閆帥，楊家寶，龔巖，郭慶華，于廣鎖

（華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所，上海 200237）

引 言

擴(kuò)散燃燒是氣體基本燃燒方式之一，因燃燒形式簡單，燃燒穩(wěn)定性好，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。日常生活中的蠟燭、氣體打火機(jī)及工業(yè)燃燒設(shè)備等，均采用擴(kuò)散燃燒形式[1-4]。反擴(kuò)散火焰是擴(kuò)散火焰的一種，不同于正擴(kuò)散火焰，其特點(diǎn)為內(nèi)部氧化劑被外部燃料包圍。由于正、反擴(kuò)散火焰在燃料和氧化劑的混合方式上存在差異，導(dǎo)致反擴(kuò)散火焰中產(chǎn)生的碳煙比正擴(kuò)散火焰中的碳煙少[5]。氣態(tài)烴非催化部分氧化技術(shù)多采用反擴(kuò)散火焰型式以實(shí)現(xiàn)甲烷等氣態(tài)烴類燃料的轉(zhuǎn)化[6]。

隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出，綠色低碳、節(jié)能減排成為各行業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的必要因素，對反擴(kuò)散火焰在工業(yè)中的應(yīng)用提出了更高的要求。CO2稀釋的火焰可以減少NOx等污染物排放[7]，在改善燃燒狀態(tài)的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本，節(jié)能減排。探討CO2在反擴(kuò)散火焰中的稀釋效應(yīng)為其在工業(yè)上的應(yīng)用和發(fā)展提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，但目前關(guān)于反擴(kuò)散火焰光譜可視化的研究較少。相比于傳統(tǒng)火焰研究方法，光譜診斷方法作為一種非接觸式測量方法，具有響應(yīng)時(shí)間短、不擾動火焰的優(yōu)點(diǎn)。因此，通過光譜診斷研究反擴(kuò)散火焰的燃燒現(xiàn)象，確定CO2的稀釋效應(yīng)，深入理解反擴(kuò)散火焰燃燒機(jī)理，對反擴(kuò)散火焰在工業(yè)中的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

碳?xì)浠鹧嫒紵龝r(shí)形成的中間物質(zhì)能夠產(chǎn)生自發(fā)輻射，這些輻射主要來源于三個(gè)方面[8]：高溫下固體顆粒產(chǎn)生的連續(xù)黑體輻射；穩(wěn)定氣體分子受高溫激發(fā)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動輻射；激發(fā)態(tài)自由基(OH*、CH*、C2*等)躍遷回基態(tài)釋放光子產(chǎn)生的特征輻射(化學(xué)發(fā)光)?；诨瘜W(xué)發(fā)光輻射的光學(xué)診斷技術(shù)是一種效率高且發(fā)展迅速的非接觸式火焰監(jiān)測方法。通過CCD 相機(jī)結(jié)合相應(yīng)的帶通濾光片可實(shí)現(xiàn)火焰自由基(如OH*、CH*、C2*)特征輻射信息的采集，進(jìn)而獲得火焰的結(jié)構(gòu)特性和特征參數(shù)?；鹧嬷凶杂苫椛鋸?qiáng)度信息表征火焰燃燒狀態(tài)已廣泛應(yīng)用于火焰診斷中。OH*、CH*輻射強(qiáng)度可用于表征火焰鋒面與結(jié)構(gòu)形態(tài)[9-10]、熱釋放速率[11]、氧燃當(dāng)量比[12]、燃料種類[13]等。周瑩等[14]在討論自由基化學(xué)發(fā)光特性在火焰光譜診斷的應(yīng)用時(shí)，指出OH*和CH*的化學(xué)發(fā)光可以實(shí)現(xiàn)基于圖像處理的火焰結(jié)構(gòu)表征。利用OH*和CH*化學(xué)發(fā)光特征可實(shí)現(xiàn)層流和湍流反擴(kuò)散火焰(IDF)中雙火焰結(jié)構(gòu)的可視化[15-16]。Escudero等[17]對乙烯層流反擴(kuò)散火焰中氧指數(shù)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過CH*自由基的自發(fā)輻射表征火焰高度，發(fā)現(xiàn)火焰高度隨氧指數(shù)的增加而降低。Zhou等[18]通過不同工況下OH*和CH*輻射特性研究了CH4/O2反擴(kuò)散舉升火焰的穩(wěn)定性。研究表明，OH*化學(xué)發(fā)光在火焰根部產(chǎn)生，沿傳播方向急劇增加。隨著氧氣氣體速度的增加，火焰變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致OH*徑向尺寸減小，反應(yīng)區(qū)靠近中心軸。Zhu等[19]采用數(shù)值模擬的方法，研究了CO 和H2加入對OH*化學(xué)發(fā)光特性的影響。發(fā)現(xiàn)在反擴(kuò)散火焰中，OH*化學(xué)發(fā)光主要集中在火焰下游區(qū)域的中心軸線處。且隨著氧燃當(dāng)量比的增加，OH*化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度逐漸減小，OH*強(qiáng)度峰值位置逐漸由火焰下游向上游移動。Yang 等[20]研究了不同氧燃當(dāng)量比和CO2稀釋氧化劑下，OH*和CH*在CH4/O2擴(kuò)散火焰中的化學(xué)發(fā)光分布。發(fā)現(xiàn)氧燃當(dāng)量比和CO2稀釋水平的變化對CH*層的形狀和厚度沒有明顯的影響。

許多研究已經(jīng)涉及反擴(kuò)散火焰的燃燒特性及相關(guān)機(jī)理，但針對氧化劑稀釋條件下反擴(kuò)散火焰燃燒特性的光譜診斷研究尚未完善。本研究將通過光譜成像系統(tǒng)探討不同CO2稀釋水平和氧燃當(dāng)量比下甲烷/氧氣反擴(kuò)散火焰的OH*、CH*的化學(xué)發(fā)光分布特性及火焰的結(jié)構(gòu)特性，得到不同工況下以O(shè)H*、CH*輻射分布表征的火焰二維反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)變化，并進(jìn)一步分析CO2稀釋量和氧燃當(dāng)量比對火焰OH*、CH*分布特性的影響。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)原理及裝置

試驗(yàn)平臺如圖1 所示，主要由燃燒器系統(tǒng)、高分辨率CCD 相機(jī)成像系統(tǒng)和光纖光譜儀等組成。燃燒器系統(tǒng)主要由同軸三通道噴嘴及其附件組成。噴嘴為同軸射流結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部構(gòu)造與Yang 等[21]的噴嘴結(jié)構(gòu)相似，中心通道為氧化劑通道，直徑為4 mm，中間環(huán)隙為燃料通道，內(nèi)徑分別為5 mm 和7 mm，外環(huán)隙通入Ar 以隔絕外界空氣，避免其對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。以純甲烷(純度＞99.9%)作為燃料，純氧(純度＞99.9%)或者CO2稀釋后的氧氣為氧化劑，流量均由Brankhorst 質(zhì)量流量計(jì)(F-201CB)調(diào)節(jié)和控制。

圖1 火焰化學(xué)發(fā)光檢測平臺Fig.1 Flame chemiluminescence detection platform

OH*和CH*的二維分布通過高分辨率CCD 相機(jī)成像系統(tǒng)獲得。該成像系統(tǒng)由CCD 相機(jī)(FLI e2v CCD 47-10)和帶有3 個(gè)帶通濾波片的紫外石英透鏡組成。相機(jī)的分辨率為1056×1027，光譜響應(yīng)范圍為200～1100 nm。該相機(jī)帶有制冷系統(tǒng)，以保證CCD傳感器及相關(guān)電子元件溫度低于-10℃，以最大程度降低暗電流影響。帶通濾波片的中心波長分別為310、430和455 nm，半高峰寬均為10 nm。試驗(yàn)中的火焰均為層流軸對稱火焰，燃燒過程相對穩(wěn)定，取25 幅圖像的平均值作為該工況下的試驗(yàn)值。該試驗(yàn)值為視線方向的積分值，需進(jìn)行Abel 反卷積處理[22]，得到火焰空間內(nèi)某一截面的真實(shí)輻射強(qiáng)度。本研究選取火焰的右半部分進(jìn)行討論和分析。

光纖光譜儀(SE2030-50-DUVN)主要用于采集火焰的發(fā)射光譜曲線。其狹縫寬度為50 μm，光纖探頭直徑為3 mm，工作距離為50 mm。光譜響應(yīng)范圍為200～1000 nm，可用于紫外波段和可見光波段的光譜測量。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)控制甲烷流量恒定(0.50 L·min-1)，改變氧氣流量以調(diào)節(jié)當(dāng)量比，另外改變氧化劑中CO2的體積分?jǐn)?shù)探究不同CO2稀釋水平對火焰特性的影響，具體操作工況條件如表1 所示。其中，Q、U分別為氣體的體積流量與出口氣速，X為氧化劑中稀釋劑的體積分?jǐn)?shù)，λ為火焰氧燃當(dāng)量比，由式(1)計(jì)算：

表1 試驗(yàn)工況條件Table 1 Experimental conditions

其中，[O/C]a是由實(shí)際甲烷、氧氣流量計(jì)算得到的氧碳比;[O/C]s是甲烷完全燃燒時(shí)的化學(xué)計(jì)量氧碳比。

1.3 OH*、CH*輻射發(fā)光表征

圖2 為反擴(kuò)散火焰自發(fā)輻射光譜曲線圖。OH*化學(xué)發(fā)光特征峰在310 nm 波段附近，CH*化學(xué)發(fā)光特征峰在430 nm 波段附近。碳?xì)鋽U(kuò)散火焰燃燒時(shí)產(chǎn)生碳煙顆粒。而碳煙顆粒連續(xù)輻射會影響化學(xué)發(fā)光的測量[23-24]。除了碳黑輻射，燃燒過程也會產(chǎn)生CO2*，高溫下CO2*輻射表現(xiàn)為391～543 nm 波段之間的連續(xù)光譜[25]。Lauer 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，CO2*產(chǎn)生的背景輻射最高可占430 nm 處總輻射強(qiáng)度的40%。由圖2 可得，CH*的化學(xué)發(fā)光受背景輻射影響較大，其背景輻射與455 nm 波段的輻射量大致相同[27]。本研究采用455 nm 的輻射總量替代背景輻射量，并利用圖像法進(jìn)行扣除，以此得到CH*化學(xué)發(fā)光真實(shí)強(qiáng)度。Guiberti 等[28]通過裝有455 nm 濾光片的ICCD相機(jī)采集的光譜信息證明了這種推定CH*圖像背景輻射方法的可靠性。OH*化學(xué)發(fā)光受背景輻射影響較小[29]。選取不同條件下OH*輻射峰值的5.0%作為反應(yīng)區(qū)的邊界閾值[30]，在OH*輻射強(qiáng)度低于該閾值的區(qū)域內(nèi)，認(rèn)為無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。CH*邊界處理方法與OH*邊界處理方法相同。

圖2 反擴(kuò)散火焰自發(fā)輻射光譜曲線圖Fig.2 Inverse diffusion flame photometry graph

2 結(jié)果討論與分析

2.1 稀釋劑對OH*輻射強(qiáng)度分布的影響

OH*輻射能夠用于表征火焰的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)[31]。圖3 為甲烷流量為0.5 L·min-1工況下，不同當(dāng)量比(λ)條件下火焰的OH*二維輻射分布圖。圖中z為豎直方向高度，r為火焰橫截面的徑向長度。由圖3可知，火焰結(jié)構(gòu)隨著當(dāng)量比的增加而發(fā)生明顯變化?；鹧嬷行妮S處(圖3 中紅色虛線邊框)中空面積隨著當(dāng)量比的增大逐漸擴(kuò)大，火焰逐漸中空，與Zhou 等[18]的模擬結(jié)果一致。這是由于中心通道氧化劑流速增加導(dǎo)致。中空面積增大的同時(shí)，軸線處出現(xiàn)少量OH*富集現(xiàn)象，說明核心反應(yīng)區(qū)部分OH*擴(kuò)散到中心通道。

將火焰反應(yīng)區(qū)的高度定義為噴嘴出口至火焰下游OH*輻射消失位置間的距離。由圖3 可得，甲烷流量固定時(shí)，隨著氧燃當(dāng)量比的增加，火焰反應(yīng)區(qū)的軸向高度呈先增大后減小的變化趨勢。無稀釋火焰反應(yīng)區(qū)軸向高度于λ=1.0 時(shí)達(dá)到峰值。這是由于在富燃條件下，甲烷火焰反應(yīng)區(qū)軸向高度與氧氣流量存在線性增加關(guān)系[5]。在貧燃條件下，甲烷流量流速不變，熱釋放速率不變，大部分燃料在火焰上游發(fā)生反應(yīng)，且隨著中心通道流速的增加，徑向擴(kuò)散作用增強(qiáng)，核心反應(yīng)區(qū)反應(yīng)更加強(qiáng)烈，被氣流攜帶至火焰下游的燃料越來越少，導(dǎo)致火焰軸向高度逐漸降低。

圖3 不同當(dāng)量比火焰的OH*輻射強(qiáng)度二維分布Fig.3 Two-dimensional OH*radiation intensity distribution of flames with different equivalence ratios

火焰反應(yīng)區(qū)中OH*輻射發(fā)光最強(qiáng)的光學(xué)薄面為火焰鋒面，該平面將火焰在空間上分為還原區(qū)和氧化區(qū)兩個(gè)區(qū)域。實(shí)際情況下火焰鋒面具有一定的厚度，這是因?yàn)槿剂虾脱趸瘎┑姆磻?yīng)速率不可能無限快，存在一定量的氧化劑或者燃料越過火焰鋒面發(fā)生燃燒反應(yīng)。圖3 中可以看出，火焰鋒面隨著當(dāng)量比的增加逐漸被拉伸，核心反應(yīng)區(qū)逐漸向火焰上游移動并縮小。這是由于隨著當(dāng)量比的增加，中心通道的氧化劑流速增加，氧氣向燃料側(cè)的擴(kuò)散作用增強(qiáng)，火焰上游反應(yīng)強(qiáng)度增加，又因?yàn)榧淄榱髁亢愣?，火焰上游反?yīng)強(qiáng)度的增加導(dǎo)致部分燃料傳輸?shù)交鹧嫦掠?，火焰下游反?yīng)強(qiáng)度降低。這兩種原因?qū)е潞暧^上核心反應(yīng)區(qū)逐漸向火焰上游移動。流速的增加也導(dǎo)致火焰鋒面被拉伸和延長。如表1所示，氧化劑流速隨著當(dāng)量比的增加而增加，氧化劑氣流的夾帶作用增強(qiáng)，使得一部分未反應(yīng)的燃料被攜帶至火焰下游，導(dǎo)致核心反應(yīng)區(qū)面積縮小。

圖4 為當(dāng)量比為1.0 時(shí)，不同體積分?jǐn)?shù)CO2稀釋下，以O(shè)H*輻射分布表征的火焰二維反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)圖。由圖4 可知，XCO2=33.3%時(shí)，火焰由包絡(luò)狀變?yōu)閷ΨQ雙包絡(luò)狀。這是由于氣速增加導(dǎo)致火焰尖端出現(xiàn)開口[32]。氧化劑中稀釋劑體積分?jǐn)?shù)越大，火焰鋒面越窄，火焰越細(xì)長，核心反應(yīng)區(qū)強(qiáng)度逐漸減弱。這說明CO2的添加使OH*濃度降低[33]，對反擴(kuò)散火焰中OH*的形成具有抑制作用。隨著XCO2的不斷增加，部分燃料與氧化劑尚未發(fā)生反應(yīng)便被CO2氣流攜帶至火焰下游，導(dǎo)致火焰上游核心反應(yīng)區(qū)的區(qū)域面積逐漸減小，強(qiáng)度逐漸減弱。XCO2的不斷增加導(dǎo)致氧化劑流速增加，使得火焰鋒面被拉伸。

圖4 當(dāng)量比為1.0時(shí)CO2稀釋下的OH*輻射強(qiáng)度分布圖Fig.4 Distribution of OH*radiation intensity under CO2 dilution when the equivalence ratio is 1.0

2.2 稀釋劑對CH*輻射強(qiáng)度分布的影響

CH*作為甲烷熱解生成的自由基，與點(diǎn)火密切相關(guān)，是反應(yīng)區(qū)起始點(diǎn)的指標(biāo)[34]。圖5為甲烷流量為0.5 L·min-1工況下，不同當(dāng)量比下火焰的CH*二維輻射分布圖。由圖5 可知，隨著當(dāng)量比的增加，CH*的核心反應(yīng)區(qū)位置和火焰形狀并未隨當(dāng)量比變化而明顯變化。說明與OH*表征火焰反應(yīng)區(qū)相比，CH*不適合表征火焰整體輪廓。但核心反應(yīng)區(qū)強(qiáng)度隨當(dāng)量比增大而變強(qiáng)，說明越來越多的甲烷被消耗。對比圖3發(fā)現(xiàn)，相比于OH*層，CH*層是一個(gè)薄反應(yīng)層。

圖5 不同當(dāng)量比火焰的CH*輻射強(qiáng)度二維分布Fig.5 Two-dimensional CH*radiation intensity distribution of flames with different equivalence ratios

圖6 為當(dāng)量比為1.0 時(shí)，以CH*輻射分布表征的不同體積分?jǐn)?shù)CO2稀釋火焰二維反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)圖。XCO2的增加導(dǎo)致CH*的二維分布發(fā)生顯著變化。隨著XCO2的增加，核心反應(yīng)區(qū)強(qiáng)度逐漸減弱，面積逐漸減小，火焰明顯被拉伸并靠近中央軸線。由表1 可知，XCO2的增加導(dǎo)致氧化劑通道氣體流速增加，加強(qiáng)了環(huán)空通道內(nèi)甲烷的夾帶，同時(shí)氧氣分壓的降低使得氧氣擴(kuò)散系數(shù)減小，從而核心反應(yīng)區(qū)面積和強(qiáng)度減小。當(dāng)XCO2逐漸增大時(shí)，火焰根部由附著在噴嘴尖端逐漸向上移動，出現(xiàn)舉升現(xiàn)象。

圖6 當(dāng)量比為1.0時(shí)CO2稀釋下的CH*輻射強(qiáng)度分布Fig.6 Distribution of CH*radiation intensity under CO2 dilution when the equivalent ratio is 1.0

2.3 反應(yīng)區(qū)峰值強(qiáng)度及位置變化

氧燃當(dāng)量比是燃燒系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，也是火焰多種特性的影響因素[35]。當(dāng)量比對OH*和CH*輻射強(qiáng)度的影響較大。圖7 為不同氧燃當(dāng)量比下，OH*和CH*的峰值強(qiáng)度圖。隨著當(dāng)量比的增大，OH*峰值強(qiáng)度呈指數(shù)型下降，CH*峰值強(qiáng)度線性增加。

圖7 CH*和OH*峰值強(qiáng)度隨當(dāng)量比的變化Fig.7 CH*and OH*peak intensity with different equivalence ratios

圖8 為無稀釋條件下峰值位置變化圖。由圖8(a)可得，隨著當(dāng)量比的增加，CH*的峰值位置幾乎不變，穩(wěn)定在噴嘴出口上方0.5 mm 處。OH*的峰值位置隨著當(dāng)量比的增加出現(xiàn)驟降。由圖8(b)可得OH*核心反應(yīng)區(qū)分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。Ⅰ區(qū)為完全反應(yīng)核心區(qū)，Ⅱ區(qū)為根部核心反應(yīng)區(qū)[36]。隨著氧燃當(dāng)量比的增加，核心反應(yīng)區(qū)Ⅰ逐漸消失，核心反應(yīng)區(qū)Ⅱ逐漸增強(qiáng)，Ⅰ區(qū)的消失導(dǎo)致OH*峰值位置驟降。

圖8 CH*和OH*輻射強(qiáng)度峰值位置隨當(dāng)量比的變化Fig.8 CH*and OH*peak radiation intensity positions with various equivalence ratios

2.4 火焰截面拉伸變化分析

火焰拉伸變化能反映火焰鋒面和火焰結(jié)構(gòu)的特性?；鹧娴男螒B(tài)和結(jié)構(gòu)是反映火焰燃燒狀態(tài)最直觀的表現(xiàn)形式，對火焰的傳播和輻射特性有著顯著影響[37]。為了更好地表征火焰二維分布的拉伸，定義火焰縱橫比為火焰軸向高度與火焰最大厚度之比?；鹧婧穸炔捎枚S分布圖中OH*徑向分布中兩個(gè)邊界閾值的間距[21]。圖9(a)為無稀釋工況下，OH*、CH*火焰縱橫比變化。未稀釋條件下，OH*火焰縱橫比隨當(dāng)量比增加而逐漸增加。這表明當(dāng)量比的增加導(dǎo)致火焰被軸向拉伸。貧燃條件下比富燃條件下火焰拉伸更為明顯。而隨著當(dāng)量比增加，CH*火焰縱橫比幾乎不變。說明無論是貧燃還是富燃條件下，CH*火焰主要反應(yīng)區(qū)并不會隨著氣流速度或者當(dāng)量比的增加而被軸向拉伸。圖9(b)為CO2稀釋下OH*、CH*火焰截面拉伸變化。隨著稀釋劑體積分?jǐn)?shù)的增加，OH*火焰縱橫比先上升后下降，之后又呈上升趨勢。出現(xiàn)這種趨勢的原因是當(dāng)稀釋體積分?jǐn)?shù)XCO2從28.6%增加到33.3%時(shí)，火焰結(jié)構(gòu)由包絡(luò)狀變?yōu)閷ΨQ雙包絡(luò)狀，火焰尖端附近無OH*生成，造成火焰軸向高度降低，火焰縱橫比減小。而CH*火焰縱橫比隨XCO2的增加而逐漸增加。對比稀釋和無稀釋工況下的火焰拉伸，CO2稀釋對CH*火焰縱向拉伸的影響更大。

圖9 火焰縱橫比隨氧燃當(dāng)量比及CO2稀釋水平變化Fig.9 Flame aspect ratio under different oxygen-fuel equivalence ratios and CO2 dilution levels

2.5 火焰面積變化分析

火焰面積是表征火焰存在與否及著火時(shí)間的重要依據(jù)[38-39]，反映了火焰的表觀尺寸。計(jì)算不同工況下火焰面積，如圖10所示。圖10(a)為不同當(dāng)量比下OH*、CH*火焰面積變化。無稀釋工況下，OH*火焰面積隨當(dāng)量比增加呈先上升后下降趨勢，并在當(dāng)量比為0.9～1.0 時(shí)達(dá)到峰值。CH*火焰面積隨著當(dāng)量比的增加小幅減小。這是由于火焰形狀受Peclet數(shù)的影響[40]。當(dāng)量比小于1.0時(shí)，Peclet數(shù)主要受對流作用影響，隨著當(dāng)量比的增加，中心通道氣速逐漸增加，Peclet 數(shù)增加，OH*火焰軸向高度增加，火焰面積增加。當(dāng)量比大于1.0 時(shí)，Peclet 數(shù)主要受擴(kuò)散系數(shù)影響。隨著當(dāng)量比的增加，溫度升高引起擴(kuò)散系數(shù)增加，Peclet 數(shù)減小，徑向擴(kuò)散作用增強(qiáng)，OH*火焰軸向高度減小，火焰面積減小。

圖10(b)為不同CO2稀釋水平下OH*、CH*火焰面積變化。在CO2稀釋條件下，隨著XCO2的增加，OH*火焰面積逐漸減小，CH*火焰面積逐漸增大。這表明，CO2的拉伸作用能顯著增加CH*火焰面積。CH*火焰面積對CO2的稀釋敏感性高，更適合作為監(jiān)測CO2濃度的表征手段。

圖10 OH*、CH*火焰面積隨氧燃當(dāng)量比及CO2稀釋水平變化Fig.10 Flame area under different oxygen-fuel equivalence ratios and CO2 dilution levels

3 結(jié) 論

本文通過對未稀釋和稀釋氧化劑條件下甲烷/氧氣反擴(kuò)散火焰的化學(xué)發(fā)光特性進(jìn)行研究，得到了不同當(dāng)量比及CO2稀釋劑體積分?jǐn)?shù)下反擴(kuò)散火焰的OH*、CH*二維分布，并得出以下結(jié)論。

(1) 氧燃當(dāng)量比和CO2稀釋氧化劑均會造成反擴(kuò)散火焰核心反應(yīng)區(qū)強(qiáng)度及位置的變化。當(dāng)量比的增加會使OH*分布逐漸向火焰上游移動，強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系減小，CH*分布基本不變，強(qiáng)度呈線性關(guān)系增大。CO2稀釋下OH*和CH*強(qiáng)度均變小。當(dāng)量比的增加使OH*峰值位置出現(xiàn)驟降，表明OH*核心反應(yīng)區(qū)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移。

(2) OH*火焰縱橫比和CH*火焰縱橫比分別表征OH*分布和CH*分布縱向拉伸情況。當(dāng)量比的增加和CO2的稀釋均會造成OH*分布被縱向拉伸，且拉伸到一定程度時(shí)，OH*火焰頂端出現(xiàn)開口，二維分布由包絡(luò)狀變?yōu)閷ΨQ包絡(luò)狀。CO2稀釋是造成CH*分布被拉伸的主要原因，當(dāng)量比的增加幾乎不改變CH*二維分布。

(3)火焰截面面積受Peclet 數(shù)影響，且OH*火焰面積大于CH*火焰面積。隨著當(dāng)量比的增加，OH*火焰面積先增大后減小，在當(dāng)量比為1.0 左右時(shí)達(dá)到面積峰值。CO2稀釋下OH*火焰面積持續(xù)減小。CH*火焰面積隨當(dāng)量比增加逐漸減小，隨CO2稀釋體積分?jǐn)?shù)增加而逐漸增大。