating zone

O643．2

A

（編輯：張巧蕓）

1672-9897(2016)05-0055-07

10．11729/syltlx20160026

2016-01-30;

2016-05-22

*通信作者E-mail:sunmingbonudt@sina．com

Zhu J J，Zhao G Y，Long TH，etal．Simultaneous OH and CH2O PLIF imag ing of flame struc tures．Journalof Experiments in Fluid Mechanics，2016，30(5):55-60，87．朱家健，趙國(guó)焱，龍鐵漢，等．OH和CH2O平面激光誘導(dǎo)熒光同時(shí)成像火焰結(jié)構(gòu)．實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30(5):55-60，87．

朱家?。?987－），男，貴州威寧人，講師。研究方向：激光燃燒診斷和等離子體助燃。通信地址：湖南省長(zhǎng)沙市開(kāi)福區(qū)德路109號(hào)一院高超重點(diǎn)室（410073）。E－mail：jjzhu＠nudt．edu．cn