吳 戈, 李 韻, 萬明罡, 朱家健, 楊揖心, 孫明波

(國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院 高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長沙 410073)

0 引 言

高超聲速飛行器飛行速度可達(dá)到5馬赫以上，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。高超聲速飛行器的關(guān)鍵部件和動力系統(tǒng)為超燃沖壓發(fā)動機(jī)[2-3],對超聲速燃燒機(jī)理的研究有助于優(yōu)化超燃沖壓發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)[4]。在超聲速燃燒過程中，火焰結(jié)構(gòu)可視化研究能夠促進(jìn)對超聲速燃燒穩(wěn)焰機(jī)理的認(rèn)識，因此需要采用合適的診斷技術(shù)對超聲速燃燒的火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。

平面激光誘導(dǎo)熒光(Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF)技術(shù)能夠成像燃燒過程中的重要中間產(chǎn)物的分布，從而實(shí)現(xiàn)火焰結(jié)構(gòu)的可視化，如OH存在于火焰反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)中，CH存在于火焰放熱區(qū)結(jié)構(gòu)中，CH2O存在于火焰預(yù)熱區(qū)結(jié)構(gòu)中。成像這些重要組分的二維分布，就能得到火焰的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)圖像，結(jié)合不同時(shí)刻或空間的變化，可以獲得火焰的發(fā)展變化規(guī)律。PLIF技術(shù)具有高時(shí)空分辨率的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是一種非侵入式的測量方法，其在火焰結(jié)構(gòu)的可視化中有著廣泛而重要的應(yīng)用[5]。早期的研究中，PLIF技術(shù)主要應(yīng)用在低速常規(guī)火焰中，目前國內(nèi)外的PLIF技術(shù)在低速火焰結(jié)構(gòu)成像中的應(yīng)用已經(jīng)日臻成熟。胡志云等[6]利用OH-PLIF分析了測量區(qū)域內(nèi)的二維溫度場分布，李麥亮等[7]利用 OH-PLIF 成像,測量了多種平面火焰爐的湍流火焰結(jié)構(gòu)，朱家健等[8]使用 CH2O/OH-PLIF 同步成像技術(shù)，探索了甲烷/空氣部分預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)與火焰分區(qū)分裂規(guī)律，Zhou等[9-10]使用CH/CH2O/OH-PLIF與HCO/CH2O/OH-PLIF同步成像技術(shù)測量了湍流預(yù)混火焰的結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律，Carter等[11]使用高速CH-PLIF對預(yù)混湍流火焰鋒面進(jìn)行了成像。

相比之下，超聲速燃燒現(xiàn)象復(fù)雜、反應(yīng)劇烈，導(dǎo)致自發(fā)輻射光信號強(qiáng)；封閉空間內(nèi)壁面反射強(qiáng)，導(dǎo)致雜散光信號強(qiáng)；實(shí)驗(yàn)臺維持火焰時(shí)間較短，導(dǎo)致難以在線優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)，因此PLIF技術(shù)在超聲速燃燒中的應(yīng)用相對有限。耿輝等[12]利用OH-PLIF研究了超聲速燃燒的火焰結(jié)構(gòu)，李麥亮等[13]使用OH-PLIF探索了不同凹腔結(jié)構(gòu)和不同燃料類型對凹腔穩(wěn)定火焰結(jié)構(gòu)的影響，Donbar等[14]利用OH-PLIF成像研究了各種碳?xì)淙剂显诎记恢械娜紵闆r，Cantu等[15]利用OH-PLIF技術(shù)對雙模凹腔中的乙烯預(yù)混火焰實(shí)現(xiàn)了可視化，O′Byrne等[16]使用OH-PLIF成像了在高馬赫數(shù)工況下凹腔底部噴注燃料的燃燒火焰結(jié)構(gòu)。超聲速燃燒領(lǐng)域中的CH-PLIF研究較少，目前僅有Micka等[17]利用CH-PLIF技術(shù)對雙模凹腔的反應(yīng)區(qū)進(jìn)行成像，梁劍寒等[18]使用CH-PLIF技術(shù)對超聲速燃燒火焰中的放熱區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

本文針對復(fù)雜的超聲速燃燒現(xiàn)象，綜合利用OH-PLIF與CH-PLIF技術(shù)，對超聲速燃燒的火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，獲得了不同當(dāng)量比條件下多個截面火焰反應(yīng)區(qū)和放熱區(qū)的瞬時(shí)結(jié)構(gòu)，分析了火焰反應(yīng)區(qū)和放熱區(qū)的分布規(guī)律，并比較了不同組分的分布情況。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 超聲速燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)在國防科技大學(xué)流量為1 kg/s的超聲速燃燒直連式實(shí)驗(yàn)臺展開。如圖1所示，超聲速燃燒直連式實(shí)驗(yàn)臺由加熱器、隔離段、燃燒室和擴(kuò)張段等部分組成。其中燃燒室凹腔長48 mm、寬50 mm、深12 mm，后緣傾角45°，后緣高12 mm，在凹腔上游10 mm處設(shè)置燃料噴注孔，噴孔直徑3 mm，噴注燃料為乙烯，凹腔底壁安裝火花塞用于點(diǎn)火，火花塞中心距凹腔前緣30 mm；擴(kuò)張段擴(kuò)張角為2.25°；加熱器使用空氣/氧氣/酒精三組元混合，用來模擬入口空氣的化學(xué)成分。正常點(diǎn)火后，空氣加熱器能夠模擬超聲速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)入口的總焓，其模擬的總溫為1530 K，總壓2.5 MPa?？諝饧訜崞鞒隹诘幕旌蠚怏w進(jìn)入隔離段，通過拉瓦爾噴管進(jìn)一步加速到Ma2.92，到達(dá)燃燒室。

圖1 1 kg/s超聲速燃燒直連式實(shí)驗(yàn)臺組成結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 PLIF光學(xué)診斷系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)由激光器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及時(shí)序控制系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)所測中間產(chǎn)物與實(shí)驗(yàn)方案，所采用的激光器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及光學(xué)系統(tǒng)有所不同，具體方案如表1所示。

圖2 PLIF成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

表1 PLIF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置

OH-PLIF實(shí)驗(yàn)的激光通過Nd:YAG激光器(Spectral Physics)的二倍頻532 nm激光泵浦染料激光器，經(jīng)倍頻后得到283 nm附近的激光，經(jīng)過掃譜獲得Q1(8)的泵浦激發(fā)線。選取此波長激發(fā)線是因?yàn)樵诔曀偃紵臏囟确秶?，OH熒光強(qiáng)度受溫度影響小于20%[16]，在LIFBASE仿真軟件中對應(yīng)的波長為283.553 nm。CH-PLIF實(shí)驗(yàn)的激光通過可調(diào)諧Alxanderite激光器倍頻后得到387 nm附近的激光。激光經(jīng)所對應(yīng)波長的高反鏡，通過柱面凹透鏡和球面凸透鏡制成均勻的光片。OH-PLIF的信號較強(qiáng)且對激光能量要求低，選用長焦距的凸柱面鏡制成較大的光片，可以覆蓋整個所測區(qū)域。OH-PLIF成像截面的選取如圖3所示，流向截面位于凹腔的中軸線上，分別在凹腔中與凹腔下游的臺階上選取了S1與S2截面；展向截面分別在距離凹腔前緣30、55和75 mm的位置，在凹腔底部、斜坡以及凹腔下游臺階上選取了A、B和C等3個截面，其中截面A位于火花塞之上。在觀察展向截面時(shí)，相機(jī)與截面需呈一定角度拍攝PLIF信號，拍攝前測量相機(jī)與截面的夾角，在后期處理中按照對應(yīng)的角度將獲取的PLIF信號投影圖像還原為相應(yīng)截面的正視圖。對于CH-PLIF,因?yàn)镃H基有活性強(qiáng)、分布窄、壽命短、CH熒光效率低、易受雜散光干擾等特點(diǎn)，需要高能量密度的激光來激發(fā)，CH-PLIF的光片制作得比較小，因此相比于OH-PLIF可以對凹腔中整個流向截面成像，CH-PLIF成像的位置只有凹腔正中間的部分區(qū)域(圖3中S3截面)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別采用哈工大研制的ICMOS與PIMAX II ICCD相機(jī)，分辨率均為1024 pixel×1024 pixel。時(shí)序控制系統(tǒng)由一部DG 535實(shí)現(xiàn)。為了消除雜散光對PLIF信號的影響，在鏡頭前分別安裝了相應(yīng)的濾光片。

圖3 PLIF測量所選取截面在凹腔中的相對位置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 OH-PLIF圖像和火焰反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)

OH是燃燒過程中產(chǎn)生的一種重要自由基，可以用作標(biāo)示火焰的反應(yīng)區(qū)，利用OH-PLIF技術(shù)可以得到超聲速燃燒室里反應(yīng)區(qū)的二維分布。本文使用OH-PLIF技術(shù)成像流向與展向截面超聲速燃燒火焰反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析凹腔穩(wěn)定火焰的空間結(jié)構(gòu)分布與發(fā)展規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)燃料選擇乙烯，噴注壓強(qiáng)在1.3與2.3 MPa附近，因?yàn)闊o法精確控制噴注壓強(qiáng)，對應(yīng)的全局當(dāng)量比φ分別為0.30±0.01與0.50±0.01。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)量比0.01的變化幾乎無影響，而0.30與0.50的現(xiàn)象差別很大，因此以0.30代表低當(dāng)量比、0.50代表高當(dāng)量比作為實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)中噴注時(shí)間200 ms，維持燃燒時(shí)間800 ms，總實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1 s。泵浦源固體激光器頻率為30 Hz，數(shù)據(jù)采集的ICMOS相機(jī)采集頻率最高為500 Hz,遠(yuǎn)大于30 Hz，所以在1 s的實(shí)驗(yàn)時(shí)間里可以獲得30張左右的有效圖像，在此基礎(chǔ)上選取瞬時(shí)圖像對火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖4為不同全局當(dāng)量比下A、B和C等3個展向截面上的OH-PLIF實(shí)驗(yàn)結(jié)果。低當(dāng)量比時(shí)(φ=0.30)，A截面上有一對OH結(jié)構(gòu)關(guān)于燃燒室中軸線對稱，分布在距離中軸線約1/4個凹腔寬度的位置；B截面上對稱的OH結(jié)構(gòu)聚集于燃燒室中軸線附近并且高度降低，在中軸線兩側(cè)約1/4個凹腔寬度處的位置仍有細(xì)微的OH結(jié)構(gòu)，有從兩側(cè)往中心匯合的趨勢；C截面上OH結(jié)構(gòu)基本集中在中軸線附近，表明已經(jīng)完全匯合，火焰往后沿中軸線發(fā)展。高當(dāng)量比時(shí)(φ=0.50)，與低當(dāng)量比時(shí)的火焰結(jié)構(gòu)有較大差異，A截面上OH聚集結(jié)構(gòu)呈不對稱分布，均附著在兩側(cè)的壁面上，結(jié)合燃燒室的尺寸，在垂直方向上的高度已經(jīng)超出凹腔的深度，并且接近燃燒室頂部，左側(cè)的OH聚集結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了向中軸線延伸的結(jié)構(gòu)，說明火焰有往中軸線聚集的趨勢；B截面上在中軸線已經(jīng)形成大的OH聚集結(jié)構(gòu)，貼近壁面的地方仍有少量OH聚集結(jié)構(gòu)，整體呈中間高兩邊低的結(jié)構(gòu)，火焰在此截面正處于兩側(cè)往中間聚集的過程中；C截面上呈現(xiàn)出典型的湍流火焰面結(jié)構(gòu)，火焰至此已經(jīng)完全匯合。

對多組實(shí)驗(yàn)中展向OH-PLIF瞬時(shí)結(jié)果，選取30張有效數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算后，可得到如圖5所示的平均強(qiáng)度分布結(jié)果。橫坐標(biāo)為圖4中x方向離凹腔右側(cè)的距離(面對來流方向)，縱坐標(biāo)為相對強(qiáng)度。從強(qiáng)度上來看，高當(dāng)量比時(shí)OH-PLIF的強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于低當(dāng)量比工況的，說明火焰在高當(dāng)量比時(shí)燃燒更加劇烈。不同截面的OH-PLIF信號分布，高/低當(dāng)量比差別較大。低當(dāng)量比工況時(shí)，在A截面，OH分布在中軸線兩側(cè)近似對稱，左端強(qiáng)度稍高，到了B與C截面，OH均完成了匯聚，集中在中軸線附近。高當(dāng)量比工況時(shí)，在A與B截面，OH均集中在靠壁面一側(cè)，表現(xiàn)出不對稱現(xiàn)象，其中在A截面上，OH集中分布在左側(cè)，與低當(dāng)量比時(shí)左側(cè)強(qiáng)度較高的情況是一致的，C截面強(qiáng)度分布對稱于中軸線，OH在此截面匯聚完成。

圖4 不同全局當(dāng)量比下超聲速燃燒展向截面OH-PLIF結(jié)果

圖5 不同當(dāng)量比下多個展向截面OH-PLIF的平均強(qiáng)度分布對比

圖6為不同當(dāng)量比下S1、S2流向截面上的OH-PLIF實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看到，在低當(dāng)量比時(shí)OH主要分布在凹腔剪切層下的回流區(qū)內(nèi)，在高當(dāng)量比時(shí)OH分布位置變得更高，已經(jīng)超出剪切層而發(fā)展到主流之中；高當(dāng)量比時(shí)OH強(qiáng)度分布差異較大，且在凹腔下游仍然存在較劇烈的燃燒。

圖6 不同全局當(dāng)量比下超聲速燃燒流向截面OH-PLIF結(jié)果

圖7為多組瞬時(shí)OH-PLIF結(jié)果疊加后，垂直方向上的平均強(qiáng)度分布。圖7(a)的橫坐標(biāo)為豎直方向上離凹腔底部壁面的距離，圖7(b)的橫坐標(biāo)為豎直方向上離臺階底部壁面的距離?？v坐標(biāo)為相對強(qiáng)度。工況為低當(dāng)量比時(shí)，S1截面上OH分布均勻，主要分布在離凹腔底部壁面較近的位置。試驗(yàn)件凹腔高為12 mm，圖7(a)中品紅色虛線以左為在凹腔中的強(qiáng)度，從總體上來看，低當(dāng)量比時(shí)，OH在垂直方向的分布高度均不高于凹腔。S2截面上OH垂直方向的分布高度約8～9 mm(見圖7(b))，但分布不均勻，出現(xiàn)了破碎的結(jié)構(gòu)。綜合展向截面的結(jié)果分析，在上游的位置OH還未聚集，因此流向截面的信號相對較弱，而在凹腔中部與后緣，OH已經(jīng)聚集在中軸線附近，S2截面上的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了破碎與分離。高當(dāng)量比時(shí)，從展向截面的結(jié)果可知，在凹腔中OH聚集結(jié)構(gòu)主要在兩側(cè)壁面，因此在S1截面OH的分布并不均勻，有空洞出現(xiàn)。S2截面位于凹腔下游，從展向截面的結(jié)果可知，在S2截面火焰已完成匯合，與低當(dāng)量比工況一樣，S2截面也出現(xiàn)了部分破碎與分離的結(jié)果，說明OH在下游的分布很不穩(wěn)定。高當(dāng)量比工況時(shí)，S1截面中的OH高度分布遠(yuǎn)高于凹腔，S2截面的強(qiáng)度與高度分布均高于低當(dāng)量比工況。

圖7 流向截面垂直方向上OH-PLIF平均強(qiáng)度分布

2.2 CH-PLIF圖像和火焰放熱區(qū)結(jié)構(gòu)

CH存在于燃燒中的放熱層，所分布的區(qū)域可認(rèn)為能夠反映火焰放熱區(qū)的結(jié)構(gòu)。在超聲速燃燒中，OH經(jīng)常存在于凹腔中的反應(yīng)區(qū)，并會擴(kuò)散到高溫產(chǎn)物區(qū)，因此OH分布較寬。與OH相比，CH壽命短、分布窄，常用于標(biāo)示火焰放熱區(qū)的結(jié)構(gòu)。本文利用CH-PLIF技術(shù)，在超燃直連臺對凹腔穩(wěn)定火焰放熱區(qū)結(jié)構(gòu)成像。實(shí)驗(yàn)工況采用OH-PLIF實(shí)驗(yàn)時(shí)的高當(dāng)量比工況(φ=0.50)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。因?yàn)镃H自身熒光效率低，和自發(fā)輻射信號強(qiáng)度接近，所以會出現(xiàn)熒光和自發(fā)輻射信號同時(shí)存在的情況，Micka等[17]的實(shí)驗(yàn)中也出現(xiàn)過類似現(xiàn)象。與PLIF信號相比，自發(fā)輻射信號沒有空間分辨能量，無法得到精細(xì)結(jié)果，可通過此來判斷是否為PLIF信號。圖8中黃綠色表示的即為CH-PLIF的信號邊界，其外側(cè)為CH自發(fā)輻射?？梢钥闯觯珻H具有高度皺褶和破碎的結(jié)構(gòu)。圖像中的CH分布整體為片狀結(jié)構(gòu)，其中圖8(a)中的CH是單一的片狀結(jié)構(gòu)，沿流向分布，沒有在垂直空間上折疊，圖8(b)中CH破碎成更多細(xì)小的片狀結(jié)構(gòu)，圖8(c)中CH展寬程度更大，并且在下游凹腔中有獨(dú)立小尺度的片狀結(jié)構(gòu)。

圖8 凹腔超聲速燃燒CH-PLIF圖像

圖9為超聲速燃燒時(shí)OH-PLIF與CH-PLIF的瞬時(shí)圖像。從信號的空間分布來看，OH-PLIF信號緊貼凹腔壁面，在凹腔中分布較為廣泛；CH-PLIF信號顯示的放熱區(qū)位于凹腔壁面的上方，分布區(qū)域比OH要窄。

圖9 OH-PLIF與CH-PLIF在流向截面的火焰結(jié)構(gòu)成像對比

同時(shí),在相同工況下獲取OH與CH在特定位置的相對強(qiáng)度分布。圖10(a)為在OH-PLIF與CH-PLIF共同測量的截面上，OH與CH的平均強(qiáng)度分布情況。圖10(b)為從凹腔下游每4.4 mm沿凹腔垂直方向(如圖10(a)中的虛線所示)所獲取的5個截面的相對強(qiáng)度曲線，相對強(qiáng)度取的是多次實(shí)驗(yàn)疊加之后的平均值。OH分布于整個凹腔中，分布范圍比CH更寬。從圖10(a)中OH 的平均強(qiáng)度可以看出，OH的分布寬度從上游往下游逐步增加，而從圖10(b)中可看出，CH的分布曲線在中心處有明顯的峰值，特別是在II、III、IV、V截面上，因此可以判斷CH主要集中分布在凹腔的中心位置，寬度較窄。

圖10 OH與CH在流向截面的平均強(qiáng)度與強(qiáng)度分布曲線對比

3 結(jié) 論

本文開展了基于PLIF技術(shù)的超聲速燃燒火焰反應(yīng)區(qū)和放熱區(qū)結(jié)構(gòu)的成像研究。利用OH-PLIF在多個截面對不同全局當(dāng)量比下超聲速燃燒的火焰反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，利用CH-PLIF成像了火焰放熱區(qū)結(jié)構(gòu)。OH-PLIF結(jié)果表明：全局當(dāng)量比較低時(shí)燃燒主要發(fā)生在凹腔中，OH沿中軸線對稱分布；高當(dāng)量比時(shí)火焰位置更高，OH主要沿燃燒室兩側(cè)壁面分布。CH-PLIF結(jié)果表明，超聲速燃燒的放熱區(qū)呈現(xiàn)高度褶皺和破碎結(jié)構(gòu)，放熱區(qū)分布在比反應(yīng)區(qū)更窄的區(qū)域。

在未來的研究中，需要繼續(xù)優(yōu)化并改進(jìn)CH-PLIF技術(shù)以提高信噪比、實(shí)現(xiàn)更廣范圍的火焰結(jié)構(gòu)成像，比如優(yōu)化激光器系統(tǒng)獲得更高的激光能量、利用紫外高透過率玻璃窗口、使用多個相機(jī)消除自發(fā)輻射的影響。開展OH與CH雙組分同步PLIF技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)超聲速燃燒反應(yīng)區(qū)和放熱區(qū)瞬時(shí)結(jié)構(gòu)的同時(shí)成像也是未來研究工作的重要方向。