顧 鋮，蔣利橋

基于熱電偶掃描的炭煙火焰溫度場(chǎng)測(cè)量*

顧 鋮1,2，蔣利橋1,3?

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3. 廣東省新能源和可再生能源開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

提出了一種熱電偶掃描快速測(cè)量炭煙火焰溫度場(chǎng)的方法，并對(duì)McKenna燃燒器形成的乙烯/空氣平面炭煙火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明：在1 450 ～ 1 700 K火焰溫度時(shí)，由炭煙沉積導(dǎo)致熱電偶熱輻射損失的修正溫度偏差為200 ～ 240 K，修正后的火焰溫度測(cè)量值與其他測(cè)溫方法結(jié)果吻合良好，證實(shí)了該方法可以快速測(cè)量炭煙火焰溫度場(chǎng)；實(shí)測(cè)平面炭煙火焰的徑向溫度分布隨半徑增大而略微升高，而炭煙火焰邊緣區(qū)的溫度分布呈現(xiàn)明顯的振蕩特性。

自動(dòng)掃描熱電偶；輻射修正；平面炭煙火焰；乙烯/空氣；溫度振蕩

0 引 言

碳?xì)淙剂喜煌耆紵龝r(shí)容易形成炭煙火焰，如工業(yè)鍋爐爐膛內(nèi)燃燒、壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒、富燃工況預(yù)混火焰以及純擴(kuò)散火焰等[1]。一方面，燃料燃燒形成炭煙微粒直接排放是大氣環(huán)境污染物PM2.5的主要來(lái)源，另一方面，不完全燃燒降低了燃料的燃燒效率，不利于節(jié)能減排。為抑制火焰中炭煙的產(chǎn)生，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)火焰中炭煙生成特性與機(jī)理開展了持續(xù)的研究[2-3]，而火焰溫度是影響炭煙形成的關(guān)鍵參數(shù)，因此，炭煙火焰溫度場(chǎng)的測(cè)量一直備受關(guān)注[4-5]。

熱電偶被廣泛應(yīng)用于火焰溫度的測(cè)量[6-7]，具有測(cè)量方法簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。但熱電偶是一種點(diǎn)溫度測(cè)量方法，存在空間分辨率和數(shù)據(jù)采集效率低的缺點(diǎn)。為提高熱電偶對(duì)火焰溫度場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)采集效率，蔣利橋等[8]研發(fā)了一套熱電偶掃描測(cè)溫系統(tǒng)，前期研究中實(shí)現(xiàn)了對(duì)潔凈射流微火焰溫度場(chǎng)的二維分布測(cè)量。然而，該自動(dòng)掃描測(cè)溫?zé)犭娕紱]有進(jìn)行炭煙火焰溫度場(chǎng)測(cè)量的嘗試。

通常情況下，為減少測(cè)量誤差，在使用熱電偶進(jìn)行火焰溫度場(chǎng)測(cè)量時(shí)需要進(jìn)行熱平衡修正。特別是在炭煙火焰溫度測(cè)量中，當(dāng)熱電偶介入火焰時(shí)，炭煙顆粒將沉積在偶頭，改變了熱電偶發(fā)射率。同時(shí)，隨著熱電偶在火焰中停留時(shí)間的增加，不斷沉積的炭煙使得偶頭直徑增大，從而導(dǎo)致熱電偶輻射損失增加，會(huì)增大測(cè)量溫度值與實(shí)際值之間的偏差。為此，在熱電偶粒子密度測(cè)定法（thermocouple particle densitometry, TPD）[9]中，MCENALLY等[10]給出了炭煙火焰熱電偶溫度測(cè)量詳細(xì)修正方法，可以實(shí)現(xiàn)炭煙火焰溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。然而，現(xiàn)有基于TPD法的炭煙火焰溫度測(cè)量仍然是單點(diǎn)測(cè)量，對(duì)火焰溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)采集效率低的問題不能有效解決。

本文提出將熱電偶掃描測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用于炭煙火焰溫度場(chǎng)測(cè)量，并結(jié)合TPD方法中熱電偶輻射損失修正方法，以平面炭煙火焰為對(duì)象，進(jìn)行測(cè)量方法可行性與準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，期望實(shí)現(xiàn)炭煙火焰溫度場(chǎng)的快速測(cè)量目的。同時(shí)，基于所開發(fā)的測(cè)量方法，考察了燃料當(dāng)量比和預(yù)混氣流速兩個(gè)主要因素對(duì)乙烯/空氣平面炭煙火焰溫度場(chǎng)分布的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及火焰工況

實(shí)驗(yàn)裝置包括McKenna平面火焰燃燒器、供氣和熱電偶掃描測(cè)溫三個(gè)子系統(tǒng)，如圖1。McKenna燃燒器中心出口為燒結(jié)多孔板，直徑60 mm，中心多孔板被金屬環(huán)隔開，外側(cè)是一個(gè)寬度為5 mm的圓環(huán)燒結(jié)多孔板，用于提供保護(hù)氣流。在離燃燒器出口高AB= 24.5 mm位置布置有一塊直徑60 mm、厚度5 mm的不銹鋼圓板，用來(lái)穩(wěn)定炭煙火焰。如圖所示，AB為高度方向距離燃燒器出口平面的距離。供氣子系統(tǒng)中分別采用氣體質(zhì)量流量計(jì)控制乙烯、空氣以及伴流氮?dú)獾牧髁?，所有流量?jì)均經(jīng)過濕式流量計(jì)標(biāo)定，流量計(jì)誤差在0.1%以內(nèi)。乙烯和空氣經(jīng)過管路混合后在McKenna燃燒器上形成平面炭煙火焰，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了富燃料炭煙火焰在不同當(dāng)量比和預(yù)混氣流速下的溫度分布特征，具體火焰工況如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

表1 實(shí)驗(yàn)火焰工況

1.2 熱電偶掃描子系統(tǒng)

熱電偶掃描子系統(tǒng)包括R型熱電偶、熱電偶支架、自動(dòng)往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)和高速數(shù)據(jù)采集儀。R型熱電偶型號(hào)為OMEGA公司（美國(guó)）P13R-005，正極為13%銠/87%鉑合金材料，負(fù)極為100%的純鉑金屬，短期使用最高測(cè)量溫度可達(dá)1 600℃。熱電偶的偶頭直徑為0.373 mm，偶絲直徑為0.125 mm，如圖2電鏡照片所示。熱電偶布置在一個(gè)“U”形支架上，該支架直接固定在一個(gè)可調(diào)整高度的電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)移動(dòng)自動(dòng)裝置上，使得熱電偶掃描移動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)空間位置在高度和水平方向可控調(diào)節(jié)。高度位置由千分尺手動(dòng)調(diào)整，精度為0.01 mm。水平方向分辨率精度由電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度與數(shù)據(jù)采集頻率共同確定，設(shè)定一定移動(dòng)速度后，熱電偶便可在火焰中均勻移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)火焰溫度場(chǎng)的二維測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中熱電偶勻速移動(dòng)速度為3 mm/s，在該速度下熱電偶測(cè)量數(shù)據(jù)響應(yīng)誤差可忽略[8]。熱電偶測(cè)量數(shù)據(jù)由高速數(shù)據(jù)采集器收集，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間為10 ms，因此，水平方向上空間分辨率為0.03 mm。

圖2 R型熱電偶掃描電鏡照片

需要注意的是，由于測(cè)量對(duì)象是炭煙火焰，在熱電偶掃過火焰時(shí)，炭煙顆粒會(huì)不斷附著在熱電偶上，因此，在每完成一次水平高度掃描測(cè)量后，通過調(diào)節(jié)平面火焰燃料/空氣配比得到的無(wú)炭煙高溫火焰進(jìn)行熱電偶上沉積炭煙的氧化清除，待熱電偶上的炭煙完全消除并冷卻后，再進(jìn)行下一高度位置的炭煙火焰溫度數(shù)據(jù)采集。為減小測(cè)量誤差，實(shí)驗(yàn)中每個(gè)高度位置溫度數(shù)據(jù)均掃描3遍，然后取平均值作為最終測(cè)量結(jié)果。

2 熱電偶測(cè)溫修正

2.1 炭煙火焰的熱電偶測(cè)溫特性

為進(jìn)行熱電偶測(cè)量炭煙火焰溫度數(shù)據(jù)的熱平衡修正，先考察了掃描狀態(tài)下熱電偶測(cè)量溫度值隨時(shí)間變化特性。圖3為= 2.3、mix= 0.07 m/s乙烯/空氣平面炭煙火焰在離燃燒器出口高度AB= 14.5 mm位置的熱電偶測(cè)量溫度隨時(shí)間變化特性。盡管本文中熱電偶是移動(dòng)的，但偶頭節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化特征與MCENALLY等[10]固定位置熱電偶的測(cè)溫結(jié)果類似。由圖3可以看出，熱電偶在炭煙火焰中經(jīng)歷了三個(gè)特征階段。

第一階段為瞬態(tài)響應(yīng)階段（= 0 ～ 0.15 s），其中= 0 s時(shí)刻為熱電偶偶頭達(dá)到預(yù)定測(cè)量位置的時(shí)間點(diǎn)，偶頭從常溫環(huán)境移動(dòng)到高溫炭煙火焰邊緣，受非熱平衡效應(yīng)影響，其表面溫度j隨時(shí)間不斷升高，內(nèi)置的局部放大圖更清晰地顯示了這一瞬態(tài)升溫過程。

第二階段為發(fā)射率變化階段（= 0.15 ～ 4 s），這一階段炭煙顆粒由開始附著到完全包裹住偶頭，其發(fā)射率由潔凈鉑銠合金材料的0.2逐漸增大至炭煙的0.95[10]，但這一時(shí)間內(nèi)的炭煙沉積對(duì)偶頭直徑無(wú)影響。由于發(fā)射率增大導(dǎo)致輻射熱損失迅速增加，該段時(shí)間內(nèi)偶頭溫度快速下降，表明偶頭發(fā)射率是影響節(jié)點(diǎn)溫度值的主要因素。

圖3 平面炭煙火焰中熱電偶測(cè)量溫度特性

第三階段是偶頭直徑變化階段（> 4 s），這一階段內(nèi)偶頭發(fā)射率保持0.95不變，炭煙的持續(xù)沉積導(dǎo)致偶頭直徑j(luò)增大。在圖3中顯示為這一階段溫度下降速度的變緩，表明偶頭表面積增大所導(dǎo)致的輻射損失增加相對(duì)緩慢。

2.2 溫度測(cè)量修正方法

為準(zhǔn)確測(cè)量炭煙火焰溫度，需要根據(jù)上述熱電偶在炭煙火焰中經(jīng)歷的不同階段進(jìn)行熱平衡修正處理。首先，需要考慮貴金屬熱電偶的催化放熱效應(yīng)，由于實(shí)驗(yàn)火焰內(nèi)部的炭煙區(qū)域中活性自由基濃度較低，同時(shí)，炭煙的沉積逐漸覆蓋裸露的熱電偶，因此，熱電偶的催化效應(yīng)可忽略不計(jì)。其次，需要考慮偶絲與偶頭之間導(dǎo)熱的影響，在熱電偶掃描測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，熱電偶偶絲被拉直固定在U型水平支架上，偶絲導(dǎo)線長(zhǎng)度與偶頭結(jié)點(diǎn)直徑之比大于300，偶頭在軸截面上沿徑向移動(dòng)，兩側(cè)導(dǎo)線呈水平對(duì)稱布置使得導(dǎo)線溫度與偶頭溫差較小，從而在測(cè)量中產(chǎn)生的導(dǎo)熱傳熱誤差也很小，小于5 K。因此，測(cè)量中因偶頭熱輻射損失修正是本文主要考慮的問題。

根據(jù)TPD熱電偶的輻射損失修正方法，當(dāng)瞬態(tài)響應(yīng)階段完成后，便可以通過結(jié)點(diǎn)處的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)能量平衡公式建立偶頭測(cè)量溫度j與火焰中氣體溫度g對(duì)應(yīng)關(guān)系[10-12]：

其中：j為偶頭表面發(fā)射率；為斯蒂芬?玻爾茲曼常數(shù)；j為偶頭結(jié)點(diǎn)處努賽爾特征數(shù)；j為偶頭直徑；g為真實(shí)火焰溫度；j為熱電偶測(cè)量的溫度；g0gg，g是氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，此處假設(shè)g與g呈線性關(guān)系，因此g0為常數(shù)。

在本文中，上式用于修正第二階段的火焰溫度輻射誤差。根據(jù)電鏡拍攝圖片（圖2），實(shí)驗(yàn)中所使用的R型熱電偶偶頭直徑j(luò)= 373 μm，潔凈偶頭發(fā)射率j= 0.2，與BRADLEY等[12]實(shí)驗(yàn)中所用熱電偶相同。隨著火焰中炭煙顆粒不斷附著在偶頭，其發(fā)射率隨時(shí)間線性增大到炭煙顆粒的發(fā)射率0.95。而通過HOLMAN等[11]給出的空氣相關(guān)數(shù)據(jù)，可以由測(cè)量溫度曲線擬合得到零截距點(diǎn)g0值，即g06.54 × 10?5W/(m?K2)?，F(xiàn)已知熱電偶偶頭直徑以及各工況條件下的氣體流速，那么根據(jù)ACRIVOS等[13]所給出的球體的低普朗克數(shù)展開式即可得到熱電偶偶頭結(jié)點(diǎn)處努賽爾數(shù)：

其中：為熱電偶偶頭的普朗克特征數(shù)。隨后根據(jù)公式（1）便可完成發(fā)射率變化階段的溫度測(cè)量誤差修正。

在第三階段偶頭直徑變化中，偶頭發(fā)射率不變j= 0.95[14]。由于偶頭直徑的增大引起的輻射換熱變化導(dǎo)致了測(cè)量溫度值的下降，將公式（1）中左右兩部分同時(shí)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，便可得到偶頭直徑的變化速率與測(cè)量溫度的變化速率的關(guān)系：

考慮到熱電偶掃描平面位置炭煙濃度變化不大，為簡(jiǎn)化處理，可認(rèn)為偶頭處炭煙沉積速率隨時(shí)間是線性變化的[15]。如圖4所示，將熱電偶固定于炭煙火焰中心位置處（HAB = 14.5 mm），燃燒20 s后取出，待其冷卻后使用電鏡拍攝得到其偶頭圖片，可知其偶頭結(jié)點(diǎn)處直徑由373 μm增大至434 μm，即得到公式（3）中左側(cè)熱電偶直徑在測(cè)量過程中隨時(shí)間的變化速率。同時(shí)，在該階段偶頭直徑的變化對(duì)于努賽爾特征數(shù)值的影響很小，因此該誤差修正過程中偶頭結(jié)點(diǎn)的努塞爾數(shù)是一個(gè)常數(shù)。至此，便可通過公式（3）完成自動(dòng)掃描熱點(diǎn)偶測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中第三階段的測(cè)量誤差修正。

2.3 溫度測(cè)量修正結(jié)果

如圖5所示，分別以火焰3、7、10和13工況的測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，將經(jīng)過熱輻射修正的溫度曲線與原始溫度曲線分析對(duì)比，圖中均選擇距燃燒器出口高度AB= 14.5 mm平面內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)。固定預(yù)混氣體出口流速mix= 0.07 m/s，在當(dāng)量比= 2.3時(shí)，修正后的火焰溫度分布在1 485 ～ 1 675 K，測(cè)量誤差修正值大約為200 ～ 230 K；= 2.4時(shí)，修正后的火焰溫度分布在1 520 ～ 1 700 K，修正偏差約為210 ～ 240 K；= 2.5時(shí)，修正后的火焰溫度分布在1 490 ～ 1 680 K，由修正偏差大約為200 ～ 225 K；= 2.6，修正后的火焰溫度分布在1 440 ～ 1 670 K，修正偏差大約為200 ～ 230 K。由此可以推斷，在實(shí)驗(yàn)條件下的乙烯/空氣平面炭煙火焰中，火焰溫度為1 450 ～ 1 700 K時(shí)，其測(cè)量過程中由于炭煙顆粒沉積帶來(lái)的測(cè)量偏差大約為200 ～ 240 K。

圖5 熱電偶測(cè)量炭煙火焰的原始溫度與修正溫度

2.4 與文獻(xiàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比

為驗(yàn)證本文方法測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，將自動(dòng)掃描熱電偶測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的修正溫度與文獻(xiàn)[15-17]結(jié)果進(jìn)行了比較。在JENKINS等[15]的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，分別使用了雙色的調(diào)制吸收/發(fā)射高溫測(cè)量方法，以及熱電偶測(cè)量方法測(cè)量了富燃層流乙烯/空氣預(yù)混炭煙火焰的溫度分布。在相同McKenna燃燒器中，預(yù)混氣體出口流速也相同的情況下，對(duì)距離燃燒器出口14.5 mm處火焰中心軸位置附近的測(cè)量溫度值進(jìn)行對(duì)比。因此，本文選取了由火焰中心位置至半徑3 mm處的平均溫度值與其比較。

對(duì)比結(jié)果如圖6所示，表明本文所采用的修正熱電偶測(cè)溫結(jié)果與JENKINS等[15]使用雙色調(diào)制吸收/發(fā)射技術(shù)測(cè)量溫度的吻合度高。本文研究中使用熱電偶掃描獲得的火焰溫度與JENKINS實(shí)驗(yàn)中的熱電偶測(cè)量值幾乎一致，以上結(jié)果證實(shí)了本文采用的自動(dòng)掃描熱電偶進(jìn)行炭煙火焰溫度測(cè)量的可行性與準(zhǔn)確性。

此外，也與CHOI[16]使用三波長(zhǎng)光學(xué)探針測(cè)量技術(shù)測(cè)量的乙烯/空氣預(yù)混火焰溫度、HARRIS等[17]使用熱電偶測(cè)量的乙烯/空氣炭煙火焰進(jìn)行了比較。在= 2.3和固定mix= 0.07 m/s時(shí)，乙烯/空氣炭煙火焰使用不同測(cè)量方法所得到的溫度分別為：使用本文方法測(cè)量溫度為1 587 K，雙色調(diào)制吸收/發(fā)射技術(shù)測(cè)量溫度為1 580 K[15]，三波長(zhǎng)光學(xué)探針方法測(cè)量溫度為1 610 K[16]，HARRIS等使用熱電偶測(cè)量溫度為1 603 K[17]，表明不同的測(cè)量方法測(cè)得的炭煙火焰溫度十分接近。同等火焰對(duì)象中前人的研究表明，當(dāng)平面炭煙火焰溫度在1 500 K左右時(shí)，修正后的熱電偶測(cè)量誤差大約為60 K[11]。

圖6 不同測(cè)量方法的溫度測(cè)量結(jié)果對(duì)比

3 平面炭煙火焰溫度場(chǎng)測(cè)量

3.1 火焰中心區(qū)域溫度特性

如圖7a，當(dāng)預(yù)混氣出口流速固定mix= 0.07 m/s時(shí)，當(dāng)量比由2.2變化至2.6時(shí)，乙烯/空氣平面炭煙火焰中心軸線上溫度隨高度變化特征為先上升后下降。在距離燃燒器出口AB= 0 ～ 7 mm高度內(nèi)，火焰溫度隨著軸向高度增加迅速上升，由500 K升高至1 800 K。該高度范圍靠近燃燒器出口，火焰中炭煙濃度低。在AB7 mm后，火焰中炭煙濃度顯著增加，火焰溫度隨著AB增加而下降，溫度分布由1 800 K降至1 100 K左右。在AB= 7 ～ 24 mm范圍內(nèi)，當(dāng)預(yù)混氣體出口流速保持不變時(shí)，炭煙火焰溫度隨當(dāng)量比的增大而下降。

不同當(dāng)量比條件下火焰溫度沿半徑方向的變化如圖7b。從總體分布趨勢(shì)來(lái)看，溫度沿半徑方向的徑向分布并不是完全“平坦”，火焰中心位置處溫度最低，隨著半徑的增大，溫度也緩慢升高，該溫度變化趨勢(shì)與MIGLIORINI等[18]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。此外，當(dāng)預(yù)混氣體出口流速不變時(shí)，隨當(dāng)量比增加，整體溫度下降，與圖6結(jié)果一致。圖7c為流速對(duì)徑向的溫度分布的影響，整體上也是火焰溫度沿半徑方向逐漸增大。由于火焰整體是富燃料工況，在平面炭煙火焰徑向邊緣會(huì)與周圍空氣形成二次火焰，該邊緣區(qū)域溫度值高于火焰中心溫度，從而形成溫度梯度。而在0.05 m/s流速下，火焰邊緣半徑小，因此邊緣高溫區(qū)位置相應(yīng)靠近中心，且在AB= 14.5 mm位置火焰中心溫度也低，導(dǎo)致徑向溫度梯度增加。

圖7 （a）不同當(dāng)量比條件下火焰軸線上溫度分布；（b）HAB = 14.5 mm處不同當(dāng)量比條件下火焰沿半徑方向的溫度分布；（c）HAB = 14.5 mm處不同出口流速時(shí)火焰沿半徑方向的溫度分布

3.2 火焰邊緣溫度波動(dòng)特性

在熱電偶掃描測(cè)量各工況炭煙火焰溫度的過程中，當(dāng)熱電偶偶頭緩慢介入火焰內(nèi)部時(shí)，火焰溫度會(huì)經(jīng)過一個(gè)明顯的振蕩波動(dòng)過程，如圖8a。溫度第一次達(dá)到峰值后下降，再上升完成響應(yīng)后，各流速下溫度的分布規(guī)律保持一致。因此，邊緣位置處的溫度波動(dòng)并不影響炭煙火焰中心區(qū)域的測(cè)量結(jié)果。圖8b為炭煙火焰邊緣溫度變化放大圖，當(dāng)燃燒器出口預(yù)混氣流速保持一定時(shí)，當(dāng)量比由2.2增大至2.6，測(cè)得火焰邊緣溫度波動(dòng)隨著當(dāng)量比的增加而減小。當(dāng)量比2.2時(shí)振蕩非常明顯，覆蓋溫度范圍從室溫到火焰溫度，高當(dāng)量比時(shí)，振蕩行為明顯減弱，且振蕩區(qū)域在1 000 K到火焰溫度。其主要原因可能是火焰邊緣處空氣與炭煙火焰不完全燃燒產(chǎn)物反應(yīng)形成二次火焰受空氣的浮力影響導(dǎo)致的。由于沒有采用環(huán)繞同軸射流空氣，環(huán)境空氣條件下的自然對(duì)流不穩(wěn)定性導(dǎo)致局部火焰振蕩，具體特性還需要后續(xù)進(jìn)一步的火焰結(jié)構(gòu)成像診斷來(lái)闡述。

圖8 HAB = 14.5 mm處熱電偶測(cè)量的不同當(dāng)量比時(shí)火焰的原始溫度：（a）平面炭煙火焰邊緣處的溫度振蕩特性；（b）局部溫度振蕩

圖9 HAB = 14.5 mm處熱電偶測(cè)量的不同流速火焰的原始溫度：（a）火焰的溫度振蕩特性；（b）局部溫度振蕩

類似地，圖9展示不同流速下的火焰邊緣溫度也存在溫度振蕩特征。當(dāng)量比保持為2.4時(shí)，流速由0.05 m/s增大至0.07 m/s，火焰邊緣的溫度波動(dòng)則隨著流速的增大而減小。

4 結(jié) 論

提出一種利用熱電偶掃描進(jìn)行炭煙火焰溫度測(cè)量的方法，在對(duì)測(cè)量獲得溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行熱輻射損失修正基礎(chǔ)上，開展了常壓下當(dāng)量比= 2.2 ～ 2.6和燃燒器出口流速mix= 0.05 ～ 0.07 m/s時(shí)McKenna燃燒器形成的乙烯/空氣平面炭煙火焰溫度場(chǎng)的測(cè)量。獲得如下結(jié)論：

（1）熱電偶掃描測(cè)溫修正后的火焰溫度與原始測(cè)量溫度存在的偏差約為200 K，且與文獻(xiàn)[15-17]的測(cè)溫結(jié)果吻合度良好。

（2）實(shí)驗(yàn)條件下，平面炭煙火焰溫度在軸線方向上先升高后降低，炭煙在溫度峰值區(qū)域開始形成。徑向方向溫度隨半徑增大而略微升高。隨當(dāng)量比增大，火焰溫度降低，隨出口流速增加，火焰溫度升高。

（3）平面炭煙火焰外圍火焰區(qū)溫度存在明顯的振蕩特性，但對(duì)火焰中心區(qū)域溫度影響很小。在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，隨當(dāng)量比增加和預(yù)混氣流速增大，振蕩減弱。

（4）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用熱電偶掃描進(jìn)行炭煙火焰溫度快速測(cè)量的可行性與準(zhǔn)確性，該方法具有較好的應(yīng)用前景。

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Temperature Measurement of Soot Flames Based on an Auto-Scanning Thermocouple

GU Cheng1,2, JIANG Li-qiao1,3

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China)

Based on the auto-scanning thermocouple technology, a quick measurement method of the temperature distribution of soot flames was developed and was employed to measure the temperature field of C2H4/air flat soot flames in the McKenna burner under atmospheric pressure. The results showed that, when the flame temperature was 1 450 - 1700 K, the temperature deviation was 200 - 240 K with considering the radiation loss correction of thermocouple due to deposited soot. The corrected temperature obtained by present method agreed well with other temperature measurement methods used in the same flat soot flames, which confirmed that present method can be used to measure the temperature of soot flames effectively. Moreover, it also indicated that the temperature of flat soot flames increased slightly with the increase of radius in radial direction. However, in the edges of soot flames, the temperature exhibited a fluctuating feature obviously.

auto-scanning thermocouple; radiation loss correction; flat soot flames; C2H4/air; temperature fluctuating

2095-560X（2022）01-0042-08

TK31

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.01.007

2021-12-01

2021-12-28

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016A040403095）

蔣利橋，E-mail：jianglq@ms.giec.ac.cn

顧 鋮（1995-），女，碩士，主要從事燃燒場(chǎng)的光學(xué)測(cè)試研究。

蔣利橋（1974-），男，博士，研究員，主要從事燃燒場(chǎng)測(cè)試及新概念燃燒研究。