婁 春, 張魯棟, 蒲 旸, 張仲儂, 李智聰, 陳鵬飛

1. 華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430074;2. 中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院, 四川 綿陽 621703

0 引 言

燃燒的本質(zhì)是流動、化學(xué)反應(yīng)與傳熱傳質(zhì)三者之間的相互耦合、相互作用。運(yùn)用物理化學(xué)理論分析、數(shù)學(xué)模型模擬、燃燒診斷等方法，能夠?qū)θ紵懈晟坪透钊氲恼J(rèn)識了解，從而使燃燒學(xué)由描述性的、半經(jīng)驗(yàn)性的科學(xué)走向本質(zhì)性的、嚴(yán)謹(jǐn)性的科學(xué)[1]。

燃燒診斷學(xué)是燃燒學(xué)的一個重要分支，是通過實(shí)驗(yàn)和檢測直接獲取數(shù)據(jù)來認(rèn)識燃燒現(xiàn)象、實(shí)踐和理論的科學(xué)[2-6]。從廣義上說，燃燒診斷不同于一般的流體測量，它面向的對象是高溫或高溫高壓的氣-固或氣-液兩相、氣-液-固三相的流體，包括了化學(xué)反應(yīng)、流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)和其他物理現(xiàn)象之間復(fù)雜的相互作用。其任務(wù)是利用光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等測試技術(shù)定量獲取能夠反映燃燒系統(tǒng)工作過程的各種信息(主要包括燃燒反應(yīng)區(qū)的溫度、速度、組分體積分?jǐn)?shù)、壓力、顆粒尺寸及其隨時間與空間的分布等)，并結(jié)合數(shù)據(jù)處理方法，對燃燒過程進(jìn)行離線或在線分析[6]。

按照與待測對象接觸的形式，可以將燃燒診斷技術(shù)分為兩大類：一類是接觸式取樣分析技術(shù)，另一類是非接觸式燃燒診斷技術(shù)。取樣分析技術(shù)主要以探針取樣，使燃燒產(chǎn)物快速絕熱擴(kuò)散至真空環(huán)境中，在無碰撞環(huán)境中得以保存較長壽命以便檢測。取樣方法有兩種，一種是利用毛細(xì)管取樣，對火焰結(jié)構(gòu)擾動較小，能探測到穩(wěn)定的分子；另一種是利用分子束進(jìn)行原位取樣，取樣后分子無任何碰撞，可以有效地冷卻分子和自由基，因而能準(zhǔn)確探測燃燒過程中產(chǎn)生的各種穩(wěn)定和不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物。取樣后的產(chǎn)物通常結(jié)合氣相色譜(GC)、質(zhì)譜(MS)或色-質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)等儀器開展分析，或?qū)⒎肿邮优c同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜(SVUV-PIMS)相結(jié)合，能廣泛探測燃燒產(chǎn)生的中間產(chǎn)物(包括同分異構(gòu)體)，為燃燒反應(yīng)動力學(xué)研究提供重要且有價值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。取樣分析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能與各種強(qiáng)大的檢測手段相結(jié)合，從而獲得更全面更靈敏的診斷信息，特別是活潑的燃燒中間產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)信息；其不足之處是對燃燒體系有一定的擾動，但通過對取樣探針外形的優(yōu)化可以大幅降低擾動的影響[1, 7]。

非接觸式燃燒診斷技術(shù)又可分為主動式和被動式兩類。主動式燃燒診斷技術(shù)是對燃燒系統(tǒng)施加激光、聲波等外部信號，通過檢測燃燒過程與所施加的外部信號的相互作用結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對溫度、速度、組分體積分?jǐn)?shù)等多種熱物理參數(shù)的測量。其中，燃燒激光診斷技術(shù)依賴于電磁輻射與火焰中原子、分子、簇、顆粒物及微滴的相互作用。可調(diào)激光的應(yīng)用和非線性光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，極大地擴(kuò)展了燃燒光譜分析的可行性，基于激光的燃燒診斷技術(shù)已是燃燒實(shí)驗(yàn)研究的主要手段[7-11]。常用的激光診斷技術(shù)包括：測量速度的激光多普勒測速(LDV)、相位多普勒粒子分析儀(PDPA)和粒子圖像測速(PIV)，測量密度的激光干涉和激光紋影技術(shù)，測量溫度和組分體積分?jǐn)?shù)的拉曼散射、激光誘導(dǎo)熒光(LIF)、激光誘導(dǎo)熾光(LII)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)和可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)等技術(shù)。其特點(diǎn)是：在測量過程中對燃燒火焰幾乎沒有干擾，燃燒過程中原子和分子的光譜狀態(tài)可以很高的時間、光譜和空間分辨率進(jìn)行觀察，對單個被測參數(shù)選擇性強(qiáng)、精度高；結(jié)合平面激光(Planar Laser)或?qū)游龀上?Tomography)[12-14]可實(shí)現(xiàn)二維場分布信息檢測，多用于實(shí)驗(yàn)室燃燒檢測研究，但一般難以應(yīng)用于強(qiáng)振動、高粉塵、大尺寸的工業(yè)燃燒裝置中。此外，聲學(xué)法[15]、電容法[16]也已用于燃燒火焰溫度測量中，結(jié)合層析成像也可得到二維溫度分布；但在這兩種方法中，一條測量路徑一次僅能獲得一個測量數(shù)據(jù)，在提高空間和時間分辨率方面存在障礙。

在實(shí)際工業(yè)燃燒條件下，受燃燒空間尺寸較大、燃燒火焰中氣體和顆粒等介質(zhì)自身釋放的光熱輻射強(qiáng)烈、測量環(huán)境惡劣等諸多因素的限制，主動式燃燒診斷技術(shù)的信號易被干擾甚至被阻擋、光路等測量路徑復(fù)雜甚至難以布置，因此，基于火焰自發(fā)輻射分析的被動式燃燒診斷技術(shù)受到越來越多的重視[6, 17-19]，這類技術(shù)不采用任何外加信號，僅檢測燃燒過程中產(chǎn)生的光、熱等信息進(jìn)行燃燒診斷。其特點(diǎn)是：對環(huán)境要求不高，系統(tǒng)比較緊湊，易于實(shí)施；信息轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，相對易于標(biāo)定；但對被測參數(shù)選擇性不高，耦合因素較多，信號的后續(xù)分析復(fù)雜。

最早利用火焰自發(fā)輻射開展燃燒診斷的研究可以追溯到19世紀(jì)。德國化學(xué)家Bunsen發(fā)現(xiàn)不同成分的化學(xué)物質(zhì)在本生燈上灼燒時會呈現(xiàn)不同焰色，并基于此現(xiàn)象開展了火焰光譜分析。20世紀(jì)中葉，物理學(xué)家Gaydon奠定了火焰光譜學(xué)的基礎(chǔ)[20]。火焰光譜分析主要是利用光譜儀等獲取燃燒火焰在某一波段內(nèi)的光譜分布，并對光譜強(qiáng)度進(jìn)行直接分析處理。這是一種沿視線的測量技術(shù)，不具備空間分辨率，只能通過移動光譜探頭獲取燃燒火焰上不同位置的檢測結(jié)果。20世紀(jì)80年代，CCD等陣列傳感器被引入燃燒火焰圖像的分析處理中，用于獲得火焰在某個寬波段內(nèi)的圖像信息；還可以在陣列傳感器前加單色濾色片來獲得單個波長或窄波段內(nèi)的單色火焰圖像，并對火焰圖像進(jìn)行直接處理，雖然圖像中各像素點(diǎn)信息仍然是沿視線的累積值，但所獲得的檢測結(jié)果具有二維空間的分辨率[17]；20世紀(jì)90年代，研究者開始把火焰邊界上檢測到的光譜或圖像信息與火焰內(nèi)的光、熱傳遞過程相關(guān)聯(lián)，根據(jù)輻射傳遞方程建立了火焰熱輻射成像模型，該模型建立了火焰中的三維溫度分布、介質(zhì)輻射特性(組分體積分?jǐn)?shù))分布與邊界上檢測到的火焰圖像或光譜的定量關(guān)系，對其求解即可獲得燃燒火焰的三維溫度分布等信息，所得結(jié)果具有三維空間分辨率[6, 17]。

自20世紀(jì)90年代以來，華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了大量燃燒測量技術(shù)方面的研究工作[21]，并一直致力于基于自發(fā)輻射分析的被動式燃燒診斷技術(shù)的研究及應(yīng)用。本文基于自發(fā)輻射燃燒診斷技術(shù)的發(fā)展歷程及特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已開展的燃燒測量及診斷研究工作，從火焰發(fā)射光譜、火焰圖像處理、熱輻射成像等方面對相關(guān)基本原理、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對發(fā)展趨勢和動態(tài)進(jìn)行探討。

1 火焰發(fā)射光譜技術(shù)

1.1 火焰發(fā)射光譜原理

圖1 火焰發(fā)射光譜Fig. 1 Emission spectra of flames

在燃燒火焰的發(fā)射光譜測量中，由于火焰自身就是一種等離子體，無需外加光源產(chǎn)生光譜，可用發(fā)射光譜儀對其進(jìn)行直接測量[6, 9]。發(fā)射光譜儀是基于色散原理的光譜測量儀器，通過棱鏡或光柵等分光器件，將光線按不同波長進(jìn)行分離，形成按波長劃分的光線能量分布。光譜儀檢測的原始數(shù)據(jù)為相對值，即根據(jù)傳感器量化深度得到的count值，通過對其作熱輻射標(biāo)定，可得到絕對的光譜輻射強(qiáng)度[6]。實(shí)際測得的火焰發(fā)射光譜往往是線狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜的疊加。

按波段不同，火焰發(fā)射光譜還可分為紅外光譜、可見光譜和紫外光譜，不同波段的發(fā)射光譜由火焰中不同的物質(zhì)所產(chǎn)生。如圖1(c)所示，火焰的紫外-可見光譜中，包含了自由基的化學(xué)發(fā)光信號，可用于對燃燒過程的定性分析；火焰的可見光-近紅外光譜中，則包含了來自碳煙等固體顆粒的黑體輻射連續(xù)光譜，結(jié)合熱輻射定律及顆粒輻射特性，可定量計算火焰中固相介質(zhì)溫度和體積分?jǐn)?shù)；而火焰的紅外光譜中，包含了CO2和H2O等氣體的譜帶輻射，可用于對火焰中氣體溫度和體積分?jǐn)?shù)的定量計算；此外，火焰可見光譜中，來自于某些金屬的特征譜線也可用于火焰溫度的定量計算。

1.2 定性分析

在預(yù)混火焰中，自由基是重要的中間產(chǎn)物。自由基的形成是源于一些關(guān)鍵的化學(xué)反應(yīng)步驟，如表1所示。自由基化學(xué)發(fā)光光譜與當(dāng)量比、壓力、燃料組分等燃燒參數(shù)甚至碳煙生成都有著直接的聯(lián)系[18-19]。

表1 自由基生成的反應(yīng)路徑的特征波長Table 1 Formation routes of excited radicals and characteristic wavelengths

圖2 大氣壓力下甲烷/空氣預(yù)混火焰的歸一化OH*、CH*和發(fā)射強(qiáng)度為當(dāng)量比的函數(shù)[18]Fig. 2 Premixed methane/air flame at atmospheric pressure(normalized OH*, CH* and emission as a function of φ) [18]

圖3 天然氣與不同體積分?jǐn)?shù)氫氣的混合物的發(fā)射光譜(當(dāng)量比為0.7)[19]Fig. 3 Emission spectra for blends of natural gas and hydrogen with different volume fractions of H2 and φ =0.7[19]

圖4 乙烯/空氣部分預(yù)混火焰圖像及發(fā)射光譜Fig. 4 Images and emission spectra at inter-conal zone of ethylene/air partially premixed flame for different equivalence ratios

1.3 定量計算

1.3.1 溫度

通過對物體發(fā)射光譜的分析，可以實(shí)現(xiàn)溫度的測量。根據(jù)熱輻射定律，物體表面發(fā)出的光譜輻射強(qiáng)度等于物體表面的發(fā)射率乘以同溫度下黑體的光譜輻射強(qiáng)度。式(1)為描述黑體光譜輻射強(qiáng)度Ib的Planck輻射定律：

(1)

式中，λ為波長，T為溫度，c1和c2分別為第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)。

若被測對象的發(fā)射率在某個波段為已知，則可根據(jù)Planck輻射定律從某個波段輻射強(qiáng)度的測量值中計算出溫度。紅外測溫儀就是在給定被測對象發(fā)射率的條件下，通過獲取其紅外波段輻射信號進(jìn)而獲得其溫度。對于大多數(shù)金屬和非金屬，其表面的發(fā)射率在測量的紅外波段內(nèi)可視為已知常數(shù)，因此可準(zhǔn)確測得其溫度；但對于燃燒火焰，由于氣體介質(zhì)的存在，其發(fā)射率在紅外波段具有復(fù)雜的變化特性，必須加以詳細(xì)分析。

若被測對象的發(fā)射率隨波長變化符合某種規(guī)律，則可從測量的多個波長的輻射強(qiáng)度中同時計算出溫度和發(fā)射率。基于此原理，建立了火焰溫度測量的多波長法和雙色法。多波長法假定在一定波長范圍內(nèi)火焰發(fā)射率與波長呈函數(shù)關(guān)系，根據(jù)測得的多個波長下的單色輻射強(qiáng)度建立方程組，即可同時求出火焰溫度和發(fā)射率分布。國內(nèi)外研究者均在多波長測溫方法及應(yīng)用方面開展了相關(guān)研究工作[9, 26-29]。

雙色法假定火焰在2個波長下的發(fā)射率相同，再得到這2個波長下的火焰單色輻射強(qiáng)度比值，進(jìn)而計算出火焰溫度和黑度。研究表明，煤粉燃燒火焰中焦炭等固體顆粒在可見光波段的光譜輻射滿足灰性假設(shè)[30]。因此，雙色法被廣泛應(yīng)用于電站燃煤鍋爐內(nèi)的溫度測量[17]。但其他類型的燃燒火焰對象是否滿足灰性假設(shè)還難以得知。本課題組提出了一種方法，可從火焰多波長發(fā)射光譜中判斷火焰滿足灰性條件的波長區(qū)間，然后再計算火焰溫度和黑度，可以得到更為精確的結(jié)果[31]。首先，由波長λ和λ+Δλ下光譜輻射強(qiáng)度的比值計算得到溫度：

(2)

式中，T為溫度，λ為波長，c2為第二輻射常數(shù)。I(λ,T)和I(λ+Δλ,T)為2個波長下的單色輻射強(qiáng)度。

在獲得光譜溫度后，光譜發(fā)射率ε(λ)可用同溫度下輻射強(qiáng)度對黑體光譜輻射強(qiáng)度的比值表示：

(3)

式中，ε(λ)為火焰的光譜發(fā)射率，Ib(λ,T)為黑體光譜輻射強(qiáng)度。

最后，根據(jù)光譜發(fā)射率在檢測波段內(nèi)的分布來判定其是否滿足灰體假設(shè)。如果為灰體，則用雙色法就能準(zhǔn)確計算其溫度。

需要注意的是：碳?xì)鋽U(kuò)散火焰中包含碳煙固體顆粒及CO2等氣體，從火焰可見光-近紅外波段發(fā)射光譜計算出的溫度主要代表了火焰中固體顆粒的溫度，而火焰中的氣體溫度與固體顆粒溫度并不完全相同。實(shí)際上，在圖1(b)所示的中紅外輻射波段，火焰發(fā)出的光譜輻射強(qiáng)度可分為兩部分，即入射火焰輻射強(qiáng)度的貢獻(xiàn)部分以及火焰內(nèi)氣體自發(fā)輻射的貢獻(xiàn)部分：

Io,η=Ii,ηtgas,η+Ib,η(Tgas)(1-tgas,η)

(4)

式中：Io,η為火焰的出射光譜輻射強(qiáng)度，可以通過測量火焰輻射得到；Ii,η為入射火焰的光譜輻射強(qiáng)度，可通過測量背景輻射得到；Ib,η為火焰中氣體的黑體光譜輻射強(qiáng)度；tgas,η為火焰中氣體的光譜透射率；下標(biāo)η表示波數(shù)。

根據(jù)式(4)，當(dāng)火焰中氣體的光譜透射率tgas,η為0，測量得到的火焰出射光譜輻射強(qiáng)度Io,η與火焰中氣體的黑體光譜輻射強(qiáng)度Ib,η一致。研究表明，碳?xì)浠鹧嬷械腃O2在波數(shù)2350 cm-1(波長4.29 μm)下有著強(qiáng)烈的吸收作用，其光譜透射率可近似為0[32]。因此，火焰中氣體溫度Tgas可通過該波數(shù)下測得的出射光譜輻射強(qiáng)度得到。本課題組分別用雙色法和上述紅外光譜分析法從圖1(a)和(b)中給出的乙烯/空氣擴(kuò)散火焰發(fā)射光譜中得到了火焰軸線上沿高度的碳煙和氣體溫度分布，如圖5所示。從圖中可見，該火焰軸線上的氣體溫度在1404～1561 K之間，低于用雙色法獲得的碳煙溫度(1722～1906 K)。

圖5 乙烯/空氣擴(kuò)散火焰的溫度檢測結(jié)果Fig. 5 Measured temperatures of ethylene/air diffusion flame

此外，測量燃燒火焰溫度的發(fā)射光譜技術(shù)還有原子譜線法。由原子物理學(xué)、原子光譜學(xué)相關(guān)理論可知同一元素兩原子發(fā)射譜線的強(qiáng)度比與溫度的函數(shù)關(guān)系，因此可通過測量火焰光譜中某元素(如Na或K)兩原子發(fā)射譜線相對強(qiáng)度比來測量火焰溫度[33]。

1.3.2 組分體積分?jǐn)?shù)

在采用發(fā)射光譜技術(shù)得到火焰溫度之后，還可以從發(fā)射光譜強(qiáng)度中計算出火焰中碳煙顆粒、氣體組分、氣相堿金屬的體積分?jǐn)?shù)。

1) 碳煙顆粒體積分?jǐn)?shù)

以多波長法和雙色法計算溫度的同時，還能得到火焰光譜輻射率，進(jìn)一步根據(jù)Hottel-Broughton公式可計算火焰的KL因子[34]：

(5)

式中：K為吸收系數(shù)；L為沿視線方向的火焰厚度；T為火焰溫度，Ta為表觀溫度；α為碳煙顆粒直徑及其折射率指數(shù)的函數(shù)，對于不同燃料或火焰類型需選取不同的值。KL因子與火焰中的碳煙顆粒體積分?jǐn)?shù)成正比，主要用于內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中碳煙生成的診斷。α的取值和測量波長的選擇對KL因子的計算結(jié)果有影響。測量波長的選擇，理論上是任意的，但實(shí)際應(yīng)用中需考慮幾個因素：一是α的取值與波長也有關(guān)；二是測試系統(tǒng)的光譜響應(yīng)；三是火焰對象的發(fā)射光譜分布。

2) CO2和水蒸氣體積分?jǐn)?shù)

火焰中氣相組分體積分?jǐn)?shù)不同時，氣體的光譜輻射特性(如透射率)分布也不同。在1.3.1節(jié)中，火焰的出射光譜輻射強(qiáng)度Io,η和入射火焰的光譜輻射強(qiáng)度Ii,η可通過光譜儀測量得到，計算出氣體溫度Tgas，再結(jié)合式(4)，可得到火焰中氣體的光譜透射率：

(6)

在已知火焰氣體溫度條件下，先假定火焰中CO2和水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為某值，則可用LBL(Line-by-line)等氣體輻射特性計算方法[32]獲得火焰中氣體光譜透射率的理論值，在一定的波段范圍內(nèi)對比氣體光譜透射率的測量值與理論值，通過優(yōu)化迭代找到測量值與理論值誤差最小時的氣體組分體積分?jǐn)?shù)，即可得到火焰中CO2和水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)?；趫D1(b)的乙烯/空氣擴(kuò)散火焰中的氣體發(fā)射光譜，采用前述紅外光譜法估算了火焰軸線上的CO2和水蒸氣體積分?jǐn)?shù)分布，如圖6所示(縱軸為沿火焰視線累積的氣體體積分?jǐn)?shù))。

圖6 乙烯/空氣擴(kuò)散火焰的氣體組分體積分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果Fig. 6 Measured gas volume fraction of ethylene/air diffusion flame

圖7給出了火焰軸線歸一化高度為0.84時氣體光譜透射率的測量值與理論值的對比。從圖中可見，測量的光譜透射率與理論值總體吻合較好，但是在2200～2500 cm-1和3720～3900 cm-1波段有一些差別，其原因是：在本文的氣體光譜透射率理論計算中僅考慮了CO2和水蒸氣2種氣體，但實(shí)際火焰中可能還包括CO等其他輻射參與介質(zhì)，這會給氣體體積分?jǐn)?shù)的測量帶來誤差。此外，紅外光譜強(qiáng)度及溫度測量結(jié)果對氣體體積分?jǐn)?shù)的估算也有影響。以氣體光譜透射率的測量值與理論值的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示氣體體積分?jǐn)?shù)測量的不確定度：

(7)

式中，Nλ為波長總數(shù)，tgas,η和tgas,η,c分別為光譜透射率的測量值和理論值。圖7給出的氣體光譜透射率測量值與理論值的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.5%(圖中橫軸η為波數(shù))。

圖7 氣體光譜透射率測量值與理論值的對比Fig. 7 Comparison of measured gas spectral transmissivity and theoretical value

3) 氣相堿金屬體積分?jǐn)?shù)

從圖1(d)中可以看到，樟木顆粒燃燒火焰發(fā)射光譜由火焰中碳煙的連續(xù)輻射Isoot及氣相堿金屬K發(fā)射譜線IK兩部分疊加而成。因此，在檢測的發(fā)射光譜曲線中扣除碳煙的連續(xù)輻射即可得到K的特征光譜強(qiáng)度IK。根據(jù)原子發(fā)射光譜理論[20]，火焰中堿金屬被激發(fā)而發(fā)出的特征譜線強(qiáng)度正比于氣相堿金屬的體積分?jǐn)?shù)，可通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)建立堿金屬譜線強(qiáng)度與其氣相體積分?jǐn)?shù)的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對火焰中氣相堿金屬體積分?jǐn)?shù)的在線原位檢測。基于該方法，本課題組開展了生物質(zhì)燃料燃燒火焰及垃圾焚燒爐內(nèi)氣相堿金屬體積分?jǐn)?shù)的檢測研究[23, 35]。圖8給出了樟木顆粒在揮發(fā)分、焦炭、灰分3個燃燒階段釋放的氣相堿金屬體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化。

圖8 樟木顆粒燃燒過程中K元素氣相體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化[23]Fig. 8 Variation of gaseous phase K volume fraction with time during the combustion of camphorwood pellet [23]

2 火焰圖像處理技術(shù)

2.1 火焰圖像檢測

光譜儀檢測的是火焰上某一點(diǎn)或某一區(qū)域沿視線方向發(fā)出的光譜信息，無法對被測火焰沿空間分布的燃燒信息實(shí)施檢測；火焰圖像檢測則是基于三維燃燒火焰發(fā)出的光投影至面陣圖像傳感器上形成的圖像，有助于獲得火焰溫度等參數(shù)的二維分布。

燃燒火焰的發(fā)光覆蓋了紫外-可見光-紅外的寬波段范圍，除可見光之外，電磁波譜中的其他部分也可以形成圖像。因此，結(jié)合具有不同光譜響應(yīng)波段的圖像傳感器，廣義的火焰圖像處理技術(shù)包括了對燃燒火焰的可見光彩色圖像、紅外熱圖像、紫外圖像的處理[6]。常用于圖像檢測的裝置為攝像機(jī)或相機(jī)，根據(jù)其面陣圖像傳感器的分辨率，所獲得的圖像可達(dá)百萬像素以上。在紫外和紅外圖像中，每個像素可給出灰度值，彩色圖像的每個像素由紅色(R)、綠色(G)、藍(lán)色(B)三基色值組成；灰度值及三基色值的數(shù)值范圍取決于圖像傳感器的量化深度。一般情況下，攝像機(jī)檢測圖像的速率為每秒24幀；而在燃?xì)廨啓C(jī)、超聲速燃燒、爆炸燃燒等領(lǐng)域，由于燃燒過程發(fā)生在很短的一個時間區(qū)間內(nèi)，有必要使用每秒上千幀的高速攝像機(jī)來獲取瞬態(tài)火焰圖像。

2.2 定性分析

射流擴(kuò)散火焰是燃燒研究的基礎(chǔ)對象。當(dāng)射流速度較小時，火焰燃燒穩(wěn)定，形成明亮、穩(wěn)定的層流火焰，火焰形狀(高度)隨射流速度的增大而增大(Roper模型)；當(dāng)射流速度增大到一定程度時，火焰開始發(fā)生抖動，出現(xiàn)周期性的上下和左右脈動，且隨著速度增大，脈動強(qiáng)度增大；隨著射流速度的進(jìn)一步增大，火焰將不再維持穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，出現(xiàn)破碎結(jié)構(gòu)，火焰縮短，形成由多個旋渦組合而成的湍流火焰，此時火焰高度不隨射流速度的增大而變化，且火焰噪聲增強(qiáng)，脈動進(jìn)一步加強(qiáng)。通過對射流擴(kuò)散火焰圖像的直接處理，可以獲得火焰的形狀、脈動特性和特征參數(shù)等，有助于開展燃燒的定性分析。

2.2.1 射流擴(kuò)散火焰的火焰形狀

火焰形狀是層流射流擴(kuò)散火焰的重要特征。層流射流擴(kuò)散火焰形狀由當(dāng)量比為1的點(diǎn)組成的火焰面來表示，這與火焰的實(shí)際可見形狀是不同的，因?yàn)榛鹧嬷袝a(chǎn)生碳煙，碳煙在火焰尾部燃燒，并使得火焰呈現(xiàn)橙色或黃色[36]。由于CH*自由基產(chǎn)生于火焰反應(yīng)區(qū)的第一次急劇升溫位置，可用其發(fā)光強(qiáng)度圖像表征火焰形狀；同樣，OH*自由基的發(fā)光強(qiáng)度圖像也可用于表征火焰面的位置。本課題組開展了乙烯層流反擴(kuò)散火焰形狀的理論計算及實(shí)驗(yàn)測量研究，在不同的空氣流量下，從CH*自由基的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度分布得到實(shí)驗(yàn)測量的火焰形狀，用于檢驗(yàn)Roper模型計算的反擴(kuò)散火焰形狀，如圖9所示[37]。

圖9 反擴(kuò)散火焰形狀的理論計算及實(shí)驗(yàn)測量[37]Fig. 9 Theoretical calculation and experimental measurement of the shape of inverse diffusion flame [37]

2.2.2 射流擴(kuò)散火焰的脈動特性

如前所述，當(dāng)燃料流速超過某一臨界值時，射流擴(kuò)散火焰出現(xiàn)脈動現(xiàn)象。其原因在于：燃燒過程所釋放的熱量會降低火焰周圍的氣體密度，形成徑向密度梯度；同時，火焰面處的高溫已燃?xì)怏w向周圍冷環(huán)境擴(kuò)散，冷熱氣體相遇，在正的徑向密度梯度作用下形成渦旋結(jié)構(gòu)；在浮力作用下，渦旋加速上升并穿過已燃?xì)怏w，擠壓火焰鋒面，使之出現(xiàn)脈動，導(dǎo)致其伸長、縮短以及焰頂分離。圖10給出了本課題組通過高速攝像機(jī)拍攝的靜止空氣條件下乙烯射流擴(kuò)散火焰的脈動圖像[38]。

圖10 靜止空氣條件下乙烯射流擴(kuò)散火焰的脈動圖像[38]Fig. 10 Images of flickering ethylene diffusion flame under static air condition [38]

擴(kuò)散火焰的脈動在有利條件下可產(chǎn)生很強(qiáng)的低頻火焰振蕩。這種振蕩與燃料管路的長度或直徑無關(guān)，而與燃料和周圍空氣之間的剪切力有關(guān)。通常認(rèn)為這是由于層流燃料射流不穩(wěn)定造成的，它可以擴(kuò)展為正弦振蕩，并形成周期性的旋渦。采用燃料氣流同軸伴流的方法可以抑制甚至消除振蕩。

本課題組采用高速攝像機(jī)捕捉火焰脈動瞬時圖像并進(jìn)行處理，獲得火焰灰度值的時域分布，再利用傅里葉變換求出火焰灰度值的頻域分布，從而確定火焰的脈動頻率與幅值，給出了火焰脈動與伴流空氣流量的關(guān)系，如圖11所示。從圖中可見：隨著伴流空氣流量的增大，火焰脈動頻率逐漸增大，但達(dá)到某閾值后不再增大；幅值隨著伴流空氣流量的增大而減小，且變化曲線逐步趨于平坦[38]。

圖11 火焰脈動頻率及幅值與伴流空氣流量的關(guān)系[38]Fig. 11 Relationship among flickering frequency, amplitude and co-flow oxidizer rate [38]

用類似的研究方法，也可對工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行分析。圖12給出了某燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室在穩(wěn)定和不穩(wěn)定燃燒時的火焰圖像序列以及從穩(wěn)定到不穩(wěn)定狀態(tài)的火焰灰度值時域分布[39]。從穩(wěn)定到不穩(wěn)定燃燒模式的過渡可分為3個階段：在第一階段，火焰亮度和波動逐漸增大，可假定為起初燃燒不穩(wěn)定；在第二階段，火焰亮度出現(xiàn)急劇上升，表明燃燒過程在過渡階段正變得劇烈；在第三階段，劇烈的火焰亮度有所消散，火焰恒幅振蕩，燃燒進(jìn)入不穩(wěn)定燃燒模式。

圖12 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室不同燃燒狀態(tài)的火焰動態(tài)圖像及灰度值[39]Fig. 12 Images of flame-dynamic and pixel-intensity signal at different combustion stages in an industrial gas turbine combustor [39]

2.2.3 煤粉射流火焰的著火參數(shù)

煤粉射流火焰的著火分析是判斷煤粉燃燒穩(wěn)定性的直接簡便方法之一。文獻(xiàn)[40]在一臺單燃燒器的臥式爐上拍攝了煤粉燃燒的可見光火焰圖像，并定義了發(fā)光區(qū)域、火焰中心位置、著火點(diǎn)及火焰擴(kuò)張角等參數(shù)，如圖13所示。研究結(jié)果表明：單角爐煤粉射流火焰的發(fā)光區(qū)域與負(fù)荷幾乎成線性增大，其不確定性在滿負(fù)荷時僅有0.6%，表明火焰非常穩(wěn)定；而在較低負(fù)荷下，火焰更易波動。在滿負(fù)荷情況下，煤粉/空氣混合物的著火點(diǎn)位于燃燒器出口中，完全觀察不到；而在較低負(fù)荷下，能夠觀察到著火點(diǎn)，表明煤粉射流在進(jìn)入爐膛后才著火。同時，著火點(diǎn)的穩(wěn)定性在較低負(fù)荷下也迅速下降。

圖13 煤粉火焰幾何形狀參數(shù)定義[40]Fig. 13 Definitions of the geometrical parameters of a pulverized coal flame [40]

2.3 定量計算

2.3.1 火焰圖像的輻射標(biāo)定

在攝像機(jī)獲取的灰度圖像或彩色圖像中，每個像素的灰度值及RGB三基色值分別反映了相應(yīng)波長或波段內(nèi)輻射強(qiáng)度的相對大小，為將其用于定量計算，必須對其進(jìn)行輻射標(biāo)定。

本課題組開展了將黑體爐用于可見光相機(jī)拍攝的彩色火焰圖像的標(biāo)定工作[6, 17]，標(biāo)定的主要目的是校正RGB三基色值，使之正確反映輻射對象光譜特性在紅、綠、藍(lán)三波長下的光譜輻射強(qiáng)度的大小。輻射標(biāo)定方法是：用可見光相機(jī)拍攝不同溫度下的黑體輻射圖像(如圖14所示)，根據(jù)黑體輻射定律，建立彩色圖像中RGB三基色值與相應(yīng)波長下單色輻射強(qiáng)度的定量函數(shù)關(guān)系。

圖14 不同溫度下的黑體輻射圖像[6]Fig. 14 Images captured from the blackbody furnace with different temperatures [6]

需要注意的是，火焰圖像的檢測過程中，攝像機(jī)或相機(jī)的光圈、快門、自動增益、白平衡等參數(shù)設(shè)置都會影響所得圖像的灰度值或RGB三基色值的大小。通過輻射標(biāo)定所建立的定量函數(shù)關(guān)系是在一定的攝像機(jī)或相機(jī)參數(shù)設(shè)置下獲得的；若改變了相關(guān)參數(shù)設(shè)置，就需重新進(jìn)行輻射標(biāo)定[6]。

2.3.2 火焰溫度圖像

在可見光攝像機(jī)獲取的彩色火焰圖像中，每個像素的RGB值反映了火焰的單色輻射強(qiáng)度大小，根據(jù)攝像機(jī)的光譜響應(yīng)曲線可以得到紅綠藍(lán)三色的特征波長。雖然紅綠藍(lán)三色的響應(yīng)曲線各有一定的波長范圍，但是根據(jù)灰性介質(zhì)假設(shè)以及燃燒介質(zhì)連續(xù)輻射假設(shè)，可以認(rèn)為圖像RGB數(shù)據(jù)和對應(yīng)的單色輻射強(qiáng)度之間是直接成比例的，兩者之間可通過輻射標(biāo)定建立定量關(guān)系。因此，采用雙色法可以從一幅彩色火焰圖像的任意兩種單色輻射強(qiáng)度圖像中計算出火焰溫度?；诓噬鹧鎴D像處理技術(shù)，有研究者開展了視窗式光學(xué)發(fā)動機(jī)內(nèi)火焰溫度的檢測研究。用高速攝像機(jī)拍攝了柴油燃燒火焰圖像，并在該拍攝條件下用黑體爐對高速攝像機(jī)進(jìn)行熱輻射標(biāo)定，然后對同一火焰圖像分別使用RG、RB、GB 3種波長組合以雙色法計算火焰溫度(如圖15所示)，并分析了3種組合的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖15 柴油機(jī)火焰及不同波長組合下計算出的溫度圖像[41]Fig. 15 Diesel flame and temperature calculated with different combinations of two wavelengths [41]

進(jìn)一步地，有研究者考慮了彩色攝像機(jī)圖像傳感器的光譜響應(yīng)波段(如圖16所示)，提出了從面陣彩色CCD攝像機(jī)獲取的三波長信號中測量高溫火焰二維溫度場的方法[42]。該方法的實(shí)質(zhì)是把RGB三基色值信號與相應(yīng)光譜響應(yīng)波段內(nèi)的波段輻射力相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而從任意兩波段輻射力的比值中計算出溫度：

(8)

圖16 彩色攝像機(jī)R、G、B波段光譜響應(yīng)曲線[68]Fig. 16 Spectral response curves of the R, G and B bands of the colored CCD camera [68]

式中：ER、EG分別為R、G波段范圍內(nèi)的輻射力；ηR(λ)和ηG(λ)分別為R、G波段光譜響應(yīng)效率函數(shù)；λ1、λ2為R光譜響應(yīng)波段，λ3、λ4為G光譜響應(yīng)波段；Eb(λ,T)為黑體輻射力。

上述基于波段輻射力比值計算溫度的方法也屬于雙色法的范疇，也需將被測波段內(nèi)的火焰輻射視作灰體。本課題組采用該方法開展了O2/N2混合氣條件下乙烯層流擴(kuò)散火焰溫度分布的檢測研究[43]。圖17為氧的體積分?jǐn)?shù)增大過程中的火焰圖像及溫度圖像。

圖17 氧的體積分?jǐn)?shù)增大過程中的乙烯擴(kuò)散火焰圖像及溫度圖像[43]Fig. 17 Images of ethylene diffusion flame and temperature distributions as O2 volume fraction is increased [43]

從圖中可見：隨著氧的體積分?jǐn)?shù)增大，燃燒溫度增高，火焰長度變小，火焰圖像從暗紅、黃、亮黃逐漸變?yōu)榱涟祝挥捎诨鹧骈L度變短，頂部燃料與周圍氧氣的摻混程度較高，反應(yīng)高溫區(qū)由兩翼移動至火焰頂部。

采用彩色攝像機(jī)檢測到的火焰溫度圖像僅代表火焰中碳煙顆粒的溫度；對于CO2、水蒸氣等具有明顯紅外輻射能力的氣體輻射，則可采用位于紅外光譜的傳感器來攝取火焰紅外輻射圖像，并結(jié)合濾色片，在特定波長下計算火焰中氣體溫度分布[44]。

3 熱輻射成像技術(shù)

3.1 基本原理

必須強(qiáng)調(diào)的是，火焰發(fā)射光譜和火焰圖像處理技術(shù)都是一種視線檢測技術(shù)，每一個方向或像素累積了視場范圍內(nèi)的所有發(fā)射源的輻射貢獻(xiàn)，所得到的溫度等測量結(jié)果是一種沿視線的平均值。要得到被測參數(shù)沿“視線”方向上的分布，實(shí)現(xiàn)燃燒火焰中溫度、組分體積分?jǐn)?shù)等熱物理參數(shù)的二維/三維分布的測量，主要是通過3種方式：

1) 平面激光(Planar Laser)。利用薄層平面(片)激光照射燃燒火焰中某一橫截面，基于相關(guān)理論可獲得該截面上的自由基體積分?jǐn)?shù)、碳煙體積分?jǐn)?shù)、速度等參數(shù)的二維分布[2-5, 7-11]。

2) 層析成像(Tomography)。根據(jù)燃燒火焰中被測參數(shù)沿“視線”方向在傳感器上的投影，重建被測參數(shù)的二維分布，如可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)與層析成像相結(jié)合可以獲得燃燒火焰的溫度和氣體組分體積分?jǐn)?shù)的二維分布[12-14]。

3) 熱輻射成像(Thermal Radiative Imaging)。同時考慮了介質(zhì)發(fā)射、吸收、散射以及壁面發(fā)射、吸收、反射對熱輻射光束的影響，基于輻射傳遞方程建立熱輻射成像模型，該模型給出了燃燒火焰溫度、輻射特性(組分體積分?jǐn)?shù))與邊界上檢測到的火焰光譜或圖像之間的定量關(guān)系，采用反問題求解方法從模型中獲得燃燒火焰中的三維溫度分布、組分體積分?jǐn)?shù)等[6, 17]。

熱輻射成像本質(zhì)上是一種物理概念，包含輻射成像正問題模型計算以及輻射成像反問題求解兩個過程。在輻射成像正問題中，由于顆粒對輻射的散射以及爐壁對輻射的反射改變了輻射傳播方向，導(dǎo)致輻射成像中每個方向接收的能量都來自于整個燃燒空間，因此，正問題建模難點(diǎn)在于對輻射成像過程中的散射和反射的處理；而在輻射成像反問題中，輻射特性參數(shù)與源項(溫度)分布具有強(qiáng)烈的耦合性，導(dǎo)致了問題的不適定性，即使僅重建溫度分布，也需采用能夠求解不適定反問題的重建算法；若系統(tǒng)內(nèi)的輻射參數(shù)未知，則需同時重建輻射特性參數(shù)與源項分布[45]。

3.2 三維溫度場可視化重建

(9)

圖18 熱輻射成像技術(shù)應(yīng)用于爐內(nèi)三維溫度場在線檢測的示意圖[6]Fig. 18 Schematic of thermal radiative imaging technique used for three-dimensional temperature distribution detection in a boiler furnace [6]

將式(9)離散化并寫作矩陣形式[6,17]：

I=A1Tg+A2Tw=AT

(10)

在國內(nèi)，浙江大學(xué)研究團(tuán)隊[49-52]也開展了燃燒三維溫度場的反演研究，并將其應(yīng)用于燃煤火焰溫度場的重建。本課題組將熱輻射成像技術(shù)推廣應(yīng)用于火電、冶金、石化、玻璃和水泥等行業(yè)的各種鍋爐、窯爐、工業(yè)爐、焚燒爐和冶煉爐等燃燒裝置的溫度場檢測[53-58]。圖19為燃煤鍋爐和燃油加熱爐內(nèi)的溫度場重建。

圖19 熱輻射成像技術(shù)在燃燒裝置溫度場檢測中的應(yīng)用[53]Fig. 19 Applications of thermal radiative imaging technique for temperature field detection in various combustion facilities [53]

3.3 溫度分布與介質(zhì)輻射參數(shù)(體積分?jǐn)?shù))同時重建

隨著熱輻射成像裝置的發(fā)展，除彩色相機(jī)外，還能采用立體相機(jī)[59]、光場相機(jī)[60-61]、多光譜[62-63]或高光譜成像儀[64-65]獲得火焰熱輻射分布，這使得熱輻射成像技術(shù)在燃燒測量中得到了較大發(fā)展，不僅能實(shí)現(xiàn)燃燒二維/三維溫度場的重建，還可根據(jù)檢測的邊界上的熱輻射分布重建灰性介質(zhì)輻射特性[45, 61, 66-67]、燃燒火焰中碳煙顆粒體積分?jǐn)?shù)[59, 62, 64, 68]以及氣體組分體積分?jǐn)?shù)[63, 65]。

從式(10)的熱輻射成像模型可見，溫度分布或介質(zhì)輻射特性的任何變化都會使得邊界輻射強(qiáng)度發(fā)生變化。若僅有邊界輻射強(qiáng)度這個單一檢測信息，同時重建溫度與輻射參數(shù)就非常困難。實(shí)際上，在邊界上的檢測信息包含了不同顏色或輻射波長下的輻射強(qiáng)度，通過雙色法或多波長法就可以在邊界上得到溫度的檢測值，即溫度圖像。溫度圖像的引入，將工程燃燒裝置中溫度場和熱輻射參數(shù)的同時反演提高到一個新的水平。

基于此，本課題組提出了一種解耦重建算法[45]，其思路是：輻射成像裝置接收到的溫度圖像是基于2幅單色輻射強(qiáng)度圖像的比值而來，它與介質(zhì)輻射特性弱相關(guān)，與爐內(nèi)溫度強(qiáng)相關(guān)，而輻射強(qiáng)度圖像與介質(zhì)輻射特性、爐內(nèi)溫度均強(qiáng)相關(guān)；對于簡單系統(tǒng)的溫度和吸收系數(shù)測量，可以從輻射溫度圖像中重建介質(zhì)溫度分布，進(jìn)而從輻射強(qiáng)度圖像中計算出介質(zhì)溫度；對于較為復(fù)雜的問題，將邊界上測量到的輻射強(qiáng)度圖像和輻射溫度圖像作為輸入數(shù)據(jù)，用Tikhonov正則化方法從輻射溫度圖像中求解系統(tǒng)的溫度分布，而輻射特性參數(shù)反問題可以描述為一個最優(yōu)化問題，優(yōu)化目標(biāo)是使邊界輻射強(qiáng)度的測量值和計算值之間的誤差最??；交替執(zhí)行以上兩步，直到得到一個收斂值。圖20給出了采用上述方法獲得的層流乙烯擴(kuò)散火焰中溫度與碳煙體積分?jǐn)?shù)分布同時重建的結(jié)果(圖中fv為碳煙體積分?jǐn)?shù))。

圖20 乙烯擴(kuò)散火焰圖像及其溫度與碳煙體積分?jǐn)?shù)分布[68]Fig. 20 Images of ethylene diffusion flame, the distributions of temperature T (K) and soot volume fraction (10-6) [68]

4 發(fā)展和應(yīng)用

4.1 自發(fā)輻射燃燒診斷技術(shù)的發(fā)展

在燃燒實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)際應(yīng)用中，對燃燒測量診斷技術(shù)的需求是從“點(diǎn)”到“面”、從“一維”到“二維”甚至到“三維”，從“溫度檢測”到“溫度與多種參數(shù)同時檢測”，從“單一檢測”到“測控結(jié)合”。隨著光譜儀、攝像機(jī)等成像裝置的發(fā)展，結(jié)合燃燒測量診斷的需求，自發(fā)射輻射燃燒診斷技術(shù)仍面臨諸多問題與挑戰(zhàn)。

4.1.1 更豐富的檢測信號

火焰發(fā)射光譜技術(shù)的優(yōu)勢在于檢測波長的維數(shù)上，其在空間維數(shù)上的不足，制約了其發(fā)展到燃燒空間多維溫度分布的檢測；火焰圖像處理技術(shù)雖然能提供具有空間分布的圖像檢測信息，但光譜分辨率較低(如彩色攝像機(jī)只有R、G、B三通道，紫外和紅外攝像機(jī)只有一個通道)。近年來，多/高光譜成像儀這種新型設(shè)備的出現(xiàn)有望改善這一不足。高光譜成像設(shè)備在每個成像單元測量大量連續(xù)波段輻射強(qiáng)度，能夠提供包含空間和光譜信息的火焰輻射分布信息[69]。這種將圖像與光譜“合二為一”的優(yōu)點(diǎn)是：光譜提供了鑒別不同物質(zhì)的“指紋”，二維空間維度增強(qiáng)了探測的信息量，從而有助于實(shí)現(xiàn)火焰中溫度與多種組分體積分?jǐn)?shù)分布的同時測量。

4.1.2 更高的檢測分辨率及精度

目前，熱輻射成像裝置可以達(dá)到千萬級像素的水平。如果以成像像素達(dá)到的最大空間分辨率水平進(jìn)行火焰三維溫度及組分體積分?jǐn)?shù)的精細(xì)重構(gòu)，可望實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)湍流火焰直接數(shù)值模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而推動燃燒基礎(chǔ)研究的發(fā)展。因此，在重建的空間分辨率方面，如何有效地、充分地利用千萬像素級的光譜檢測信息，仍然有待研究；而在重建精度方面，目前遇到的挑戰(zhàn)是燃燒介質(zhì)非均勻分布對溫度重建的影響。近年來，隨著計算資源與數(shù)據(jù)量的飛速增長，人工智能技術(shù)得到高速發(fā)展及廣泛應(yīng)用[70]。深度學(xué)習(xí)是目前主流的人工智能實(shí)現(xiàn)方法，該方法主要是以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展機(jī)器學(xué)習(xí)，無需事先確定輸入輸出之間映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程，僅需利用大量數(shù)據(jù)完成自身訓(xùn)練，在給定輸入值時得到最接近期望輸出值的結(jié)果，這非常適合求解具有不適定性的熱輻射反問題，從而提高檢測的分辨率及精度。

4.1.3 更多的檢測結(jié)果

除了溫度、組分體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)之外，熵也是熱物理學(xué)科所研究的基礎(chǔ)熱物性參數(shù)之一。在燃燒系統(tǒng)效率評估和熱設(shè)計領(lǐng)域，以熱力學(xué)第二定律來研究燃燒系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換與傳熱過程是當(dāng)今的一個趨勢，基于熵產(chǎn)最小化理論來提高導(dǎo)熱和對流換熱的傳熱效率的方法也已得到應(yīng)用。爐膛等燃燒系統(tǒng)中燃燒火焰溫度較高，熱輻射是重要的傳熱方式。在應(yīng)用熱力學(xué)第二定律分析燃燒火焰的傳熱過程時需要考慮輻射的影響。但由于燃燒火焰中氣/固介質(zhì)具有發(fā)射、吸收和散射特性，輻射傳遞過程非常復(fù)雜，以往的燃燒研究都忽略了基于輻射傳熱不可逆性的熵產(chǎn)，或是僅停留于輻射熵產(chǎn)的數(shù)值計算方面，還缺乏燃燒火焰輻射熵產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果。本課題組開展了燃煤鍋爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的輻射熵產(chǎn)實(shí)驗(yàn)測量的初步研究[71]，根據(jù)重建的介質(zhì)溫度及輻射特性獲得了爐內(nèi)灰性燃燒介質(zhì)的輻射熵產(chǎn)，從而通過自發(fā)輻射燃燒診斷技術(shù)提供了更多的檢測結(jié)果。

4.2 自發(fā)輻射燃燒診斷技術(shù)的應(yīng)用

燃燒診斷技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，從燃燒基礎(chǔ)研究中的實(shí)驗(yàn)室小型燃燒火焰到實(shí)際工業(yè)過程中的大型燃燒裝置都需要不同程度地應(yīng)用燃燒診斷技術(shù)。自發(fā)射輻射燃燒診斷技術(shù)因其非接觸、對環(huán)境要求不高、系統(tǒng)比較緊湊、易于實(shí)施等特點(diǎn)，在燃燒場在線測量診斷中具有明顯優(yōu)勢，尤其是在電站鍋爐及工業(yè)窯爐等大型爐膛內(nèi)燃燒溫度在線檢測中有較多應(yīng)用，但在實(shí)驗(yàn)室燃燒火焰基礎(chǔ)研究以及航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)燃燒診斷中的應(yīng)用亟待進(jìn)一步拓展。

本課題組目前承擔(dān)的國家重大科研儀器研制項目“燃燒火焰自由基、顆粒物、主要?dú)鈶B(tài)產(chǎn)物光譜/成像檢測系統(tǒng)”的研究目的就是在深入分析自發(fā)輻射燃燒診斷技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，提出結(jié)合多種火焰發(fā)射光譜及成像技術(shù)(包括紫外、可見光、紅外傅立葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)，紫外增強(qiáng)、可見光和紅外成像技術(shù))，通過高性能數(shù)字圖像和信號處理系統(tǒng)，研發(fā)先進(jìn)的火焰多組分分布檢測儀器，解決顆粒介質(zhì)連續(xù)輻射對火焰自由基和氣相介質(zhì)分布檢測的影響、從火焰全波長熱輻射光譜及成像信息中檢測火焰多組分分布方法等關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)火焰溫度場、自由基及氣相組分體積分?jǐn)?shù)分布、顆粒物(碳煙等)溫度及體積分?jǐn)?shù)分布等的高時空分辨率二維/三維檢測。

航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)臺運(yùn)行環(huán)境惡劣(強(qiáng)振動、強(qiáng)聲、強(qiáng)自發(fā)光和強(qiáng)電磁干擾等)，這對激光燃燒診斷技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)燃燒試驗(yàn)測量極具挑戰(zhàn)性。在美國國家科學(xué)院近期提出的先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)十大優(yōu)先研究領(lǐng)域中，涉及了高可靠、高性能、低成本傳感器的開發(fā)，其目的在于提高燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行過程中信息獲取的準(zhǔn)確性，以確保燃?xì)廨啓C(jī)處于安全運(yùn)行狀態(tài)[72]。而自發(fā)輻射燃燒診斷技術(shù)能夠克服試驗(yàn)環(huán)境的干擾，且兼具成本低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，在與傳統(tǒng)試車臺測試技術(shù)融合方面也具有一定優(yōu)勢。但需要注意的是，對高頻、高脈動湍流火焰開展測量，需要使用性能更好的設(shè)備才有助于深入了解湍流和不穩(wěn)定火焰的本質(zhì)。高速、高感光ICCD能夠在受限條件下獲取高時間分辨率的湍流火焰特性[73]，例如火焰形狀和局部熄滅等；同時，較高的感光度更適合獲取湍流火焰瞬態(tài)自由基的化學(xué)發(fā)光信息，對于研究燃燒不穩(wěn)定性(貧燃燃?xì)廨啓C(jī)中的周期性燃燒振蕩、航空發(fā)動機(jī)燃燒室中熱聲耦合導(dǎo)致的火焰不穩(wěn)定)有很大幫助。

5 結(jié) 論

本文從火焰發(fā)射光譜、火焰圖像處理、熱輻射成像等方面介紹了基于自發(fā)輻射分析的被動式燃燒診斷技術(shù)研究進(jìn)展。燃燒基礎(chǔ)研究、新型燃燒設(shè)備及新型動力裝置的發(fā)展對燃燒診斷技術(shù)提出了越來越高的要求，自發(fā)輻射燃燒診斷技術(shù)用于燃燒場的測量有著獨(dú)特的優(yōu)勢。隨著獲取光譜、圖像的成像器件的發(fā)展以及光譜、圖像信號處理算法的提升，相信會有越來越多的相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用于燃燒科學(xué)研究及工程實(shí)踐，并進(jìn)一步加快其迅速發(fā)展。