陳曉麗，金 川，蘇秋成，蔣利橋

(1.中國科學(xué)院 廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2.中國科學(xué)院 可再生能源重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州 510640；4.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 納米學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

平面激光誘導(dǎo)熒光法(planar laser induced fluorescence, PLIF)燃燒場參量二維成像測量主要面向燃料的高效清潔燃燒利用領(lǐng)域，可廣泛用于氫氣、碳?xì)淙剂?、含氧替代燃料、汽油、柴油、煤油與航空燃料等的燃燒反應(yīng)動力模型驗證、燃燒裝置中火焰結(jié)構(gòu)表征、湍流與燃燒不穩(wěn)定性機理揭示，以及真實發(fā)動機內(nèi)燃燒過程診斷等研究.在燃燒基礎(chǔ)理論模型驗證、新型燃燒技術(shù)開發(fā)，以及先進(jìn)燃燒裝備研制中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1-2].該方法能夠測量火焰中關(guān)鍵中間組分的二維分布，如羥基自由基OH-PLIF、CH-PLIF和一氧化碳CO-PLIF等，已經(jīng)在各種標(biāo)準(zhǔn)火焰、燃燒器、激波管甚至光學(xué)發(fā)動機中獲得了廣泛的應(yīng)用[3].

在進(jìn)行單一組分場測量的同時，國外的科研機構(gòu)還開發(fā)了基于PLIF的多參量同時測量，如開展OH-PLIF與甲醛CH2O-PLIF同時測量，以及開展氫自由基與CH2O的同時測量，再利用所測量得到的兩個組分熒光信號進(jìn)行代數(shù)運算間接測量火焰中發(fā)熱率(heat release rate，HRR)分布，實現(xiàn)HRR的間接測量[4-6].由于CH2O組分的激發(fā)波長和檢測范圍均比較廣，國內(nèi)外目前測量CH2O時采用的激發(fā)和檢測波長并不統(tǒng)一[4-7].因此，為實現(xiàn)HRR的PLIF測量，通常需要兩套不同激光光源及成像系統(tǒng)共同工作來實現(xiàn)，增加了設(shè)備投入與操作復(fù)雜性.火焰中一氧化氮(NO)的分布是研究者普遍關(guān)心的另一個重要參量，NO-PLIF測量通常采用單獨的KrF激光器產(chǎn)生的250 nm左右波長激光源實現(xiàn)[8].該方法缺點是KrF激光系統(tǒng)只能進(jìn)行NO單一組分的測量，無法兼顧其他參量測量.目前，基于PLIF技術(shù)的燃燒場多參量測量還處于探索發(fā)展階段，國際上近幾年才集中開展了利用PLIF系統(tǒng)同時開展OH、CH2O和HRR測量的相關(guān)工作，且測試對象側(cè)重湍流火焰.國內(nèi)如國防科技大學(xué)[9]與天津大學(xué)內(nèi)燃機重點實驗室[10]也開展了同時測量OH和CH2O的研究，這些均是基于兩套以上激光器及探測系統(tǒng)實現(xiàn).目前，國內(nèi)外對利用同一套PLIF系統(tǒng)開展OH、CH2O、HRR和NO多參量測量研究工作開展的很少.

本研究對現(xiàn)有的一套燃燒場PLIF測試系統(tǒng)進(jìn)行功能拓展，在不增加激光器和探測器的情況下，將單一組分OH二維成像測量PLIF系統(tǒng)擴(kuò)展為可進(jìn)行CH2O、HRR和NO的多參量二維成像測試平臺.功能升級后的測試系統(tǒng)形成了新的多參量的燃燒場激光測試平臺，有助于對燃燒場特性開展更全面激光診斷研究，在燃料清潔、高效燃燒利用研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用.

1 燃燒場多參量PLIF測試系統(tǒng)的建立

1.1 燃燒場多參量PLIF測試裝置的搭建

圖1為實施改造的燃燒場多參量PLIF測量裝置示意圖.圖2為實驗系統(tǒng)實物圖，實驗系統(tǒng)共用Nd:YAG激光器、染料激光器[圖3(a)所示]和像增強型CCD(ICCD)相機等大型設(shè)備.激光器分別產(chǎn)生激發(fā)OH、CH2O和NO的光源，熒光信號分別由ICCD相機系統(tǒng)記錄，通過對OH與CH2O熒光信號進(jìn)行代數(shù)運算獲得HRR，最終實現(xiàn)擴(kuò)展的CH2O、HRR和NO三個物理量的二維測試.系統(tǒng)中的OH-PLIF為系統(tǒng)已有功能，本次擴(kuò)展需要增加CH2O、HRR和NO三個參量的二維測試功能.

圖1 基于激光誘導(dǎo)熒光的OH、CH2O、NO和HRR測量裝置示意圖

圖2 實驗系統(tǒng)實物圖

通過設(shè)計光路和搭建系統(tǒng)平臺實現(xiàn)該方案，然后，進(jìn)行燃燒場多參量PLIF測試系統(tǒng)在同軸射流燃燒試驗臺上的驗證.燃燒場多參量PLIF測試裝置新增加的配件與材料包括:(1)用于對激發(fā)CH2O、NO產(chǎn)生熒光信號的激光光源進(jìn)行光譜分析的高分辨率光纖光譜儀2臺，如圖3(b)所示，它們的聯(lián)用可覆蓋波長范圍為200～800 nm，最高分辨率為0.3 nm.(2)NO-PLIF專用染料泵子系統(tǒng)，包括染料泵、染料盒及對應(yīng)染料.(3)CH2O與NO熒光信號檢測專用窄帶濾波片,如圖4所示.(4)激光系統(tǒng)光路元件.

圖3 關(guān)鍵設(shè)備

1.1.1 CH2O-PLIF測試模塊搭建

火焰中CH2O的測量采用355 nm波長激光激發(fā)，該波長激光由系統(tǒng)的Nd:YAG激光器直接輸出，通過分光鏡及片光整型后引入待測火焰區(qū)，激發(fā)產(chǎn)生熒光信號通過CH2O檢測專用濾波片配合ICCD進(jìn)行二維成像.激發(fā)波長及熒光檢測波長范圍確定需要進(jìn)行波長檢測，硬件上通過添加光譜儀、升級分光鏡、濾波片實現(xiàn)了技術(shù)升級改造.通過改造激光測試平臺光路并搭建測試系統(tǒng)，然后進(jìn)行火焰中單一CH2O組分的激光誘導(dǎo)熒光測試.

1.1.2 NO-PLIF測試模塊搭建

火焰中NO測量需要更改激發(fā)光源波長，現(xiàn)有染料激光器具備該功能的擴(kuò)展條件，NO-PLIF專用染料泵和檢測濾波片如圖4所示.通過更換染料種類和供給系統(tǒng)，在現(xiàn)有355 nm泵浦輸入激光光源條件下，可以調(diào)諧染料激光器輸出波長為226 nm光源.通過將226 nm光源引入火焰反應(yīng)區(qū)，產(chǎn)生的熒光信號由對應(yīng)NO濾波片和ICCD相機檢測形成二維分布測量.研究中需要確定NO的激光波長與選用染料，通過選擇合適的染料及供給系統(tǒng)，進(jìn)行染料系統(tǒng)更換和光路調(diào)整，然后開展火焰的NO-PLIF測量.

圖4 NO-PLIF專用染料泵和檢測濾波片

1.1.3 同軸射流火焰裝置研制

研制了先進(jìn)的同軸射流火焰燃燒裝置，如圖5所示.同軸射流燃燒器形成的火焰具有軸對稱二維火焰結(jié)構(gòu)特征，特制的中心噴嘴高于多孔板出口使得火焰測試區(qū)高于壁面，可以有效減少壁面激光散射與反射信號對測量結(jié)果的干擾.同時，同軸射流火焰具有高的穩(wěn)定性，非常適合于燃燒場多參量的測量.

圖5 同軸射流火焰燃燒器

1.1.4 HRR測試方法建立

建立了基于PLIF測量火焰中HRR的方法，通過火焰中[OH]×[CH2O]的PLIF測量來間接測量HRR的分布特征.在現(xiàn)有OH-PLIF測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合本項目擴(kuò)展后的CH2O-PLIF測試，分別由OH和CH2O的PLIF測量來實現(xiàn)HRR的間接測量.本部分技術(shù)改造，需要對測試軟件及獲得結(jié)果圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理完成.

1.2 正丁烷/空氣同軸射流火焰多參量PLIF測試應(yīng)用實例

1.2.1 激發(fā)光源特性

OH-PLIF測試光源由Nd:YAG激光器產(chǎn)生的355 nm波長經(jīng)過染料激光器倍頻后輸出283 nm附近激發(fā)，檢測波長為(307±10) nm，該功能PLIF系統(tǒng)已經(jīng)具備.CH2O-PLIF測試采用355 nm波長激發(fā)，這個波長可以直接利用Nd:YAG激光器的輸出實現(xiàn)，檢測波長為可見光范圍大于390 nm(高通濾波片).用于NO-PLIF測試時激發(fā)光源需要將355 nm泵浦光源在染料激光器內(nèi)實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，通過替換染料循環(huán)系統(tǒng)，輸出226 nm波長的激光，NO熒光信號檢測波長為(250±10) nm.光譜儀檢測到的三個關(guān)鍵組分的激發(fā)波長特性如圖6所示，其中各個小圖對應(yīng)為放大后的波長半高寬(FWHM).光源波長檢測結(jié)果表明與文獻(xiàn)[6, 8]使用波長一致，可以實現(xiàn)本文需要的對應(yīng)組分PLIF測量.試驗中對泵浦光源能量進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖7所示，355 nm Nd:YAG激光器輸出能量在經(jīng)過30 s后比較穩(wěn)定.

圖6 用于OH/CH2O/NO-PLIF測試的激光光源光譜特性

圖7 Nd:YAG激光器輸出能量監(jiān)測結(jié)果

1.2.2 自發(fā)光OH*, OH-PLIF、CH2O-PLIF、HRR和NO-PLIF測量

在分別調(diào)整好的OH、CH2O與NO激發(fā)光源條件下，分別對同一火焰開展了多參量的PLIF測量.圖8分別為同軸射流正丁烷/空氣預(yù)混火焰的直接拍照(a)、自發(fā)光OH*信號(b)、OH-PLIF(c)、CH2O-PLIF(d)、HRR(e)和NO-PLIF(f)的測量結(jié)果.

圖8 正丁烷火焰的測量結(jié)果(當(dāng)量比Φ =1.1，流速Umix=1.6 m/s)

特別值得注意的是，OH*自發(fā)光與OH-PLIF分布完全不同，OH*高信號值區(qū)域遠(yuǎn)小于OH-PLIF區(qū)域.由于OH-PLIF云圖反映了火焰高溫區(qū)域位置，因此，OH輪廓鋒面為火焰高溫反應(yīng)開始位置，同時燃燒后高溫?zé)煔鈪^(qū)域也存在大量的OH基團(tuán)，因此，OH-PLIF圖像輪廓明顯大于直接拍照OH*化學(xué)發(fā)光區(qū)域.由于CH2O的生成與消耗主要在低溫區(qū)域進(jìn)行，新增功能CH2O-PLIF測量結(jié)果圖可以清楚反映火焰內(nèi)低溫氧化反應(yīng)進(jìn)行區(qū)域，且CH2O分布范圍較窄，位于完全無反應(yīng)的未燃?xì)馀c高溫反應(yīng)OH-PLIF信號分布圖像之間.因此，結(jié)合OH-PLIF與CH2O-PLIF測量，可以完整地把握燃燒反應(yīng)的低溫與高溫反應(yīng)兩個階段特性，極大擴(kuò)展了現(xiàn)有單一OH-PLIF測量對火焰結(jié)構(gòu)的觀測能力.

HRR是火焰結(jié)構(gòu)的另一重要參數(shù)，表明了燃料燃燒氧化反應(yīng)放熱的釋放位置及速度，通過[OH]×[CH2O]信號的歸一化處理，可得到HRR的云圖[圖8(e)].由HRR的分布特征可以看出，HRR分布是一個很窄的區(qū)域，且分布也不均勻，在OH大量存在的高溫反應(yīng)區(qū)，HRR值很低，幾乎無放熱反應(yīng).對于火焰熱釋放率表征，以往研究中主要采用OH*、CH*自發(fā)光以及基于激光誘導(dǎo)熒光的[OH]×[CH2O]和[H]×[CH2O]這幾種.對于碳?xì)淙剂?空氣預(yù)混層流火焰，OH*和CH*均能較好反映熱釋放產(chǎn)生區(qū)域和峰值位置[11-12]，對于湍流預(yù)混火焰，[OH]×[CH2O][5]和[H]×[CH2O][6]也能表征熱釋放率的位置.由于采用燃料類別和燃燒裝置不完全一致，火焰對象也完全相同，因此，對本文測量結(jié)果與上述方法做直接量化比較存在困難.僅從我們的實驗結(jié)果來看，OH*信號區(qū)域與[OH]×[CH2O]標(biāo)示的發(fā)熱率區(qū)域有所不同，[OH]×[CH2O]標(biāo)示的熱釋放率輪廓范圍更小，而OH*的高亮度部分也不能與[OH]×[CH2O]結(jié)果完全重合，特別是火焰根部位置OH*信號值較強，而[OH]×[CH2O]值在火焰根部區(qū)域很小.

熱態(tài)火焰中NO-PLIF測試結(jié)果如圖8(f)所示，由于火焰中NO絕對濃度較低(通過煙氣分析儀在線取樣測量得到NO濃度低于15 mg/Nm3)，且NO-PLIF信號受高溫影響而降低，測量得到的NO-PLIF信噪比降低，但是仍然可以清楚分辨出火焰中NO分布輪廓，NO主要分布在火焰高溫區(qū)域.

燃料當(dāng)量比與混合氣流量顯著影響火焰結(jié)構(gòu)，圖9為增加了燃料當(dāng)量比和燃料速度的OH-PLIF、CH2O-PLIF與HRR分布測量結(jié)果.隨當(dāng)量比和流速的增加，火焰的高度明顯增高(圖9與圖8比較)，同時，由于大當(dāng)量比下富燃料火焰的擴(kuò)散熱不穩(wěn)定性屬性，在軸線上火焰頂部產(chǎn)生了熄火現(xiàn)象，火焰鋒面輪廓出現(xiàn)斷裂.直接拍照[圖9(a)、(b)]與OH-PLIF分布[圖9(c)]直觀給出這一火焰結(jié)構(gòu)，但CH2O-PLIF火焰輪廓是完整的[圖9(d)]，表明低溫氧化反應(yīng)仍然繼續(xù)進(jìn)行.此外，HRR分布特征[圖9(e)]也隨燃燒條件相應(yīng)變化，HRR峰值位置整體上移.

圖9 正丁烷火焰的測量結(jié)果(當(dāng)量比Φ =1.6, 流速Umix=2.0 m/s)

2 結(jié)論

經(jīng)過對裝置系統(tǒng)的研發(fā)，在現(xiàn)有OH-PLIF燃燒場多參量PLIF測試系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺上升級改造，擴(kuò)展了燃燒場PLIF測試系統(tǒng)的CH2O、HRR和NO三個測量功能模塊.其中利用同一套PLIF系統(tǒng)，開展同軸射流火焰中發(fā)熱率PLIF測量為國內(nèi)首次.將PLIF多參量測量系統(tǒng)與同軸射流燃燒實驗臺結(jié)合，實現(xiàn)了同軸射流火焰中利用同一套PLIF系統(tǒng)進(jìn)行OH、CH2O、HRR和NO 4個參量的測量，該擴(kuò)展后的PLIF系統(tǒng)可開展多種燃料的不同伴流氣氛下的燃燒場測試，能豐富火焰結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù).此外，NO-PLIF功能升級的實現(xiàn)，為熱態(tài)燃燒場中的NO分布提供直接二維成像測量手段，相比與以往在線多通道煙氣分析儀測量，克服了測量時間滯后和大量數(shù)據(jù)采集耗時耗費的缺點，可實現(xiàn)快速測量整個二維場.該測試系統(tǒng)可進(jìn)一步廣泛用于各種火焰結(jié)構(gòu)測試及污染物NO產(chǎn)生機理分析，為燃燒反應(yīng)動力學(xué)模型及火焰結(jié)構(gòu)理論研究提供了有力實驗數(shù)據(jù)支撐.