王紹杰，顧明明，齊?飛，劉訓(xùn)臣

基于吸收光譜方法的平面非預(yù)混Hencken火焰多參數(shù)測(cè)量

王紹杰，顧明明，齊?飛，劉訓(xùn)臣

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

Hencken爐可以產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的平面火焰，常被用作各種激光診斷技術(shù)的標(biāo)定．本研究設(shè)計(jì)制造了一種適用于吸收光譜測(cè)量的Hencken平面爐，利用CO2在4.2mm帶頭位置吸收峰的高溫敏感性，采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)研究了Hencken爐所產(chǎn)生平面火焰的燃燒特性．本研究采用DME作為燃料，同時(shí)測(cè)量了Hencken爐火焰溫度及CO2體積分?jǐn)?shù)的二維分布．當(dāng)空氣/燃料流速與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣认喈?dāng)時(shí)，DME平面Hencken火焰軸向存在溫度、產(chǎn)物濃度穩(wěn)定區(qū)．當(dāng)火焰燃燒穩(wěn)定時(shí)，在此區(qū)域內(nèi)火焰溫度、產(chǎn)物濃度保持不變并接近絕熱火焰工況．

Hencken平面火焰；二甲醚；TDLAS；火焰溫度

激光燃燒診斷技術(shù)基于激光與火焰中特定分子的相互作用，通過(guò)測(cè)量吸收、發(fā)射或散射等過(guò)程，研究燃燒流場(chǎng)中的溫度、組分濃度等重要物理量，在燃燒研究中的應(yīng)用十分廣泛．盡管諸如HITRAN等光譜數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)日漸完善，無(wú)須標(biāo)定即可進(jìn)行測(cè)量[1]，許多激光燃燒診斷技術(shù)仍需要特定的標(biāo)準(zhǔn)火焰作為其測(cè)量的標(biāo)定源，所以標(biāo)準(zhǔn)火焰的質(zhì)量在很大程度上會(huì)影響激光燃燒診斷技術(shù)測(cè)量的精度．用于定量標(biāo)定溫度、組分濃度等標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)火焰應(yīng)該具備層流、穩(wěn)定、近似絕熱、溫度和組分濃度便于預(yù)測(cè)等特點(diǎn)[2]．標(biāo)準(zhǔn)火焰常以層流平面火焰形式出現(xiàn)．最常見(jiàn)的產(chǎn)生平面火焰的裝置是McKenna[3]火焰爐，目前大量研究已從中得到了許多重要的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型數(shù)據(jù)以及光譜測(cè)量數(shù)據(jù)[4-7]．但是，由于McKenna爐采用預(yù)混氣作為燃料，火焰穩(wěn)定于爐面，爐體中的冷卻水使得火焰溫度低于絕熱火焰溫度，又因?yàn)镸ckenna爐表面泡沫金屬的限制使得燃料流速變化范圍不大，其作為標(biāo)準(zhǔn)火焰有著許多限制．例如Prucker等[3]采用CARS(連續(xù)反斯托克斯拉曼散射)方法利用N2光譜測(cè)得McKenna爐所產(chǎn)生火焰溫度與絕熱火焰溫度有偏差．同時(shí)McKenna爐由于當(dāng)量比限制，溫度調(diào)節(jié)范圍比較狹窄．Hencken爐產(chǎn)生的平面火焰是另一種常用的標(biāo)準(zhǔn)火焰，Hancock等[8]采用CARS方法測(cè)量Hencken火焰溫度，其測(cè)量結(jié)果與化學(xué)平衡計(jì)算的絕熱火焰溫度基本吻合．Ombrello等[9]在研究低壓下Hencken火焰時(shí)發(fā)現(xiàn)，低壓環(huán)境下火焰吹脫爐體表面，但仍保持一維層流結(jié)構(gòu)以及絕熱狀態(tài)，非常適合平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)、粒子圖像測(cè)速(PIV)等技術(shù)的測(cè)量．因此，相比之下Hencken火焰更適合于火焰溫度的燃燒診斷標(biāo)定．目前Hencken火焰在激光燃燒診斷方向的應(yīng)用很多．Chai等[10]使用共振增強(qiáng)的CARS方法測(cè)量Hencken火焰中的NO分布，測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致．McCord等[11]也采用Hencken火焰作為一種利用火焰自發(fā)光測(cè)量燃空比的方法的驗(yàn)證火焰，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低壓下采用該方法可以精確測(cè)量燃空比，而在高壓下此方法誤差較大.Kearney[12]也利用(fs/ps)CARS方法測(cè)量Hencken火焰溫度，結(jié)果與絕熱工況計(jì)算結(jié)果一致.

Hencken爐作為標(biāo)定火焰系統(tǒng)時(shí)，最為常用的燃料是氫氣．一個(gè)重要原因是氫氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，在空氣/燃料流量大時(shí)火焰形態(tài)穩(wěn)定且整體散熱較少[13]，其火焰中心溫度可以認(rèn)為等于絕熱火焰溫度．然而，當(dāng)使用TDLAS對(duì)基于H2的標(biāo)準(zhǔn)平面火焰進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通常只能以H2O作為待測(cè)組分，測(cè)量過(guò)程中會(huì)受到周圍環(huán)境中H2O分子的干擾，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確．二甲醚是一種清潔代用燃料，其成本較H2低廉且獲取方式便利，人們對(duì)其燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、火焰特性也越來(lái)越感興趣．目前，將DME作為Hencken爐燃料時(shí)所產(chǎn)生的平面火焰的溫度、主要燃燒產(chǎn)物濃度分布還未被深入研究．例如Hajilou等[14-16]在研究低壓臭氧助燃冷火焰時(shí)，選用DME作為燃料，但是其測(cè)溫方法是介入式熱電偶測(cè)溫，取樣法測(cè)量物種濃度分布，會(huì)引入很大的誤差．

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)是基本的燃燒診斷方法，具有定量準(zhǔn)確，高頻、高靈敏度[17-18]等特點(diǎn)，常被用于各種火焰及復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)中的溫度、濃度測(cè)量．中紅外吸收光譜相較于近紅外吸收光譜具有吸收強(qiáng)度大、靈敏度高的特點(diǎn)．本文介紹了自制的Hencken平面火焰爐，并采用中紅外TDLAS方法研究如下問(wèn)題：①二甲醚作為Hencken火焰燃料時(shí)的燃燒特性以及空氣、燃料流量對(duì)火焰溫度、CO2濃度分布的影響．②當(dāng)量比對(duì)火焰溫度、CO2濃度分布的影響．③利用TDLAS方法測(cè)量Hencken火焰的整個(gè)穩(wěn)定區(qū)溫度和CO2濃度分布．

1?實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

1.1?Hencken平面火焰爐

自主設(shè)計(jì)制造的Hencken平面火焰爐見(jiàn)圖1．其邊長(zhǎng)為50mm，爐體表面分為兩個(gè)區(qū)域，即中間火焰燃燒區(qū)域和周圍的伴流氣區(qū)域．在中間火焰燃燒區(qū)域，每根燃料管和6個(gè)空氣通道構(gòu)成一個(gè)小的火焰單元，680根內(nèi)徑0.5mm的燃料管從爐體上表面直接與底部腔體相連并與空氣通道隔絕．燃料管的作用是將底部腔體進(jìn)入的氣體燃料導(dǎo)至爐體表面．空氣從燃燒爐中間法蘭處進(jìn)入，通過(guò)燃料管間的空隙并從爐面的空氣孔中流出．因此在爐面出口處，燃料和空氣彼此分隔開(kāi)來(lái)，不存在預(yù)混氣回火的危險(xiǎn)．在燃燒爐上表面形成緊密排布的多個(gè)吹脫的擴(kuò)散火焰并進(jìn)一步組合形成平面火焰．此時(shí)，平面火焰吹脫于爐面，火焰的對(duì)流和熱傳導(dǎo)損失可以忽略，需要考慮的是火焰輻射的熱損失．因此對(duì)于碳煙比較少的火焰，也即是貧燃火焰，可以認(rèn)為火焰溫度接近絕熱火焰溫度．伴流氣從燃燒爐上部腔體側(cè)面進(jìn)入，到達(dá)燃燒爐表面后，從伴流氣區(qū)域的小孔中流出形成保護(hù)氣，防止燃燒爐工作時(shí)周圍氣流對(duì)火焰產(chǎn)生影響．為減小實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差，本實(shí)驗(yàn)中伴流氣采用20L/min(標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘)氮?dú)獗３植蛔儯紵隣t搭建完畢后，首先需要確定穩(wěn)定運(yùn)行所需要的空氣和燃料流量．在平面火焰中，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊扔谖慈細(xì)怏w來(lái)流速度時(shí)火焰處于穩(wěn)定的層流火焰狀態(tài)．

因?yàn)榛鹧嫒紵齾^(qū)域較小且燃燒反應(yīng)迅速，可以認(rèn)為空氣和燃料在脫離爐體上表面后很快反應(yīng)并摻混均勻，所以本文認(rèn)為爐體上表面面積為氣流流通面積并以此計(jì)算來(lái)流速度．根據(jù)文獻(xiàn)[19]，二甲醚的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诋?dāng)量比1.0附近約為40cm/s，對(duì)應(yīng)空氣流量約為55L/min．實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在不同當(dāng)量比條件下層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)有差異，在不同研究中匯報(bào)的層流火焰速度測(cè)量結(jié)果也有偏差[19-21]，同時(shí)當(dāng)Hencken火焰穩(wěn)定后，在軸向上存在一定區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)溫度保持不變[22]，是激光燃燒診斷測(cè)量的主要區(qū)域．為此，需要改變氣流速度找到最合適的空氣流量以及對(duì)應(yīng)的火焰穩(wěn)定區(qū)范圍．

采用表1中實(shí)驗(yàn)工況，相機(jī)拍攝結(jié)果如圖2所示，當(dāng)量比在0.7～1.2范圍內(nèi)，主流空氣流量在20～65L/min范圍時(shí)火焰可以穩(wěn)定在爐體上表面．由工況范圍內(nèi)火焰照片可見(jiàn)，火焰在當(dāng)量比0.7～1.1，空氣流量40～65L/min相對(duì)其他工況更加穩(wěn)定，火焰更均勻．當(dāng)量比小于0.7時(shí)，火焰部分未燃，大于1.1時(shí)火焰抖動(dòng)明顯且底部逐漸產(chǎn)生大范圍吹熄．主流空氣流量小于20L/min火焰不穩(wěn)定同時(shí)局部無(wú)法點(diǎn)燃，大于65L/min時(shí)火焰底部也會(huì)產(chǎn)生局部熄滅，甚至全部熄滅．當(dāng)量比一定時(shí)，增加燃料/空氣總流量，氣流速度逐漸增加，從小于火焰速度到等于火焰?zhèn)鞑ニ俣茸詈蟠笥诨鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?，火焰長(zhǎng)度逐漸增加，火焰先緊貼爐體表面再慢慢升高到逐漸穩(wěn)定，最后再次過(guò)渡到不穩(wěn)定狀態(tài)直至吹脫．主流空氣流量不變，增加當(dāng)量比，火焰底部從局部熄滅、部分燃料管無(wú)火焰，直至整個(gè)方形區(qū)域產(chǎn)生完整的平面火?焰，繼續(xù)增加當(dāng)量比，下游火焰開(kāi)始不穩(wěn)定抖動(dòng)直至?熄滅．

表1?DME-Air火焰測(cè)試工況

Tab.1?Summary of the experimental conditions

圖2?不同工況Hencken爐平面火焰

通過(guò)火焰照片圖2可以看到，當(dāng)量比0.7～0.9以及空氣流量55L/min附近火焰形態(tài)最為穩(wěn)定．當(dāng)主流氣體流過(guò)火焰面后，火焰仍會(huì)出現(xiàn)小幅抖動(dòng)．造成這一現(xiàn)象有兩方面原因，一是氣體經(jīng)過(guò)火焰溫度輻射改變上游氣體溫度導(dǎo)致流速發(fā)生變化．二是火焰并不是理想的柱體，下游氣體向四周擴(kuò)散流通面積發(fā)生變化，導(dǎo)致流速改變．當(dāng)氣體受熱起主導(dǎo)作用，55L/min時(shí)主流流速大于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣然鹧娌环€(wěn)定．當(dāng)氣體擴(kuò)散起主導(dǎo)作用時(shí)，主流流速將小于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋藭r(shí)增加流量會(huì)使火焰更穩(wěn)定．

1.2?直接吸收光譜測(cè)量裝置和原理

圖3?TDLAS實(shí)驗(yàn)裝置

圖4所示是由實(shí)驗(yàn)裝置采集3路信號(hào)后的數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程，通過(guò)原始信號(hào)、背景信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)具信號(hào)可以得到實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)．Hencken爐由兩軸位移臺(tái)控制移動(dòng)，沿軸向掃描時(shí)，保持激光在火焰區(qū)正中心，從爐體上表面每隔0.5mm掃描一個(gè)點(diǎn)．沿橫向掃描時(shí)，從火焰左邊緣開(kāi)始每隔2mm掃描一個(gè)點(diǎn)．

圖4?數(shù)據(jù)預(yù)處理及激光波長(zhǎng)標(biāo)定

常見(jiàn)的吸收峰展寬機(jī)制包括多普勒展寬和壓力展寬，分別對(duì)應(yīng)高斯線型和洛倫茲線型．在燃燒診斷面臨的高溫情況下分子的多普勒展寬和壓力展寬都需要考慮，因此對(duì)兩線型做卷積可以得到Voigt線型，并定義變量為

表2?吸收躍遷相關(guān)參數(shù)

Tab.2?Absorption transition parameters

采用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的吸收率的溫度、濃度進(jìn)行擬合即可得到測(cè)量結(jié)果．圖5是利用HITEMP數(shù)據(jù)庫(kù)中激光器波長(zhǎng)范圍附近的所有吸收峰參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的吸光度進(jìn)行擬合得到的最終測(cè)量結(jié)果，圖中當(dāng)量比為1.0，空氣流量為55L/min，由結(jié)果可以看出，HITEMP數(shù)據(jù)庫(kù)在光譜帶頭以外的區(qū)域擬合效果很好，而在帶頭附近的光譜模型與實(shí)際光譜吸收有差別使得帶頭擬合產(chǎn)生誤差．

圖5?基于HITEMP數(shù)據(jù)庫(kù)光譜擬合結(jié)果

2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1?空氣流量對(duì)火焰穩(wěn)定區(qū)的影響

為研究Hencken爐穩(wěn)定運(yùn)行的最適合空氣流量，圖6(a)展示了在變流量情況下火焰溫度隨軸向高度變化的關(guān)系，圖中不確定度由多次實(shí)驗(yàn)得到．圖中當(dāng)量比為1.0，當(dāng)空氣流量大于等于55L/min時(shí)火焰沿軸向溫度先升高再降低，空氣流量低于55L/min時(shí)火焰溫度沿軸向一直降低．從圖中可以看出，空氣流量大于55L/min時(shí)火焰出現(xiàn)平臺(tái)區(qū)，在平臺(tái)區(qū)內(nèi)火焰溫度變化較小，這是因?yàn)樵跔t體表面，燃料與空氣在短距離內(nèi)逐漸燃燒完全，溫度上升到達(dá)穩(wěn)定值后保持不變，形成穩(wěn)定平臺(tái)區(qū)，隨后火焰向四周傳熱以及對(duì)流換熱使得溫度逐漸降低．當(dāng)空氣流量為55L/min時(shí)，主流氣體流速約等于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，此時(shí)火焰處于最穩(wěn)定狀態(tài)平臺(tái)區(qū)溫度誤差最?。?dāng)流速較低的時(shí)候，火焰向上游傳播，火焰面較低甚至貼近燃料管出口，氣流流經(jīng)反應(yīng)區(qū)后快速消耗，軸向散熱比例逐漸增大，火焰溫度降低．對(duì)于小流量工況，沿著火焰軸向高度越高火焰越不穩(wěn)定，測(cè)得的溫度與平均值的偏差越大，對(duì)于流量較大的工況，其測(cè)量溫度則分布比較密集，這是因?yàn)樵谶@些工況火焰散熱少且更加穩(wěn)定．與氫氣的軸向溫度分布不同，二甲醚層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊蛯?dǎo)致主流流速低，主流沿軸向不斷向四周擴(kuò)散，溫度下降很快使得其火焰穩(wěn)定區(qū)的范圍也較窄．

圖6?空氣流量對(duì)火焰軸向溫度分布的影響

圖7(a)為當(dāng)量比1.0時(shí)，改變空氣流量Hencken火焰軸向的CO2體積分?jǐn)?shù)分布．空氣流量高于40L/min時(shí)均出現(xiàn)濃度分布穩(wěn)定區(qū)．燃料和空氣在爐體表面短距離內(nèi)逐漸燃燒完全，使得CO2濃度逐漸上升達(dá)到穩(wěn)定值，形成平臺(tái)區(qū)，隨后CO2向四周擴(kuò)散，濃度降低．理論上溫度越高，二甲醚燃燒越充分、反應(yīng)越完全，CO2濃度也越高．實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明CO2體積分?jǐn)?shù)與溫度變化是一致的．唯一的區(qū)別是，CO2體積分?jǐn)?shù)分布在低流速(40L/min)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)火焰平臺(tái)區(qū)，這是因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)完全后，溫度降低并不會(huì)消耗CO2，CO2體積分?jǐn)?shù)的降低僅是主流向周圍擴(kuò)散導(dǎo)致的，在低流速(40L/min)下，雖然火焰溫度較低，但已經(jīng)反應(yīng)完全，因此同樣也會(huì)出現(xiàn)火焰平臺(tái)區(qū)．當(dāng)流速過(guò)低時(shí)(20L/min)，燃料還未完全燃燒完畢，CO2體積分?jǐn)?shù)就隨著擴(kuò)散效應(yīng)逐漸降低，因此在軸向上其濃度是始終降低的.

圖7?空氣流量對(duì)軸向CO2體積分?jǐn)?shù)的影響

2.2?穩(wěn)定區(qū)火焰溫度、CO2體積分?jǐn)?shù)

根據(jù)前文可知，空氣流量55L/min時(shí)火焰溫度穩(wěn)定區(qū)高度在20mm附近，故激光測(cè)量高度定為20mm．改變主流當(dāng)量比從0.7～1.2，其中當(dāng)量比變化每間隔0.02增加一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量每個(gè)工況下的光譜數(shù)據(jù)并處理得到溫度和CO2體積分?jǐn)?shù)隨當(dāng)量比變化的結(jié)果．在火焰穩(wěn)定區(qū)，溫度變化和CO2體積分?jǐn)?shù)變化通過(guò)TDLAS測(cè)量得到，而絕熱火焰溫度以及濃度則通過(guò)文獻(xiàn)[25]中的反應(yīng)機(jī)理采用Cantera軟件計(jì)算得到，如圖8所示，其中實(shí)驗(yàn)不確定度由多次實(shí)驗(yàn)得到．在當(dāng)量比0.9以下，火焰溫度與絕熱火焰溫度非常接近，而在高當(dāng)量比時(shí)溫度與絕熱火焰溫度差距較大．可能的原因包括：①低當(dāng)量比時(shí)火焰非常穩(wěn)定，而在高當(dāng)量比時(shí)，富燃導(dǎo)致火焰底部不穩(wěn)定，存在局部熄滅造成溫度降低．②富燃工況存在碳煙的寬譜吸收，由此對(duì)測(cè)量吸收光譜造成干擾，如圖2所示．CO2體積分?jǐn)?shù)分布則在低當(dāng)量比時(shí)與絕熱工況有所差距，而在高當(dāng)量比時(shí)更加接近絕熱火焰工況．

圖8　　軸向高度為20mm時(shí)，TDLAS測(cè)量火焰溫度和CO2體積分?jǐn)?shù)隨當(dāng)量比變化

圖9(a)和(b)分別展示了在當(dāng)量比為1.0的情況下，DME-空氣火焰的二維溫度分布以及在不同高度截面上火焰的橫向溫度分布情況．在測(cè)量范圍內(nèi)火焰溫度較為均勻，但在火焰根部局部溫度較高，這是由于4.2mm激光器光束直徑約為3mm，當(dāng)激光束貼近爐體表面時(shí)，部分激光光源被爐體表面阻擋或者低溫爐體與燃料/空氣換熱導(dǎo)致局部溫度不均勻、激光折射使得探測(cè)器測(cè)得的激光信號(hào)變?nèi)?，不同的爐體表面位置激光光源被阻擋的大小也不同，進(jìn)一步加大了此區(qū)域的測(cè)量誤差．由于吸收光譜方法測(cè)得的是光路徑上的平均溫度，因此火焰橫向溫度分布的不均勻性可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，基于此，如圖9(b)所示，將火焰中間穩(wěn)定區(qū)域溫度作為理論溫度，對(duì)溫度橫向分布曲線積分后得到的平均溫度作為測(cè)量溫度，由理論溫度與測(cè)量溫度的差值可以計(jì)算得到溫度的橫向分布不均勻在20mm高度處會(huì)引入約4.9%的誤差．因?yàn)榛鹧嫜剌S向是收縮的，低溫區(qū)在橫向上范圍增大，計(jì)算得到在40mm高度處火焰橫向溫度分布不均勻會(huì)引入約13.2%的誤差．然而，由于4.2mm激光僅對(duì)高溫敏感，實(shí)際測(cè)量的誤差要小于估計(jì)值．

圖10展示的是火焰二維CO2體積分?jǐn)?shù)分布以及橫向火焰CO2體積分?jǐn)?shù)分布，可以明顯看到，20mm附近范圍內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)分布比較均勻形成穩(wěn)定區(qū)．火焰兩側(cè)形成了高濃度的區(qū)域，與周圍環(huán)境有很大的濃度差，以及擴(kuò)散作用使得CO2體積分?jǐn)?shù)不斷降低．考慮體積分?jǐn)?shù)橫向分布不均勻時(shí)，在20mm處會(huì)產(chǎn)生約7.0%的誤差，而在40mm處會(huì)產(chǎn)生9.7%的誤差．同樣由于4.2μm激光的高溫敏感性，實(shí)際測(cè)量誤差要小于此估計(jì)值．

圖10　　火焰CO2體積分?jǐn)?shù)二維分布及不同高度CO2體積分?jǐn)?shù)橫向分布

3?結(jié)?論

本文基于CO2于4.2mm帶頭附近的吸收峰，采用TDLAS技術(shù)測(cè)量DME作為燃料時(shí)Hencken平面火焰溫度、CO2體積分?jǐn)?shù)分布隨主流流速、當(dāng)量比等的變化．得到的結(jié)論如下：

(1)自制Hencken爐火焰均勻，可以用作激光診斷的標(biāo)定火焰，其50mm吸收距離適合采用吸收光譜方法進(jìn)行測(cè)量．

(2)主流速度約等于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)，Hencken火焰可以產(chǎn)生比較大的平臺(tái)區(qū)，當(dāng)量比為0.7～0.9時(shí)，在此區(qū)域火焰溫度比較均勻，接近絕熱工況，而CO2體積分?jǐn)?shù)則在高當(dāng)量比區(qū)域與絕熱工況接近．

(3)沿Hencken火焰軸向，CO2體積分?jǐn)?shù)變化與火焰溫度變化一致，在軸向高度20mm附近存在穩(wěn)定的平臺(tái)區(qū)，但CO2體積分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定平臺(tái)區(qū)在流速更大的范圍內(nèi)均存在．

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Multi-Parameter Measurement of a Planar Non-Premixed Hencken Flame Based on TDLAS

Wang Shaojie，Gu Mingming，Qi Fei，Liu Xunchen

(School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

Hencken burner can produce a uniform and stable flat flame and is often used as a calibration source for various laser diagnostic techniques. In this research，a home-made Hencken burner was designed and manufactured，which is capable to provide a near-adiabatic flame condition with dimethyl ether(DME)as the fuel. Based on the high temperature sensitivity of CO2absorbance at 4.2μm，the combustion characteristics of Hencken flame were investigated by tunable diode laser absorption spectroscopy. The two-dimensional distributions of flame temperature and CO2concentration were measured at different spatial locations. It can be concluded that flame temperature and product concentration remain stable and reach a near-adiabatic state when the air/fuel flow speed matches the laminar flame speed.

Hencken planar flame；dimethyl ether；tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS)；flame temperature

TK16

A

1006-8740(2023)01-0044-09

10.11715/rskxjs.R202212003

2022-02-21.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52076137，91941301).

王紹杰（1998—??），男，碩士研究生，shaojiewang@sjtu.edu.cn.

齊?飛，男，博士，教授，fqi@sjtu.edu.cn.

(責(zé)任編輯：隋韶穎)