楊鑫宇 彭志敏 丁艷軍 杜艷君

1) (華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,北京 102206)

2) (清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系,電力系統(tǒng)與發(fā)電設(shè)備控制與仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

溫度是燃燒過(guò)程中影響反應(yīng)路徑和速率的重要參數(shù),決定著燃燒和能量交換效率,OH,NH,NO 等組分參與燃燒中的關(guān)鍵基元反應(yīng),并影響NOx 污染物的生成.因此,溫度和OH,NH,NO 濃度的同步測(cè)量對(duì)于判斷燃燒狀態(tài)、研究反應(yīng)機(jī)理和排放特性具有重要意義.本文搭建了高空間分辨率的寬帶紫外吸收光譜測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了火焰溫度和OH,NH,NO 濃度的同步測(cè)量,并對(duì)3 種組分寬帶吸收光譜的溫度靈敏度和濃度檢出限進(jìn)行了定量分析.隨后,利用所建立的測(cè)量方法對(duì)NH3/CH4/air 常壓平面預(yù)混火焰的溫度和OH,NH,NO 濃度的高度分布進(jìn)行了高精度測(cè)量: NH 的1σ 檢出限達(dá)到1.8×10—9 m (1560 K),在常壓火焰實(shí)現(xiàn)了10—9 量級(jí)的NH吸收光譜測(cè)量;OH 和NO 的1σ 檢出限分別達(dá)到60×10—9 m (1590 K) 和1×10—6 m (1380 K),也明顯優(yōu)于現(xiàn)有的紅外激光吸收光譜測(cè)量結(jié)果.實(shí)驗(yàn)所得溫度和OH,NO,NH 濃度分布曲線與基于Okafor 等機(jī)理的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)果非常符合,驗(yàn)證了基于寬帶紫外吸收光譜方法的溫度和組分濃度同步測(cè)量效果.

1 引言

近年來(lái),隨著能源清潔高效利用和溫室氣體減排要求的日益提高,能源燃燒利用過(guò)程的反應(yīng)機(jī)理及應(yīng)用研究備受關(guān)注,發(fā)展先進(jìn)的光學(xué)測(cè)試手段實(shí)現(xiàn)燃燒場(chǎng)中多物理參數(shù)的準(zhǔn)確同步測(cè)量至關(guān)重要.火焰溫度作為燃燒診斷中最重要的測(cè)量參數(shù)之一,不僅影響著燃燒系統(tǒng)與外界的能量交換過(guò)程,而且決定了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行和速率快慢;與此同時(shí),燃燒反應(yīng)過(guò)程的中間自由基和產(chǎn)物,如OH,NH,NO 的濃度測(cè)量同樣對(duì)燃燒狀態(tài)判斷和機(jī)理研究具有重要意義: NO 分子本身是燃燒中污染物NOx的主要來(lái)源[1],OH 自由基是含氫燃料燃燒中支鏈反應(yīng)的重要載體[2],同時(shí)也對(duì)NO 的生成有著強(qiáng)烈的促進(jìn)作用[3,4],而NH 則是碳?xì)淙剂先紵锌焖傩蚇O 生成過(guò)程的重要中間組分[5],也是含NH3燃燒中NO 生成和消耗的重要途徑[6].因此,實(shí)現(xiàn)上述多參數(shù)同步高精度測(cè)量對(duì)燃燒狀態(tài)判斷以及反應(yīng)機(jī)理和排放特性研究具有重要意義.

在眾多燃燒診斷方法中,吸收光譜測(cè)量方法具有原位測(cè)量、非侵入、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)溫度與絕對(duì)濃度的同步測(cè)量,獲得時(shí)間演化或空間分布結(jié)果.其中,可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜 (tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS) 使用1 —10 μm 的紅外可調(diào)諧激光器作為光源,測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊且價(jià)格相對(duì)低廉,在過(guò)去的30 年間得到了迅速的發(fā)展,被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室火焰[7-9]、激波管[10-12]、發(fā)動(dòng)機(jī)[13-15]等不同燃燒環(huán)境中,成為溫度和絕對(duì)濃度測(cè)量的燃燒診斷標(biāo)準(zhǔn)方法.但由于紅外波段分子光譜吸收較弱,TDLAS 的溫度濃度同步測(cè)量主要依賴燃燒中具有較高濃度的燃燒產(chǎn)物H2O 或CO2[16],對(duì)于OH[7,17],NO[1,12],NH 等低濃度組分的測(cè)量研究較少,濃度測(cè)量十分困難.如Bürkle 等[7]在甲烷擴(kuò)散火焰中使用1.53 μm 激光器測(cè)量了OH 濃度,但由于存在H2O 干擾,在體積分?jǐn)?shù)為2300×10—6的較高濃度下信噪比僅有25,檢出限為92×10—6;Shang 等[12]在硝基甲烷熱解實(shí)驗(yàn)中使用5.26 μm 的QCL 激光器測(cè)量了NO 濃度,在1000 K 下檢出限為100×10—6,1400 K 下檢出限為200×10—6;而對(duì)于體積分?jǐn)?shù)在10—6量級(jí)的NH 自由基,由于濃度低、吸收弱,紅外TDLAS 難以應(yīng)用,僅有學(xué)者使用紫外激光吸收光譜[18,19]和紫外腔衰蕩光譜 (cavity ring-down spectroscopy,CRDS)[5,20]實(shí)現(xiàn)平面火焰中NH 的絕對(duì)濃度測(cè)量.如Lamoureux 等[5]在5 kPa 低壓平面火焰中的NH 測(cè)量,檢出限為0.1×10—6.然而,紫外激光器的價(jià)格昂貴、激光系統(tǒng)復(fù)雜,CRDS 光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)同樣復(fù)雜精密,紫外CRDS 實(shí)驗(yàn)難度較大,難以應(yīng)用推廣;而且紫外激光器和諧振腔高反鏡的波長(zhǎng)選擇性也嚴(yán)重限制了紫外CRDS 實(shí)現(xiàn)溫度和多組分濃度同步測(cè)量.

與激光吸收光譜不同,寬帶紫外吸收光譜采用廉價(jià)的紫外寬譜光源和光譜儀,系統(tǒng)簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)難度較低,而且寬波長(zhǎng)覆蓋范圍提供了多光譜同步測(cè)量能力,具有燃燒診斷中多參數(shù) (溫度和上述多種低濃度組分) 同步測(cè)量的潛力.2012 年,Bruggeman等[21]首次在大氣壓放電等離子體中使用發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED) 和高分辨率光譜儀實(shí)現(xiàn)了OH 濃度和溫度同步測(cè)量,測(cè)得的OH 濃度與理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果一致,溫度與等離子體診斷中常用的示蹤法N2(C-B)(0-0)發(fā)射光譜測(cè)溫結(jié)果一致.此后,寬帶紫外吸收光譜在等離子體診斷中被大量應(yīng)用于溫度[21,22]、OH[23,24]和NO[25]濃度的測(cè)量.然而,寬帶紫外吸收光譜在燃燒診斷中的應(yīng)用還相對(duì)較少.1988 年,Lempert[26]使用OH 等離子體產(chǎn)生的發(fā)射光譜作為光源,利用OH 寬帶共振吸收光譜實(shí)現(xiàn)了H2/air 平面預(yù)混火焰溫度及OH 濃度測(cè)量,但是受限于等離子體光源穩(wěn)定性、早期光譜測(cè)量設(shè)備 (探測(cè)器為陣列光電倍增管) 噪聲及共振吸收測(cè)量理論的不完善,因此溫度及OH 濃度測(cè)量效果有待進(jìn)一步提高.2011 年,中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所劉宇等[27]使用氙燈和中階梯光譜儀實(shí)現(xiàn)了蠟燭、酒精燈、酒精噴燈等火焰的OH 濃度測(cè)量.近幾年,寬帶紫外吸收在燃燒診斷得到一定的關(guān)注.瑞典Lund 大學(xué)的Weng 等利用寬帶紫外吸收光譜先后在火焰中測(cè)量了SO2[28],KOH/KCl[29],NO/NH3[30]等組分濃度;White 等[31]和Yang 等[32]分別使用OH(A-X)的1-0 和0-0 振動(dòng)譜帶進(jìn)行了CH4/air 火焰的溫度和OH 濃度同步測(cè)量,得到了沿高度的溫度濃度分布曲線.其中,Yang 等[32]還使用2.3 μm 的CO 吸收譜線,利用TDLAS 測(cè)量了火焰溫度沿高度的分布,與OH 寬帶吸收測(cè)量結(jié)果非常符合.已有研究說(shuō)明了寬帶紫外吸收光譜具有火焰溫度和OH,NO 等濃度的測(cè)量能力.然而,對(duì)于濃度更低、空間分布范圍更窄(半高全寬小于0.5 mm) 的NH 自由基,即使是紫外CRDS 也沒(méi)有在常壓火焰中的測(cè)量研究,使用寬帶紫外吸收能否實(shí)現(xiàn)NH 濃度測(cè)量尚不明確.此外,僅使用過(guò)OH 的寬帶紫外吸收光譜測(cè)量火焰溫度,能否使用NO 和NH 光譜測(cè)量溫度還有待研究.

本文以NH3/CH4/air 常壓平面預(yù)混火焰為研究對(duì)象,搭建寬帶紫外吸收光譜的高空間分辨率測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)火焰面內(nèi)和火焰面上方溫度與OH,NH,NO 三種組分濃度的空間分布同步測(cè)量,并基于Okafor 等[33]提出的機(jī)理進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)模擬.分別通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)手段定量分析了三種組分光譜的溫度靈敏度和濃度檢出限,并進(jìn)一步通過(guò)相同高度下不同光譜實(shí)測(cè)溫度之間的對(duì)比,以及溫度濃度曲線與CFD 模擬結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證寬帶紫外吸收光譜對(duì)于溫度和OH,NO,NH 等組分濃度的測(cè)量準(zhǔn)確性,為燃燒中溫度及組分濃度同步測(cè)量提供診斷方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考.

2 寬帶吸收光譜理論

2.1 原 理

寬帶吸收光譜的原理基于Beer-Lambert 定律.當(dāng)一束光穿過(guò)均勻吸收介質(zhì)時(shí),原始光強(qiáng)I0(ν)和透射光強(qiáng)It(ν) 遵循如下關(guān)系式:

其中ν是光的頻率,α是吸收率,κ是吸收系數(shù),P是壓強(qiáng),X是待測(cè)組分的摩爾分?jǐn)?shù),T是溫度,SP(T) 是譜線的單位壓力線強(qiáng)度,φ(ν) 是譜線線型函數(shù),下標(biāo)i表示第i條譜線.

在TDLAS 中,線強(qiáng)度SP(T) 可由HITRAN[34]或HITEMP[35]數(shù)據(jù)庫(kù)查詢得到.而對(duì)于寬帶吸收光譜測(cè)量的雙原子分子或自由基的紫外吸收譜線,這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有提供足夠的譜線數(shù)據(jù),需要依賴文獻(xiàn)提供的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,公式如下:

其中c是光速,h是普朗克常量,k是玻爾茲曼常量,A是愛(ài)因斯坦輻射系數(shù),J是轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù),E是能級(jí),ν0是譜線中心頻率,gnuc是核統(tǒng)計(jì)權(quán)重,Q(T)是配分函數(shù),單引號(hào)表示躍遷的上能態(tài),雙引號(hào)表示躍遷的下能態(tài).在本文中,上述分子參數(shù)來(lái)自于EXOMOL[36]數(shù)據(jù)庫(kù).

圖1 所示為本文待測(cè)的三種組分OH,NH,NO以及三種主要燃燒產(chǎn)物CO,CO2,H2O 在1800 K下的線強(qiáng)度,圖中虛線框表示三種待測(cè)組分所采用的測(cè)量波段.從圖1 中的線強(qiáng)度及其分布可以看出,紫外吸收光譜在三種低濃度待測(cè)組分的檢測(cè)方面相比于紅外TDLAS 具有顯著優(yōu)勢(shì).一方面,三種待測(cè)組分的紫外譜線強(qiáng)度均高于相應(yīng)紅外波段2—3 個(gè)數(shù)量級(jí),這使得紫外吸收光譜相比于紅外TDLAS 具有更低的檢出限.另一方面,火焰中大量存在的燃燒產(chǎn)物CO,CO2,H2O 的吸收光譜主要集中在紅外波段,這使得紫外吸收光譜測(cè)量可以免受紅外TDLAS 測(cè)量中嚴(yán)重的燃燒產(chǎn)物干擾.

圖1 1800 K 條件下待測(cè)組分OH,NO,NH 及三種主要燃燒產(chǎn)物CO,CO2,H2O 線強(qiáng)度.其中OH,NO,NH 數(shù)據(jù)來(lái)自EXOMOL 數(shù)據(jù)庫(kù);CO,CO2,H2O 數(shù)據(jù)來(lái)自HITEMP 數(shù)據(jù)庫(kù)Fig.1.Line-strengths of OH,NO,NH and CO,CO2,H2O at 1800 K.The data of OH,NO,NH are taken from the EXOMOL database,and that of CO,CO2,and H2O are taken from the HITEMP database.

而在寬帶紫外吸收光譜中,由于光譜儀的使用,探測(cè)的光強(qiáng)被儀器函數(shù)展寬,該過(guò)程可以描述為探測(cè)光強(qiáng)和狹縫函數(shù)的卷積.則寬帶吸收測(cè)量的吸收率αI(ν) 與 (1) 式中測(cè)量的真實(shí)吸收率α(ν) 不同,其譜線變寬、吸收變?nèi)?兩個(gè)吸收率的關(guān)系可以描述為

其中Φ(ν) 是光譜儀的狹縫函數(shù),可以用高斯函數(shù)來(lái)描述.

由于儀器函數(shù)的展寬往往遠(yuǎn)大于OH 分子的譜線自身展寬,因此盡管譜線自身線型函數(shù)φ(ν)的變化基本不會(huì)引起展寬后的吸收率αI(ν) 的改變.以Girard 等[37]測(cè)量的OH 高溫譜線展寬系數(shù)為例,可以計(jì)算出OH 在2000 K、1.01×105Pa 的N2氛圍中,自身壓力展寬只有0.48 pm,遠(yuǎn)小于本文實(shí)驗(yàn)中光譜儀分辨率30 pm 乃至一般商用光譜儀的分辨率 (＞ 0.1 nm).因此,可以認(rèn)為OH 寬帶吸收光譜的吸收率函數(shù)基本只與壓強(qiáng)P、溫度T、OH 摩爾分?jǐn)?shù)X以及光譜儀分辨率有關(guān),而不會(huì)受到其他氣體分子濃度、譜線自身展寬系數(shù)不確定度等影響.

利用 (1)式—(4)式 可以計(jì)算出以溫度T和摩爾分?jǐn)?shù)X為自變量的寬帶吸收光譜理論吸收率則可以根據(jù)下式通過(guò)最小二乘擬合計(jì)算出T和X:

其中If+l,If,Il和Ib是四幅不同的測(cè)量光譜.If+l是在火焰燃燒、光源開(kāi)啟時(shí)測(cè)量的光譜;If是在火焰燃燒、光源關(guān)閉時(shí)測(cè)量的光譜,則It?Φ=If+l-If,用于消除吸收信號(hào)中火焰發(fā)射光譜的影響;Il是在火焰熄滅、光源開(kāi)啟時(shí)測(cè)量的光譜;Ib是在火焰熄滅、光源關(guān)閉時(shí)測(cè)量的背景光譜,則I0?Φ=Il-Ib,用于在基線信號(hào)中扣除背景光譜.

2.2 溫度靈敏度分析

對(duì)OH,NH 和NO 的寬帶吸收光譜擬合,均可以同時(shí)得到火焰溫度和相應(yīng)組分濃度信息.但由于光譜特性的不同,各組分寬帶吸收光譜的溫度靈敏度也不同,這可以通過(guò)仿真的不同溫度下吸收率的對(duì)比清晰地展示出來(lái).圖2(a)—(c) 所示為OH,NH 和NO 在三個(gè)不同溫度下的峰值歸一化吸收率,波長(zhǎng)范圍和光譜分辨率與實(shí)驗(yàn)一致.在1700 K 時(shí),不同振動(dòng)帶的下能態(tài)能級(jí)也被繪制出來(lái),因?yàn)樗鼈兣c溫度靈敏度密切相關(guān).從圖2 可以明顯看出,NO的吸收率在不同溫度下差異最大,說(shuō)明其溫度靈敏度在三種組分寬帶吸收光譜中最高;其次是OH 吸收率,存在變化明顯的熱線和變化不明顯的冷線;而不同溫度下NH 吸收率變化最小,說(shuō)明其溫度靈敏度較低.

圖2 不同溫度下仿真的峰值歸一化的吸收率和1700 K下線強(qiáng)度大于最大線強(qiáng)1%的譜線的下能態(tài)能級(jí) (a) OH;(b) NH;(c) NOFig.2.Simulated peak normalized absorbance at various temperatures and lower-state energies of lines with linestrength more than 1% of the maximum line-strength at 1700 K: (a) OH;(b) NH;(c) NO.

進(jìn)一步,為了定量表征三種組分寬帶吸收光譜溫度靈敏度之間的數(shù)量關(guān)系,仿真了三種組分的吸收率并添加高斯隨機(jī)噪聲,而后擬合溫度,通過(guò)多次重復(fù)統(tǒng)計(jì)得到溫度不確定度.則在信噪比 (signalto-noise ratio,SNR) 保持相同的前提下,溫度靈敏度與擬合得到的溫度相對(duì)不確定度成反比.圖3 給出了SNR 保持100、通過(guò)1000 次隨機(jī)噪聲重復(fù)擬合得到的溫度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差,溫度范圍是1000—2500 K.對(duì)比三種光譜可以發(fā)現(xiàn): 溫度靈敏度明顯存在NO＞OH＞NH 的關(guān)系,而且在2000 K 下NO溫度靈敏度是OH 的3 倍,NH 的8 倍.

圖3 仿真信噪比為100 時(shí)不同溫度條件下溫度擬合的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差Fig.3.The relative standard deviation of fitted temperature with the simulated signal-to-noise ratio of 100 at various temperatures.

上述不同組分寬帶吸收光譜溫度靈敏度區(qū)別的主要原因在于下能態(tài)能級(jí)分布的不同.根據(jù)Yang 等[32]的研究可知,多譜線測(cè)溫的靈敏度隨譜線數(shù)量、下能態(tài)能級(jí)的分布范圍增大而增加.而從圖2 給出的下能態(tài)能級(jí)分布中可以看出: NO 的不同振動(dòng)帶0-0,1-1,2-2 均存在于測(cè)量區(qū)域,下能態(tài)能級(jí)分布范圍廣,為0—7000 cm—1,而且譜線密集數(shù)量巨大.OH 光譜下能態(tài)能級(jí)具有與NO 類似的分布范圍,但譜線數(shù)量相對(duì)于NO 明顯較少.相比之下,NH 實(shí)際有效的測(cè)溫譜線主要是下能態(tài)能級(jí)分布在0—1200 cm—1的數(shù)量較少的譜線,而下能態(tài)能級(jí)較高的譜線中,1-1 振動(dòng)帶太弱而無(wú)法識(shí)別測(cè)量,336 nm 附近的0-0 振動(dòng)帶Q支譜線重疊嚴(yán)重在不同溫度下變化并不明顯.因此,NO 具有最高溫度靈敏度,而NH 的溫度靈敏度明顯低于OH和NO.

3 實(shí)驗(yàn)與仿真

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文實(shí)驗(yàn)采用的McKenna 平面燃燒器及寬帶紫外吸收光譜測(cè)量系統(tǒng)如圖4 所示.水冷McKenna平面燃燒器包含直徑60 mm 的不銹鋼多孔圓盤(pán)和外側(cè)多孔黃銅環(huán),高度可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制的電控升降臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié),移動(dòng)精度為5 μm,從而確保在光路不變的條件下實(shí)現(xiàn)不同高度的溫度及組分濃度測(cè)量.CH4(99.96%)和NH3(99.99%)作為燃料,流量分別為0.784 和0.087 L/min,摩爾分?jǐn)?shù)比例為NH3∶CH4=1∶9,與流量為9.72 L/min的干燥空氣在混氣池中充分混合后通入不銹鋼圓盤(pán)維持平面火焰,整體當(dāng)量比為0.8.另一路干燥空氣流量為10 L/min,通入外側(cè)黃銅環(huán)作為伴流氣來(lái)保持火焰穩(wěn)定.四路氣體的流量分別由四個(gè)質(zhì)量流量控制器控制,干燥空氣由空壓機(jī)和干燥機(jī)提供,含水量低于20×10—6(0.7 MPa 壓力露點(diǎn)溫度＜ — 40 ℃).

圖4 同時(shí)給出了本文搭建的高空間分辨率寬帶紫外吸收光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).寬帶光由激光驅(qū)動(dòng)白光光源 (Energetiq,EQ-99XFC LDLS) 提供,通過(guò)準(zhǔn)直器形成準(zhǔn)直光束,經(jīng)過(guò)光闌1,2 和凸透鏡A控制光束直徑,穿過(guò)待測(cè)火焰區(qū)域后經(jīng)過(guò)凸透鏡B和柱透鏡C 匯聚到光譜儀 (Princeton Instruments,SP-2750) 中,由CCD 相機(jī) (Princeton Instruments,ProEM HS) 采集.為避免雜散光影響,采用帶通濾光片在測(cè)量不同自由基時(shí)進(jìn)行切換,濾除待測(cè)波長(zhǎng)范圍以外的光信號(hào),每幅光譜采集時(shí)間為4 s.在火焰鋒面內(nèi),即燃燒器上方高度 (height above the burner,HAB) 0.6—1.6 mm 的范圍內(nèi),均勻布置21 個(gè)測(cè)點(diǎn),用于測(cè)量火焰面內(nèi)溫度和OH,NH 濃度沿高度的分布;光束直徑控制在0.1 mm 左右,以保證空間分辨率足夠高,可以實(shí)現(xiàn)火焰面內(nèi)快速變化的溫度和濃度曲線測(cè)量.為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)工況和測(cè)量的重復(fù)性,間隔一周后進(jìn)行了OH 寬帶吸收光譜重復(fù)實(shí)驗(yàn),兩次測(cè)量的溫度和OH 濃度分布對(duì)比結(jié)果將在4.1 節(jié)中討論.在火焰面上方,測(cè)量了火焰溫度和OH,NO 濃度的沿高度分布,測(cè)點(diǎn)取為

圖4 寬帶吸收的光路布置和McKenna 燃燒器供水供氣系統(tǒng)示意圖Fig.4.Schematic of the optical arrangement and the system of the McKenna burner with gas supply and cooling-water.

HAB=1.2,1.4,1.7,2.1,2.5,3.0,3.6,4.1,4.7,5.3,6.5,7.6,10.1,12.6 mm;光束直 徑控制 在0.4 mm,降低了空間分辨率以提高225 nm 附近NO 測(cè)量的光強(qiáng)和信噪比.

3.2 CFD 仿真設(shè)置

在重力作用驅(qū)動(dòng)下,常壓平面火焰出現(xiàn)明顯的溫度和濃度沿半徑分布不均勻,因此進(jìn)行二維軸對(duì)稱CFD 模擬考慮沿半徑的分布,并結(jié)合Abel 正向積分得到基于仿真的溫度濃度的高度分布曲線,從而與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.CFD 模型的基本設(shè)置和Abel 正向積分的算法參考文獻(xiàn)[32].CFD 仿真采用Okafor 等[33]提出NH3/CH4混合燃燒機(jī)理(Okafor Mech),該機(jī)理由于組分和反應(yīng)數(shù)目較少,已被成功用于二維直接數(shù)值模擬 (direct numerical simulation,DNS) 中[38].

CFD 的網(wǎng)格密度和邊界條件設(shè)置如圖5 所示.網(wǎng)格由三種不同密度的部分組成,以滿足不同的計(jì)算需求.在火焰面附近 (HAB=0—2 mm),為了保證NH 自由基濃度的計(jì)算精度,網(wǎng)格間隔沿高度方向設(shè)置為0.01 mm,沿半徑方向?yàn)?.2 mm.在火焰面上方,由于主要計(jì)算對(duì)象OH 和NO 濃度對(duì)網(wǎng)格密度的要求相對(duì)NH 而言較低,沿高度方向網(wǎng)格間隔從0.01 mm 均勻增加到1 mm.在燃燒器外的區(qū)域,由于沒(méi)有燃燒反應(yīng),只有重力和浮力驅(qū)動(dòng)的空氣流動(dòng),網(wǎng)格間隔在兩個(gè)方向上都是1 mm.圖5 還給出了計(jì)算的OH 摩爾分?jǐn)?shù)分布云圖與火焰照片的對(duì)比,在重力作用下的模擬和真實(shí)火焰的形狀相似,初步驗(yàn)證了CFD 模擬的準(zhǔn)確性.

圖5 CFD 網(wǎng)格和邊界條件設(shè)置示意圖、OH 云圖和火焰照片F(xiàn)ig.5.CFD setup of the grid and boundary conditions,together with the contour of OH mole fraction and the photo of the flame.

4 結(jié)果與討論

4.1 火焰面內(nèi)溫度和OH/NH 濃度分布測(cè)量

火焰面內(nèi) (HAB=0.6—1.6 mm) 快速變化的溫度和OH,NH 自由基濃度分布的精確測(cè)量可以用于燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的驗(yàn)證及優(yōu)化.由于OH 和NH 采用相同光路,高度坐標(biāo)完全相同,因此可以對(duì)比分析兩種自由基的溫度測(cè)量效果.同時(shí)相隔一周進(jìn)行了單獨(dú)的OH 寬帶吸收測(cè)量,與前一組實(shí)驗(yàn)的OH 濃度和溫度進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)工況與OH 寬帶吸收測(cè)量的重復(fù)性.

圖6 給出了在NH 峰值所在高度(HAB=1.07 mm),測(cè)量的OH 和NH 的吸收和基線,以及利用(5)式處理得到的實(shí)驗(yàn)吸收率和擬合結(jié)果,并在圖中標(biāo)出了擬合的溫度和摩爾分?jǐn)?shù),以及正負(fù)號(hào)后的95%概率擬合置信區(qū)間.(5)式中的背景光譜Ib被預(yù)先采集扣除,火焰輻射If通過(guò)光闌和狹縫阻擋消除,因此采集的吸收為If+l=It?Φ,基線為Il=I0?Φ.OH 擬合的均方根誤差 (root-meansquare error,RMSE) 為1.78×10—3,對(duì)應(yīng)信噪比為142,擬合得到的溫度和摩爾分?jǐn)?shù)的置信區(qū)間小于擬合結(jié)果的1%,NH 擬合的RMSE為2.3×10—4,對(duì)應(yīng)信噪比為125,擬合的溫度和摩爾分?jǐn)?shù)置信區(qū)間小于擬合結(jié)果的2%,展示了OH 和NH 寬帶吸收的高精度擬合結(jié)果.此外,如圖6(b)所示,NH 的擬合殘差主要是隨機(jī)噪聲,可以使用信噪比計(jì)算NH 的濃度檢出限在1560 K 時(shí)為35×10—9(1.8×10—9m),是已有研究中常壓火焰NH 吸收光譜測(cè)量的最低檢出限,與低壓火焰中使用紫外CRDS 達(dá)到的100 ×10—9的檢出限[5]處于同一水平.

圖6 NH 峰值所在高度(HAB=1.07 mm)的(a) OH 和(b) NH 的測(cè)量與擬合光譜,光譜分辨率均為30 pmFig.6.Measured and fitted spectra of (a) OH and (b) NH at the same height of the NH peak value (HAB=1.07 mm)with the instrumental resolution of 30 pm.

圖7 給出了火焰面內(nèi)OH 和NH 寬帶吸收光譜擬合的溫度與濃度的高度分布曲線,實(shí)驗(yàn)1 表示同時(shí)測(cè)量OH 和NH 寬帶吸收光譜的組別,實(shí)驗(yàn)2表示間隔一周后只測(cè)量OH 寬帶吸收光譜的重復(fù)實(shí)驗(yàn)組別,圖7(a)中實(shí)驗(yàn)2 的OH 溫度誤差棒是擬合的95%概率置信區(qū)間,圖6(a)和圖6(b)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖7 中標(biāo)出.如圖7(a)和圖7(b)所示,兩組實(shí)驗(yàn)中的OH 寬帶吸收測(cè)量結(jié)果展現(xiàn)了良好的一致性,兩組OH 濃度曲線基本重合,實(shí)驗(yàn)1的溫度曲線也基本在實(shí)驗(yàn)2 的擬合置信區(qū)間內(nèi),表明實(shí)驗(yàn)工況和OH 寬帶吸收測(cè)量具有很好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性.圖7(a)中還對(duì)比了OH 和NH 的寬帶吸收測(cè)溫結(jié)果,在NH 濃度較高、信噪比較高的范圍內(nèi) (HAB=0.9—1.2 mm),NH 和OH 的溫度擬合結(jié)果基本保持一致,這說(shuō)明NH 寬帶吸收在火焰面中同樣可以用于溫度測(cè)量,當(dāng)然其測(cè)溫準(zhǔn)確度低于濃度和溫度靈敏度更高的OH.但由于NH僅存在于火焰面內(nèi),可以預(yù)見(jiàn)在復(fù)雜燃燒環(huán)境中,NH 寬帶吸收測(cè)量的溫度可以避開(kāi)已燃區(qū)域的干擾而直接捕捉到火焰鋒面處的溫度,給出OH,NO 或者H2O,CO2等組分吸收光譜無(wú)法得到的溫度信息.實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度和OH,NH 濃度曲線進(jìn)一步與CFD 模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖7(c)所示,在溫度和濃度數(shù)值以及曲線形狀上實(shí)驗(yàn)與CFD 結(jié)果基本符合,進(jìn)一步驗(yàn)證了OH 和NH 寬帶吸收測(cè)量的準(zhǔn)確性,而NH 曲線寬度的一致性同時(shí)也反映了實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的高空間分辨率.

圖7 火焰面內(nèi)不同高度下兩組實(shí)驗(yàn)中OH 和NH 擬合及CFD 模擬的溫度和摩爾分?jǐn)?shù)分布Fig.7.The temperatures and concentrations of OH and NH in two experimental groups and simulation results from CFD at various heights inside the flame front.

4.2 火焰面上方溫度和OH/NO 濃度分布測(cè)量

圖8 給出了靠近火焰面 (HAB=1.38 mm)的OH(圖8(a))和NO(圖8(b))以及遠(yuǎn)離火焰面(HAB=12.63 mm) 的OH(圖8(c))和NO(圖8(d))的寬帶吸收光譜擬合.圖8(a)中靠近火焰面位置的OH 濃度較高,信噪比達(dá)到192,擬合置信區(qū)間小于測(cè)量值的0.6%;圖8(c)中遠(yuǎn)離火焰面的OH濃度低至197×10—6,但信噪比仍有164,擬合置信區(qū)間小于測(cè)量值的0.8%,展示了不同濃度下OH 寬帶吸收光譜的高精度擬合效果.此外,圖8(c)的OH 弱吸收光譜擬合殘差主要由隨機(jī)噪聲組成,RMSE為3.2×10—4,可以估算OH 檢出限在1590 K下為1.2×10—6(60×10—6m),明顯優(yōu)于Bürkle 等[7]用1.53 μm 紅外TDLAS 在火焰中測(cè)量的OH 檢出限92×10—6(3.7×10—6m).

圖8(b)中靠近火焰面的NO 寬帶吸收光譜擬合受到了NH3光譜的干擾,因此使用了Weng 等[30]標(biāo)定的NH3吸收截面進(jìn)行修正 (在圖中用橙色點(diǎn)線表示).但由于Weng 等使用的光譜儀分辨率與本文實(shí)驗(yàn)裝置不同且波長(zhǎng)標(biāo)定存在偏差,NO 的光譜擬合準(zhǔn)確性仍然受到影響,擬合殘差較大,剩余標(biāo)準(zhǔn)差為1.4×10—3,擬合的95%置信區(qū)間達(dá)到擬合結(jié)果的3%.由于火焰面上方NH3應(yīng)當(dāng)已經(jīng)完全燃燒,可以判斷該部分NH3是從平面火焰與伴流氣的交界面逸出,與Yang 等[32]在CH4/air 平面火焰的CO-TDLAS 測(cè)量中發(fā)現(xiàn)的CH4干擾類似.圖8(d)中遠(yuǎn)離火焰面的NO 擬合具有更準(zhǔn)確的結(jié)果,擬合殘差主要是隨機(jī)噪聲,RMSE為7 ×10—4,擬合置信區(qū)間小于擬合結(jié)果的1%,而且可以估算檢出限在1380 K 下僅為21×10—6(1×10—6m),明顯優(yōu)于Shang 等[12]用5.26 μm 中紅外QCL-TDLAS測(cè)量的1400 K 下NO 檢出限200×10—6(10 ×10—6m).上述OH 和NO 濃度的低檢出限,展示了寬帶紫外吸收光譜在兩種組分濃度測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì).

圖8 近火焰面的高度(HAB=1.38 mm)下(a) OH 和 (b) NO 以及遠(yuǎn)離火焰面的高度(HAB=12.63 mm)下 (c) OH 和(d) NO的測(cè)量和擬合光譜,310 nm 附近OH 光譜分辨率30 pm,225 nm 附近NO 光譜分辨率34 pmFig.8.Measured and fitted spectra near the flame (HAB=1.38 mm) of (a) OH and (b) NO and the spectra far away the flame(HAB=12.63 mm) of (c) OH and (d) NO with the instrumental resolution of 30 pm at 310 nm and of 34 pm at 225 nm.

此外,對(duì)比OH 和NO 的測(cè)溫結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),靠近火焰面位置OH 和NO 測(cè)量的溫度非常一致,而遠(yuǎn)離火焰面后OH 測(cè)量的溫度明顯高于NO.這是由于在吸收光譜沿光路積分的測(cè)量下,火焰外圍低溫區(qū)域吸收降低了沿光路的平均溫度,包括NO 或者TDLAS 中常用的CO2和H2O 分子均會(huì)因?yàn)樵撘蛩囟绊憸y(cè)溫準(zhǔn)確性;與之相比,OH 基本不存在于1000 K 以下的低溫區(qū)域,因此受到的影響明顯更小.但也可以預(yù)見(jiàn),NO 寬帶吸收光譜相比于OH 具有在低溫區(qū)域測(cè)溫的能力,可以補(bǔ)充OH 測(cè)溫區(qū)域的空白,應(yīng)用于燃燒上游或火焰外圍的溫度測(cè)量.

圖9 中對(duì)比了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度和NO,OH 摩爾分?jǐn)?shù)隨高度的變化以及相應(yīng)的CFD 模擬結(jié)果.其中,溫度與OH 摩爾分?jǐn)?shù)均來(lái)自于OH 寬帶吸收光譜的擬合結(jié)果,并且包含了火焰面內(nèi)和火焰面上方兩部分的實(shí)驗(yàn)和CFD 結(jié)果.如圖9 所示,實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度和OH,NO 摩爾分?jǐn)?shù)的數(shù)值與曲線變化趨勢(shì)均與CFD 結(jié)果基本保持一致,驗(yàn)證了OH和NO 寬帶吸收的溫度與絕對(duì)濃度測(cè)量能力.但可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度曲線和CFD 結(jié)果存在均勻的約60 K 的偏差,而OH 濃度峰值則偏差了約300×10—6.考慮到燃料中90%是CH4,是影響溫度和OH 濃度的主要燃料,因此推測(cè)溫度和OH濃度偏差的原因主要是CFD 使用的Okafor 機(jī)理中來(lái)自于GRI-Mech 3.0 的碳相關(guān)子機(jī)理準(zhǔn)確性不足.該部分子機(jī)理主要源自上世紀(jì)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),因此可能需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步提升改進(jìn)以提高Okafor 機(jī)理對(duì)CH4/NH3混合燃燒的溫度和OH濃度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性.

圖9 溫度和OH,NO 摩爾分?jǐn)?shù)的高度分布Fig.9.The temperatures and mole fractions of OH and NO at various heights.

5 結(jié)論

本文針對(duì)常用的紅外TDLAS 測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)火焰中OH,NO,NH 等低濃度自由基或分子絕對(duì)濃度測(cè)量的現(xiàn)狀,使用寬帶紫外吸收光譜實(shí)現(xiàn)了火焰溫度和OH,NO,NH 濃度的同步測(cè)量.通過(guò)理論分析展示了紫外吸收光譜由于強(qiáng)吸收和免受燃燒產(chǎn)物干擾而具有的低檢出限優(yōu)勢(shì),并結(jié)合仿真模擬定性和定量比較了三種光譜的溫度靈敏度.分析結(jié)果表明,由于寬帶吸收同時(shí)測(cè)量大量譜線,三種自由基均具有較高的測(cè)溫靈敏度,在光譜信噪比為100 條件下仿真得到溫度擬合相對(duì)不確定度小于1%;同時(shí)由于下能級(jí)分布和譜線數(shù)量的差異,不同分子光譜的溫度靈敏度不同: NO ＞ OH ＞ NH,在2000 K 下NO 測(cè)溫靈敏度是OH 的3 倍,NH的8 倍.

隨后,針對(duì)NH3/CH4/air 常壓平面預(yù)混火焰,利用寬帶紫外吸收光譜實(shí)現(xiàn)了火焰溫度和OH,NH,NO 摩爾分?jǐn)?shù)同步測(cè)量.實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了三種組分的低檢出限測(cè)量: NH 的1σ檢出限達(dá)到1.8×10—9m(1560 K),在常壓火焰中實(shí)現(xiàn)了10—9量級(jí)的NH 吸收光譜測(cè)量;OH 和NO 的1σ檢出限分別達(dá)到了60×10—9m (1590 K) 和1×10—6m (1380 K),也明顯優(yōu)于現(xiàn)有的紅外TDLAS 測(cè)量的檢出限,展示了寬帶紫外吸收對(duì)于三種組分的濃度測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì).進(jìn)一步,在火焰面內(nèi),同步測(cè)量了OH,NH 濃度和各自擬合的溫度沿高度的分布,且OH 與NH 擬合的溫度保持一致;在火焰上方同步測(cè)量了OH,NO濃度和溫度沿高度的分布,在靠近火焰面位置OH和NO 擬合的溫度保持一致,驗(yàn)證了三種組分寬帶吸收光譜的溫度和濃度同步測(cè)量能力.同時(shí)還對(duì)比了三種組分各自適用的不同測(cè)溫環(huán)境: OH 適用于1000 K 以上的高溫燃燒環(huán)境,NH 適用于復(fù)雜燃燒場(chǎng)中捕捉火焰鋒面溫度,而NO 適用于1000 K以下低溫區(qū)域彌補(bǔ)OH 測(cè)溫區(qū)域的空白.此外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于Okafor 機(jī)理的CFD 仿真結(jié)果基本符合,驗(yàn)證了寬帶吸收的溫度與濃度測(cè)量的效果,也指出Okafor 機(jī)理中的碳相關(guān)子機(jī)理還需要進(jìn)一步提升優(yōu)化.本文使用寬帶紫外吸收光譜實(shí)現(xiàn)了溫度和OH,NH,NO 多組分濃度同步測(cè)量,方法成本較低、結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單,為燃燒場(chǎng)的吸收光譜診斷提供了新的測(cè)量方法參考.