王 巖， 王寶瑞*， 王 岳

1. 中國科學(xué)院輕型動力創(chuàng)新研究院， 北京 100190

2. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)實驗室， 北京 100190

3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

引 言

甲烷是天然氣的主要成分， 也是最為常見的一種烴類燃料, 是燃?xì)廨啓C(jī)、 火箭發(fā)動機(jī)等能源和動力設(shè)備的燃料。 研究甲烷的燃燒特性對提高燃燒效率、 降低污染排放有著重要的作用。 同時， 甲烷預(yù)混火焰燃燒方式是最主要的低污染燃燒方式[1]， 隨著預(yù)混火焰燃燒技術(shù)的普及， 利用層流火焰深入研究其基礎(chǔ)特性具有重要的意義。

高光譜技術(shù)是成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合， 能夠獲取目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜信息。 相對于其他測量技術(shù)， 高光譜技術(shù)具有獲取信息數(shù)量多， 信息分辨率高等優(yōu)點。 高光譜技術(shù)廣泛應(yīng)用于遙感、 污染檢測、 軍事活動等領(lǐng)域， 但較少應(yīng)用于燃燒領(lǐng)域。 20世紀(jì)80年代， 第一幅高光譜影像的獲得， 象征著高光譜時代的到來。 20世紀(jì)末， 高光譜衛(wèi)星被成功研制出來， 被譽(yù)為是20世紀(jì)遙感領(lǐng)域的最偉大的成就之一。 高光譜數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域[2]。 美國Rebellion公司利用高光譜成像技術(shù)研發(fā)了氣云成像系統(tǒng)， 用以識別和量化氣體泄漏, 可對50多種烴類氣體進(jìn)行識別。 火焰具有豐富的空間和光譜特性， 高光譜技術(shù)可以充分獲取空間信息和光譜信息， 但目前很少有基于高光譜技術(shù)的燃料燃燒特性研究。

傳統(tǒng)火焰實驗中常用直接成像設(shè)備和光譜儀進(jìn)行燃燒特性的研究。 一般直接成像設(shè)備得到的火焰信息只有灰度信息或者RGB三個通道信息， 光譜信息不充分， 主要獲取火焰的空間信息。 張浪通過ICCD相機(jī)和相應(yīng)濾光片獲取OH*和CH*的化學(xué)發(fā)光圖像， 得出OH*主要分為三個燃燒區(qū)域， CH*分布主要為兩個燃燒區(qū)域， 并且得到了自由基的濃度分布云圖[3]。 傳統(tǒng)光譜儀可以充分獲取光譜信息， 但是只能逐點測量， 不能充分獲取空間信息， Ayranci使用FTIR紅外光譜儀獲取1.1～1.7 μm波段內(nèi)火焰輻射能量， 在光學(xué)薄假設(shè)下， 對乙烯擴(kuò)散火焰溫度和煙黑顆粒體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計算, 得到了較為精確的結(jié)果[4]。 除了用直接成像設(shè)備和光譜儀對燃燒特性進(jìn)行診斷， 基于激光散射或激發(fā)光譜技術(shù)的粒子圖像速度場儀(particle image velocimetry, PIV)、 平面激光誘導(dǎo)熒光(planar laser induced fluorescence, PLIF)也是常用的燃燒光學(xué)測量技術(shù)。

嚴(yán)浩通過對OH*與CH2O雙組分進(jìn)行同步PLIF測量， 獲得了不同工況下燃燒室反應(yīng)區(qū)以及預(yù)熱區(qū)的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)信息， 進(jìn)一步研究了航空發(fā)動機(jī)的旋流燃燒室模型在貧燃狀態(tài)下的工作特性[5]。 基于激光的測量技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)控火焰燃燒狀態(tài)， 但激光散射或激發(fā)光譜技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高， 不易應(yīng)用于惡劣的燃燒環(huán)境[6], 且外加的激光光源會對火焰造成干擾， 因此目前基于化學(xué)自發(fā)光的方法越來越受人們重視[7]。 利用高光譜技術(shù)對火焰燃燒特性的相關(guān)研究不多， He利用基于壓縮感知的高光譜技術(shù)對甲烷/空氣火焰在不同當(dāng)量比下的自由基化學(xué)發(fā)光發(fā)射率進(jìn)行了測量， 結(jié)果表明發(fā)射率與當(dāng)量比的相關(guān)性較好, 該技術(shù)基于壓縮感知的單次高光譜成像， 可以快速獲取火焰信息[8]。 柳華蔚采用高光譜成像設(shè)備拍攝四種空氣工況乙烯層流擴(kuò)散火焰輻射圖像， 迭代計算火焰內(nèi)部溫度、 吸收系數(shù)和煙黑顆粒體積分?jǐn)?shù)分布[9]， 研究中使用乙烯火焰， 是因為乙烯火焰中能夠產(chǎn)生相對更多的煙黑， 從而使用黑體模型， 該方法卻不易應(yīng)用于甲烷火焰， 并且在預(yù)混火焰中煙黑更少。

1 實驗部分

1.1 燃燒系統(tǒng)和高光譜設(shè)備

實驗利用本生燈構(gòu)造層流甲烷預(yù)混火焰， 實驗裝置示意圖如圖1所示， 使用的氣態(tài)甲烷在一個10 L的氣罐中加壓， 空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生0.7 MPa壓力的空氣。 燃燒器為軸對稱預(yù)混燃燒器， 在收縮噴管出口處產(chǎn)生穩(wěn)定的錐形層流預(yù)混火焰， 其出口直徑為10 mm， 收縮比是2.25。 燃料的噴注采用雙孔對噴的方式， 以達(dá)到燃料噴注后迅速與空氣混合均勻的目的， 避免濃度分層產(chǎn)生的誤差影響實驗結(jié)果。

圖1 實驗裝置示意圖

采用GaiaField Pro-V10高光譜儀采集火焰輻射光譜信息， 光譜儀集成高性能數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)， 無需外接計算機(jī)。 其波長覆蓋范圍是400～1 000 nm， 光譜通道數(shù)為176， 數(shù)據(jù)格式為16位無符號整型(0-65535)； 內(nèi)置CCD探測器， 可以得到火焰的二維圖像， 以及圖像上每個點的光譜信息， 通過ENVI軟件對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以得到火焰高光譜信息。

1.2 實驗工況

表1 不同當(dāng)量比實驗工況

表2 不同流量實驗工況

1.3 火焰實驗點的選擇

圖2為甲烷層流預(yù)混火焰的RGB圖像(RGB分別用光譜通道中的700， 550和470 nm作為近似)， 為了使選取的位置具有代表性， 實驗選取火焰面上的最高點火焰頂部和火焰高度一半位置的火焰中心為研究點。 在軸對稱火焰條件下， 預(yù)混火焰面最高點受到火焰面內(nèi)部的輻射影響最?。?同時火焰的中心在理論上不存在光線偏折， 能更好的體現(xiàn)火焰面的輻射特性， 因此選定這兩點在不同工況下的高光譜輻射特性來研究甲烷層流預(yù)混火焰自由基的輻射特性。

圖2 火焰圖像

2 結(jié)果與討論

2.1 甲烷層流預(yù)混火焰光譜特性

研究了甲烷預(yù)混火焰的整體輻射特性。 圖3為當(dāng)量比為1的甲烷預(yù)混火焰在波長400～1 000 nm的輻射曲線和基于黑體輻射定律的輻射曲線對比圖， 甲烷火焰輻射曲線包括火焰中心處、 火焰面內(nèi)、 燃燒區(qū)域內(nèi)輻射曲線， 其中火焰面內(nèi)、 燃燒區(qū)域內(nèi)輻射強(qiáng)度是將區(qū)域內(nèi)所有點的強(qiáng)度累加后做平均化處理, 相當(dāng)于將火焰面內(nèi)和整個燃燒區(qū)域當(dāng)作一個點而形成的光譜， 平均化之后的光譜仍然保留了主要光譜特征。 從圖3中可以看出， 黑體輻射定律不再適用于甲烷預(yù)混火焰， 輻射定律擬合的曲線隨波長呈上升趨勢， 而甲烷預(yù)混火焰的輻射曲線在特定波長范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值， 在其他波長范圍內(nèi)變化平穩(wěn)， 因此需要深入研究甲烷預(yù)混火焰輻射特性為完善傳統(tǒng)輻射模型提供理論基礎(chǔ)。

圖3 理論黑體輻射分布和實驗光譜分布對比

圖4 當(dāng)量比為0.85和1.15火焰中心處的光譜圖

2.2 當(dāng)量比對自由基輻射強(qiáng)度的影響

在預(yù)混條件下固定空氣流量， 調(diào)節(jié)甲烷流量來改變當(dāng)量比， 當(dāng)量比變化范圍從0.79～1.28， 圖5為不同當(dāng)量比甲烷火焰的輻射強(qiáng)度三維圖， 波段范圍為400～1 000 nm； 從圖中可以看出， 隨著當(dāng)量比的變化， 對應(yīng)曲線的峰值高度也在發(fā)生變化， 自由基的輻射強(qiáng)度都經(jīng)歷了先變大后減小的變化， 不同當(dāng)量比的曲線也會出現(xiàn)不同的峰值特性， 當(dāng)量比大于1時， 在波長為554 nm處出現(xiàn)了C類自由基， 而當(dāng)量比小于1時不會出現(xiàn)這些峰值。

圖5 不同當(dāng)量比甲烷火焰的輻射強(qiáng)度三維圖

圖6 自由基輻射強(qiáng)度隨當(dāng)量比的變化

圖7 火焰中心處和燃燒區(qū)域內(nèi)與當(dāng)量比的關(guān)系

圖和CH*自由基輻射強(qiáng)度比值云圖

2.3 甲烷及空氣總流量對自由基輻射強(qiáng)度的影響

上述實驗探究了空氣流量固定， 甲烷流量增加時自由基輻射強(qiáng)度的變化， 為了進(jìn)一步探究甲烷和空氣流量對火焰和自由基分布的影響， 保持當(dāng)量比不變， 同時增加甲烷和空氣的流量(層流狀態(tài)下)， 探究不同流量下火焰和自由基濃度分布的規(guī)律。

圖9 CH*和C2*自由基相對輻射強(qiáng)度分布圖

圖10 不同流量甲烷火焰的輻射強(qiáng)度三維圖

圖11 不同流量時的火焰頂部和火焰中心的自由基輻射強(qiáng)度

3 結(jié) 論

利用高光譜研究了不同燃燒狀態(tài)下甲烷預(yù)混火焰的總體光譜特性和自由基的輻射強(qiáng)度分布。 通過甲烷預(yù)混火焰自由基的輻射強(qiáng)度隨當(dāng)量比和流量的變化測量, 分析了輻射特性及其與火焰的燃燒狀態(tài)的關(guān)系， 結(jié)果表明：

(1)甲烷層流預(yù)混火焰擁有豐富的化學(xué)發(fā)光光譜。 高光譜測量可以識別出了火焰中的主要自由基， 為甲烷GRI詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的完善提供了更多參考。 通過光譜的比較表明， 基于傳統(tǒng)黑體輻射的模型不適用于甲烷層流預(yù)混火焰在可見光范圍內(nèi)的光譜分布, 這些結(jié)果為燃燒輻射模型的完善提供了基礎(chǔ)。

(3)分析了不同當(dāng)量比下的甲烷預(yù)混火焰自由基光譜。 結(jié)果表明， 當(dāng)量比的變化同時影響自由基的種類和輻射強(qiáng)度， 主要有以下規(guī)律：

② CH*自由基輻射強(qiáng)度在當(dāng)量比為1.01時達(dá)到峰值。 當(dāng)量比1代表完全反應(yīng)， 且CH*是重要的自由基， 因此可以用CH*的相對強(qiáng)度表征火焰中燃燒反應(yīng)的強(qiáng)度。

本研究從技術(shù)應(yīng)用和火焰特性分析的角度為燃燒領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了參考。 下一步擬利用軸對稱模型定量化研究火焰內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 未來將應(yīng)用于工程化的湍流火焰。