基于自發(fā)輻射分析的被動式燃燒診斷技術研究進展

婁 春, 張魯棟, 蒲 旸, 張仲儂, 李智聰, 陳鵬飛

1. 華中科技大學能源與動力工程學院 煤燃燒國家重點實驗室, 武漢 430074;2. 中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院, 四川 綿陽 621703

0 引 言

燃燒的本質是流動、化學反應與傳熱傳質三者之間的相互耦合、相互作用。運用物理化學理論分析、數(shù)學模型模擬、燃燒診斷等方法，能夠對燃燒有更完善和更深入的認識了解，從而使燃燒學由描述性的、半經(jīng)驗性的科學走向本質性的、嚴謹性的科學[1]。

燃燒診斷學是燃燒學的一個重要分支，是通過實驗和檢測直接獲取數(shù)據(jù)來認識燃燒現(xiàn)象、實踐和理論的科學[2-6]。從廣義上說，燃燒診斷不同于一般的流體測量，它面向的對象是高溫或高溫高壓的氣-固或氣-液兩相、氣-液-固三相的流體，包括了化學反應、流體力學、傳熱傳質和其他物理現(xiàn)象之間復雜的相互作用。其任務是利用光學、聲學、熱學等測試技術定量獲取能夠反映燃燒系統(tǒng)工作過程的各種信息(主要包括燃燒反應區(qū)的溫度、速度、組分體積分數(shù)、壓力、顆粒尺寸及其隨時間與空間的分布等)，并結合數(shù)據(jù)處理方法，對燃燒過程進行離線或在線分析[6]。

按照與待測對象接觸的形式，可以將燃燒診斷技術分為兩大類：一類是接觸式取樣分析技術，另一類是非接觸式燃燒診斷技術。取樣分析技術主要以探針取樣，使燃燒產(chǎn)物快速絕熱擴散至真空環(huán)境中，在無碰撞環(huán)境中得以保存較長壽命以便檢測。取樣方法有兩種，一種是利用毛細管取樣，對火焰結構擾動較小，能探測到穩(wěn)定的分子；另一種是利用分子束進行原位取樣，取樣后分子無任何碰撞，可以有效地冷卻分子和自由基，因而能準確探測燃燒過程中產(chǎn)生的各種穩(wěn)定和不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物。取樣后的產(chǎn)物通常結合氣相色譜(GC)、質譜(MS)或色-質聯(lián)用(GC-MS)等儀器開展分析，或將分子束取樣與同步輻射真空紫外光電離質譜(SVUV-PIMS)相結合，能廣泛探測燃燒產(chǎn)生的中間產(chǎn)物(包括同分異構體)，為燃燒反應動力學研究提供重要且有價值的實驗數(shù)據(jù)。取樣分析技術的優(yōu)點在于能與各種強大的檢測手段相結合，從而獲得更全面更靈敏的診斷信息，特別是活潑的燃燒中間產(chǎn)物的體積分數(shù)信息；其不足之處是對燃燒體系有一定的擾動，但通過對取樣探針外形的優(yōu)化可以大幅降低擾動的影響[1, 7]。

非接觸式燃燒診斷技術又可分為主動式和被動式兩類。主動式燃燒診斷技術是對燃燒系統(tǒng)施加激光、聲波等外部信號，通過檢測燃燒過程與所施加的外部信號的相互作用結果，實現(xiàn)對溫度、速度、組分體積分數(shù)等多種熱物理參數(shù)的測量。其中，燃燒激光診斷技術依賴于電磁輻射與火焰中原子、分子、簇、顆粒物及微滴的相互作用?？烧{(diào)激光的應用和非線性光學技術的發(fā)展，極大地擴展了燃燒光譜分析的可行性，基于激光的燃燒診斷技術已是燃燒實驗研究的主要手段[7-11]。常用的激光診斷技術包括：測量速度的激光多普勒測速(LDV)、相位多普勒粒子分析儀(PDPA)和粒子圖像測速(PIV)，測量密度的激光干涉和激光紋影技術，測量溫度和組分體積分數(shù)的拉曼散射、激光誘導熒光(LIF)、激光誘導熾光(LII)、激光誘導擊穿光譜(LIBS)、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)和可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)等技術。其特點是：在測量過程中對燃燒火焰幾乎沒有干擾，燃燒過程中原子和分子的光譜狀態(tài)可以很高的時間、光譜和空間分辨率進行觀察，對單個被測參數(shù)選擇性強、精度高；結合平面激光(Planar Laser)或層析成像(Tomography)[12-14]可實現(xiàn)二維場分布信息檢測，多用于實驗室燃燒檢測研究，但一般難以應用于強振動、高粉塵、大尺寸的工業(yè)燃燒裝置中。此外，聲學法[15]、電容法[16]也已用于燃燒火焰溫度測量中，結合層析成像也可得到二維溫度分布；但在這兩種方法中，一條測量路徑一次僅能獲得一個測量數(shù)據(jù)，在提高空間和時間分辨率方面存在障礙。

在實際工業(yè)燃燒條件下，受燃燒空間尺寸較大、燃燒火焰中氣體和顆粒等介質自身釋放的光熱輻射強烈、測量環(huán)境惡劣等諸多因素的限制，主動式燃燒診斷技術的信號易被干擾甚至被阻擋、光路等測量路徑復雜甚至難以布置，因此，基于火焰自發(fā)輻射分析的被動式燃燒診斷技術受到越來越多的重視[6, 17-19]，這類技術不采用任何外加信號，僅檢測燃燒過程中產(chǎn)生的光、熱等信息進行燃燒診斷。其特點是：對環(huán)境要求不高，系統(tǒng)比較緊湊，易于實施；信息轉換環(huán)節(jié)少，相對易于標定；但對被測參數(shù)選擇性不高，耦合因素較多，信號的后續(xù)分析復雜。

最早利用火焰自發(fā)輻射開展燃燒診斷的研究可以追溯到19世紀。德國化學家Bunsen發(fā)現(xiàn)不同成分的化學物質在本生燈上灼燒時會呈現(xiàn)不同焰色，并基于此現(xiàn)象開展了火焰光譜分析。20世紀中葉，物理學家Gaydon奠定了火焰光譜學的基礎[20]?；鹧婀庾V分析主要是利用光譜儀等獲取燃燒火焰在某一波段內(nèi)的光譜分布，并對光譜強度進行直接分析處理。這是一種沿視線的測量技術，不具備空間分辨率，只能通過移動光譜探頭獲取燃燒火焰上不同位置的檢測結果。20世紀80年代，CCD等陣列傳感器被引入燃燒火焰圖像的分析處理中，用于獲得火焰在某個寬波段內(nèi)的圖像信息；還可以在陣列傳感器前加單色濾色片來獲得單個波長或窄波段內(nèi)的單色火焰圖像，并對火焰圖像進行直接處理，雖然圖像中各像素點信息仍然是沿視線的累積值，但所獲得的檢測結果具有二維空間的分辨率[17]；20世紀90年代，研究者開始把火焰邊界上檢測到的光譜或圖像信息與火焰內(nèi)的光、熱傳遞過程相關聯(lián)，根據(jù)輻射傳遞方程建立了火焰熱輻射成像模型，該模型建立了火焰中的三維溫度分布、介質輻射特性(組分體積分數(shù))分布與邊界上檢測到的火焰圖像或光譜的定量關系，對其求解即可獲得燃燒火焰的三維溫度分布等信息，所得結果具有三維空間分辨率[6, 17]。

自20世紀90年代以來，華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室開展了大量燃燒測量技術方面的研究工作[21]，并一直致力于基于自發(fā)輻射分析的被動式燃燒診斷技術的研究及應用。本文基于自發(fā)輻射燃燒診斷技術的發(fā)展歷程及特點，結合實驗室已開展的燃燒測量及診斷研究工作，從火焰發(fā)射光譜、火焰圖像處理、熱輻射成像等方面對相關基本原理、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行介紹，并對發(fā)展趨勢和動態(tài)進行探討。

1 火焰發(fā)射光譜技術

1.1 火焰發(fā)射光譜原理

圖1 火焰發(fā)射光譜Fig. 1 Emission spectra of flames

在燃燒火焰的發(fā)射光譜測量中，由于火焰自身就是一種等離子體，無需外加光源產(chǎn)生光譜，可用發(fā)射光譜儀對其進行直接測量[6, 9]。發(fā)射光譜儀是基于色散原理的光譜測量儀器，通過棱鏡或光柵等分光器件，將光線按不同波長進行分離，形成按波長劃分的光線能量分布。光譜儀檢測的原始數(shù)據(jù)為相對值，即根據(jù)傳感器量化深度得到的count值，通過對其作熱輻射標定，可得到絕對的光譜輻射強度[6]。實際測得的火焰發(fā)射光譜往往是線狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜的疊加。

按波段不同，火焰發(fā)射光譜還可分為紅外光譜、可見光譜和紫外光譜，不同波段的發(fā)射光譜由火焰中不同的物質所產(chǎn)生。如圖1(c)所示，火焰的紫外-可見光譜中，包含了自由基的化學發(fā)光信號，可用于對燃燒過程的定性分析；火焰的可見光-近紅外光譜中，則包含了來自碳煙等固體顆粒的黑體輻射連續(xù)光譜，結合熱輻射定律及顆粒輻射特性，可定量計算火焰中固相介質溫度和體積分數(shù)；而火焰的紅外光譜中，包含了CO2和H2O等氣體的譜帶輻射，可用于對火焰中氣體溫度和體積分數(shù)的定量計算；此外，火焰可見光譜中，來自于某些金屬的特征譜線也可用于火焰溫度的定量計算。

1.2 定性分析

在預混火焰中，自由基是重要的中間產(chǎn)物。自由基的形成是源于一些關鍵的化學反應步驟，如表1所示。自由基化學發(fā)光光譜與當量比、壓力、燃料組分等燃燒參數(shù)甚至碳煙生成都有著直接的聯(lián)系[18-19]。

表1 自由基生成的反應路徑的特征波長Table 1 Formation routes of excited radicals and characteristic wavelengths

圖2 大氣壓力下甲烷/空氣預混火焰的歸一化OH*、CH*和發(fā)射強度為當量比的函數(shù)[18]Fig. 2 Premixed methane/air flame at atmospheric pressure(normalized OH*, CH* and emission as a function of φ) [18]

圖3 天然氣與不同體積分數(shù)氫氣的混合物的發(fā)射光譜(當量比為0.7)[19]Fig. 3 Emission spectra for blends of natural gas and hydrogen with different volume fractions of H2 and φ =0.7[19]

圖4 乙烯/空氣部分預混火焰圖像及發(fā)射光譜Fig. 4 Images and emission spectra at inter-conal zone of ethylene/air partially premixed flame for different equivalence ratios

1.3 定量計算

1.3.1 溫度

通過對物體發(fā)射光譜的分析，可以實現(xiàn)溫度的測量。根據(jù)熱輻射定律，物體表面發(fā)出的光譜輻射強度等于物體表面的發(fā)射率乘以同溫度下黑體的光譜輻射強度。式(1)為描述黑體光譜輻射強度Ib的Planck輻射定律：

(1)

式中，λ為波長，T為溫度，c1和c2分別為第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)。

若被測對象的發(fā)射率在某個波段為已知，則可根據(jù)Planck輻射定律從某個波段輻射強度的測量值中計算出溫度。紅外測溫儀就是在給定被測對象發(fā)射率的條件下，通過獲取其紅外波段輻射信號進而獲得其溫度。對于大多數(shù)金屬和非金屬，其表面的發(fā)射率在測量的紅外波段內(nèi)可視為已知常數(shù)，因此可準確測得其溫度；但對于燃燒火焰，由于氣體介質的存在，其發(fā)射率在紅外波段具有復雜的變化特性，必須加以詳細分析。

若被測對象的發(fā)射率隨波長變化符合某種規(guī)律，則可從測量的多個波長的輻射強度中同時計算出溫度和發(fā)射率?；诖嗽恚⒘嘶鹧鏈囟葴y量的多波長法和雙色法。多波長法假定在一定波長范圍內(nèi)火焰發(fā)射率與波長呈函數(shù)關系，根據(jù)測得的多個波長下的單色輻射強度建立方程組，即可同時求出火焰溫度和發(fā)射率分布。國內(nèi)外研究者均在多波長測溫方法及應用方面開展了相關研究工作[9, 26-29]。

雙色法假定火焰在2個波長下的發(fā)射率相同，再得到這2個波長下的火焰單色輻射強度比值，進而計算出火焰溫度和黑度。研究表明，煤粉燃燒火焰中焦炭等固體顆粒在可見光波段的光譜輻射滿足灰性假設[30]。因此，雙色法被廣泛應用于電站燃煤鍋爐內(nèi)的溫度測量[17]。但其他類型的燃燒火焰對象是否滿足灰性假設還難以得知。本課題組提出了一種方法，可從火焰多波長發(fā)射光譜中判斷火焰滿足灰性條件的波長區(qū)間，然后再計算火焰溫度和黑度，可以得到更為精確的結果[31]。首先，由波長λ和λ+Δλ下光譜輻射強度的比值計算得到溫度：

(2)

式中，T為溫度，λ為波長，c2為第二輻射常數(shù)。I(λ,T)和I(λ+Δλ,T)為2個波長下的單色輻射強度。

在獲得光譜溫度后，光譜發(fā)射率ε(λ)可用同溫度下輻射強度對黑體光譜輻射強度的比值表示：

(3)

式中，ε(λ)為火焰的光譜發(fā)射率，Ib(λ,T)為黑體光譜輻射強度。

最后，根據(jù)光譜發(fā)射率在檢測波段內(nèi)的分布來判定其是否滿足灰體假設。如果為灰體，則用雙色法就能準確計算其溫度。

需要注意的是：碳氫擴散火焰中包含碳煙固體顆粒及CO2等氣體，從火焰可見光-近紅外波段發(fā)射光譜計算出的溫度主要代表了火焰中固體顆粒的溫度，而火焰中的氣體溫度與固體顆粒溫度并不完全相同。實際上，在圖1(b)所示的中紅外輻射波段，火焰發(fā)出的光譜輻射強度可分為兩部分，即入射火焰輻射強度的貢獻部分以及火焰內(nèi)氣體自發(fā)輻射的貢獻部分：

Io,η=Ii,ηtgas,η+Ib,η(Tgas)(1-tgas,η)

(4)

式中：Io,η為火焰的出射光譜輻射強度，可以通過測量火焰輻射得到；Ii,η為入射火焰的光譜輻射強度，可通過測量背景輻射得到；Ib,η為火焰中氣體的黑體光譜輻射強度；tgas,η為火焰中氣體的光譜透射率；下標η表示波數(shù)。

根據(jù)式(4)，當火焰中氣體的光譜透射率tgas,η為0，測量得到的火焰出射光譜輻射強度Io,η與火焰中氣體的黑體光譜輻射強度Ib,η一致。研究表明，碳氫火焰中的CO2在波數(shù)2350 cm-1(波長4.29 μm)下有著強烈的吸收作用，其光譜透射率可近似為0[32]。因此，火焰中氣體溫度Tgas可通過該波數(shù)下測得的出射光譜輻射強度得到。本課題組分別用雙色法和上述紅外光譜分析法從圖1(a)和(b)中給出的乙烯/空氣擴散火焰發(fā)射光譜中得到了火焰軸線上沿高度的碳煙和氣體溫度分布，如圖5所示。從圖中可見，該火焰軸線上的氣體溫度在1404～1561 K之間，低于用雙色法獲得的碳煙溫度(1722～1906 K)。

圖5 乙烯/空氣擴散火焰的溫度檢測結果Fig. 5 Measured temperatures of ethylene/air diffusion flame

此外，測量燃燒火焰溫度的發(fā)射光譜技術還有原子譜線法。由原子物理學、原子光譜學相關理論可知同一元素兩原子發(fā)射譜線的強度比與溫度的函數(shù)關系，因此可通過測量火焰光譜中某元素(如Na或K)兩原子發(fā)射譜線相對強度比來測量火焰溫度[33]。

1.3.2 組分體積分數(shù)

在采用發(fā)射光譜技術得到火焰溫度之后，還可以從發(fā)射光譜強度中計算出火焰中碳煙顆粒、氣體組分、氣相堿金屬的體積分數(shù)。

1) 碳煙顆粒體積分數(shù)

以多波長法和雙色法計算溫度的同時，還能得到火焰光譜輻射率，進一步根據(jù)Hottel-Broughton公式可計算火焰的KL因子[34]：

(5)

式中：K為吸收系數(shù)；L為沿視線方向的火焰厚度；T為火焰溫度，Ta為表觀溫度；α為碳煙顆粒直徑及其折射率指數(shù)的函數(shù)，對于不同燃料或火焰類型需選取不同的值。KL因子與火焰中的碳煙顆粒體積分數(shù)成正比，主要用于內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒過程中碳煙生成的診斷。α的取值和測量波長的選擇對KL因子的計算結果有影響。測量波長的選擇，理論上是任意的，但實際應用中需考慮幾個因素：一是α的取值與波長也有關；二是測試系統(tǒng)的光譜響應；三是火焰對象的發(fā)射光譜分布。

2) CO2和水蒸氣體積分數(shù)

火焰中氣相組分體積分數(shù)不同時，氣體的光譜輻射特性(如透射率)分布也不同。在1.3.1節(jié)中，火焰的出射光譜輻射強度Io,η和入射火焰的光譜輻射強度Ii,η可通過光譜儀測量得到，計算出氣體溫度Tgas，再結合式(4)，可得到火焰中氣體的光譜透射率：

(6)

在已知火焰氣體溫度條件下，先假定火焰中CO2和水蒸氣的體積分數(shù)為某值，則可用LBL(Line-by-line)等氣體輻射特性計算方法[32]獲得火焰中氣體光譜透射率的理論值，在一定的波段范圍內(nèi)對比氣體光譜透射率的測量值與理論值，通過優(yōu)化迭代找到測量值與理論值誤差最小時的氣體組分體積分數(shù)，即可得到火焰中CO2和水蒸氣的體積分數(shù)。基于圖1(b)的乙烯/空氣擴散火焰中的氣體發(fā)射光譜，采用前述紅外光譜法估算了火焰軸線上的CO2和水蒸氣體積分數(shù)分布，如圖6所示(縱軸為沿火焰視線累積的氣體體積分數(shù))。

圖6 乙烯/空氣擴散火焰的氣體組分體積分數(shù)檢測結果Fig. 6 Measured gas volume fraction of ethylene/air diffusion flame

圖7給出了火焰軸線歸一化高度為0.84時氣體光譜透射率的測量值與理論值的對比。從圖中可見，測量的光譜透射率與理論值總體吻合較好，但是在2200～2500 cm-1和3720～3900 cm-1波段有一些差別，其原因是：在本文的氣體光譜透射率理論計算中僅考慮了CO2和水蒸氣2種氣體，但實際火焰中可能還包括CO等其他輻射參與介質，這會給氣體體積分數(shù)的測量帶來誤差。此外，紅外光譜強度及溫度測量結果對氣體體積分數(shù)的估算也有影響。以氣體光譜透射率的測量值與理論值的總體標準偏差來表示氣體體積分數(shù)測量的不確定度：

(7)

式中，Nλ為波長總數(shù)，tgas,η和tgas,η,c分別為光譜透射率的測量值和理論值。圖7給出的氣體光譜透射率測量值與理論值的總體標準偏差為9.5%(圖中橫軸η為波數(shù))。

圖7 氣體光譜透射率測量值與理論值的對比Fig. 7 Comparison of measured gas spectral transmissivity and theoretical value

3) 氣相堿金屬體積分數(shù)

從圖1(d)中可以看到，樟木顆粒燃燒火焰發(fā)射光譜由火焰中碳煙的連續(xù)輻射Isoot及氣相堿金屬K發(fā)射譜線IK兩部分疊加而成。因此，在檢測的發(fā)射光譜曲線中扣除碳煙的連續(xù)輻射即可得到K的特征光譜強度IK。根據(jù)原子發(fā)射光譜理論[20]，火焰中堿金屬被激發(fā)而發(fā)出的特征譜線強度正比于氣相堿金屬的體積分數(shù)，可通過標定實驗建立堿金屬譜線強度與其氣相體積分數(shù)的定量關系，實現(xiàn)對火焰中氣相堿金屬體積分數(shù)的在線原位檢測?；谠摲椒?，本課題組開展了生物質燃料燃燒火焰及垃圾焚燒爐內(nèi)氣相堿金屬體積分數(shù)的檢測研究[23, 35]。圖8給出了樟木顆粒在揮發(fā)分、焦炭、灰分3個燃燒階段釋放的氣相堿金屬體積分數(shù)隨時間的變化。

圖8 樟木顆粒燃燒過程中K元素氣相體積分數(shù)隨時間的變化[23]Fig. 8 Variation of gaseous phase K volume fraction with time during the combustion of camphorwood pellet [23]

2 火焰圖像處理技術

2.1 火焰圖像檢測

光譜儀檢測的是火焰上某一點或某一區(qū)域沿視線方向發(fā)出的光譜信息，無法對被測火焰沿空間分布的燃燒信息實施檢測；火焰圖像檢測則是基于三維燃燒火焰發(fā)出的光投影至面陣圖像傳感器上形成的圖像，有助于獲得火焰溫度等參數(shù)的二維分布。

燃燒火焰的發(fā)光覆蓋了紫外-可見光-紅外的寬波段范圍，除可見光之外，電磁波譜中的其他部分也可以形成圖像。因此，結合具有不同光譜響應波段的圖像傳感器，廣義的火焰圖像處理技術包括了對燃燒火焰的可見光彩色圖像、紅外熱圖像、紫外圖像的處理[6]。常用于圖像檢測的裝置為攝像機或相機，根據(jù)其面陣圖像傳感器的分辨率，所獲得的圖像可達百萬像素以上。在紫外和紅外圖像中，每個像素可給出灰度值，彩色圖像的每個像素由紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)三基色值組成；灰度值及三基色值的數(shù)值范圍取決于圖像傳感器的量化深度。一般情況下，攝像機檢測圖像的速率為每秒24幀；而在燃氣輪機、超聲速燃燒、爆炸燃燒等領域，由于燃燒過程發(fā)生在很短的一個時間區(qū)間內(nèi)，有必要使用每秒上千幀的高速攝像機來獲取瞬態(tài)火焰圖像。

2.2 定性分析

射流擴散火焰是燃燒研究的基礎對象。當射流速度較小時，火焰燃燒穩(wěn)定，形成明亮、穩(wěn)定的層流火焰，火焰形狀(高度)隨射流速度的增大而增大(Roper模型)；當射流速度增大到一定程度時，火焰開始發(fā)生抖動，出現(xiàn)周期性的上下和左右脈動，且隨著速度增大，脈動強度增大；隨著射流速度的進一步增大，火焰將不再維持穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，出現(xiàn)破碎結構，火焰縮短，形成由多個旋渦組合而成的湍流火焰，此時火焰高度不隨射流速度的增大而變化，且火焰噪聲增強，脈動進一步加強。通過對射流擴散火焰圖像的直接處理，可以獲得火焰的形狀、脈動特性和特征參數(shù)等，有助于開展燃燒的定性分析。

2.2.1 射流擴散火焰的火焰形狀

火焰形狀是層流射流擴散火焰的重要特征。層流射流擴散火焰形狀由當量比為1的點組成的火焰面來表示，這與火焰的實際可見形狀是不同的，因為火焰中會產(chǎn)生碳煙，碳煙在火焰尾部燃燒，并使得火焰呈現(xiàn)橙色或黃色[36]。由于CH*自由基產(chǎn)生于火焰反應區(qū)的第一次急劇升溫位置，可用其發(fā)光強度圖像表征火焰形狀；同樣，OH*自由基的發(fā)光強度圖像也可用于表征火焰面的位置。本課題組開展了乙烯層流反擴散火焰形狀的理論計算及實驗測量研究，在不同的空氣流量下，從CH*自由基的化學發(fā)光強度分布得到實驗測量的火焰形狀，用于檢驗Roper模型計算的反擴散火焰形狀，如圖9所示[37]。

圖9 反擴散火焰形狀的理論計算及實驗測量[37]Fig. 9 Theoretical calculation and experimental measurement of the shape of inverse diffusion flame [37]

2.2.2 射流擴散火焰的脈動特性

如前所述，當燃料流速超過某一臨界值時，射流擴散火焰出現(xiàn)脈動現(xiàn)象。其原因在于：燃燒過程所釋放的熱量會降低火焰周圍的氣體密度，形成徑向密度梯度；同時，火焰面處的高溫已燃氣體向周圍冷環(huán)境擴散，冷熱氣體相遇，在正的徑向密度梯度作用下形成渦旋結構；在浮力作用下，渦旋加速上升并穿過已燃氣體，擠壓火焰鋒面，使之出現(xiàn)脈動，導致其伸長、縮短以及焰頂分離。圖10給出了本課題組通過高速攝像機拍攝的靜止空氣條件下乙烯射流擴散火焰的脈動圖像[38]。

圖10 靜止空氣條件下乙烯射流擴散火焰的脈動圖像[38]Fig. 10 Images of flickering ethylene diffusion flame under static air condition [38]

擴散火焰的脈動在有利條件下可產(chǎn)生很強的低頻火焰振蕩。這種振蕩與燃料管路的長度或直徑無關，而與燃料和周圍空氣之間的剪切力有關。通常認為這是由于層流燃料射流不穩(wěn)定造成的，它可以擴展為正弦振蕩，并形成周期性的旋渦。采用燃料氣流同軸伴流的方法可以抑制甚至消除振蕩。

本課題組采用高速攝像機捕捉火焰脈動瞬時圖像并進行處理，獲得火焰灰度值的時域分布，再利用傅里葉變換求出火焰灰度值的頻域分布，從而確定火焰的脈動頻率與幅值，給出了火焰脈動與伴流空氣流量的關系，如圖11所示。從圖中可見：隨著伴流空氣流量的增大，火焰脈動頻率逐漸增大，但達到某閾值后不再增大；幅值隨著伴流空氣流量的增大而減小，且變化曲線逐步趨于平坦[38]。

圖11 火焰脈動頻率及幅值與伴流空氣流量的關系[38]Fig. 11 Relationship among flickering frequency, amplitude and co-flow oxidizer rate [38]

用類似的研究方法，也可對工業(yè)燃氣輪機燃燒室的燃燒穩(wěn)定性進行分析。圖12給出了某燃氣輪機燃燒室在穩(wěn)定和不穩(wěn)定燃燒時的火焰圖像序列以及從穩(wěn)定到不穩(wěn)定狀態(tài)的火焰灰度值時域分布[39]。從穩(wěn)定到不穩(wěn)定燃燒模式的過渡可分為3個階段：在第一階段，火焰亮度和波動逐漸增大，可假定為起初燃燒不穩(wěn)定；在第二階段，火焰亮度出現(xiàn)急劇上升，表明燃燒過程在過渡階段正變得劇烈；在第三階段，劇烈的火焰亮度有所消散，火焰恒幅振蕩，燃燒進入不穩(wěn)定燃燒模式。

圖12 燃氣輪機燃燒室不同燃燒狀態(tài)的火焰動態(tài)圖像及灰度值[39]Fig. 12 Images of flame-dynamic and pixel-intensity signal at different combustion stages in an industrial gas turbine combustor [39]

2.2.3 煤粉射流火焰的著火參數(shù)

煤粉射流火焰的著火分析是判斷煤粉燃燒穩(wěn)定性的直接簡便方法之一。文獻[40]在一臺單燃燒器的臥式爐上拍攝了煤粉燃燒的可見光火焰圖像，并定義了發(fā)光區(qū)域、火焰中心位置、著火點及火焰擴張角等參數(shù)，如圖13所示。研究結果表明：單角爐煤粉射流火焰的發(fā)光區(qū)域與負荷幾乎成線性增大，其不確定性在滿負荷時僅有0.6%，表明火焰非常穩(wěn)定；而在較低負荷下，火焰更易波動。在滿負荷情況下，煤粉/空氣混合物的著火點位于燃燒器出口中，完全觀察不到；而在較低負荷下，能夠觀察到著火點，表明煤粉射流在進入爐膛后才著火。同時，著火點的穩(wěn)定性在較低負荷下也迅速下降。

圖13 煤粉火焰幾何形狀參數(shù)定義[40]Fig. 13 Definitions of the geometrical parameters of a pulverized coal flame [40]

2.3 定量計算

2.3.1 火焰圖像的輻射標定

在攝像機獲取的灰度圖像或彩色圖像中，每個像素的灰度值及RGB三基色值分別反映了相應波長或波段內(nèi)輻射強度的相對大小，為將其用于定量計算，必須對其進行輻射標定。

本課題組開展了將黑體爐用于可見光相機拍攝的彩色火焰圖像的標定工作[6, 17]，標定的主要目的是校正RGB三基色值，使之正確反映輻射對象光譜特性在紅、綠、藍三波長下的光譜輻射強度的大小。輻射標定方法是：用可見光相機拍攝不同溫度下的黑體輻射圖像(如圖14所示)，根據(jù)黑體輻射定律，建立彩色圖像中RGB三基色值與相應波長下單色輻射強度的定量函數(shù)關系。

圖14 不同溫度下的黑體輻射圖像[6]Fig. 14 Images captured from the blackbody furnace with different temperatures [6]

需要注意的是，火焰圖像的檢測過程中，攝像機或相機的光圈、快門、自動增益、白平衡等參數(shù)設置都會影響所得圖像的灰度值或RGB三基色值的大小。通過輻射標定所建立的定量函數(shù)關系是在一定的攝像機或相機參數(shù)設置下獲得的；若改變了相關參數(shù)設置，就需重新進行輻射標定[6]。

2.3.2 火焰溫度圖像

在可見光攝像機獲取的彩色火焰圖像中，每個像素的RGB值反映了火焰的單色輻射強度大小，根據(jù)攝像機的光譜響應曲線可以得到紅綠藍三色的特征波長。雖然紅綠藍三色的響應曲線各有一定的波長范圍，但是根據(jù)灰性介質假設以及燃燒介質連續(xù)輻射假設，可以認為圖像RGB數(shù)據(jù)和對應的單色輻射強度之間是直接成比例的，兩者之間可通過輻射標定建立定量關系。因此，采用雙色法可以從一幅彩色火焰圖像的任意兩種單色輻射強度圖像中計算出火焰溫度。基于彩色火焰圖像處理技術，有研究者開展了視窗式光學發(fā)動機內(nèi)火焰溫度的檢測研究。用高速攝像機拍攝了柴油燃燒火焰圖像，并在該拍攝條件下用黑體爐對高速攝像機進行熱輻射標定，然后對同一火焰圖像分別使用RG、RB、GB 3種波長組合以雙色法計算火焰溫度(如圖15所示)，并分析了3種組合的優(yōu)缺點。

圖15 柴油機火焰及不同波長組合下計算出的溫度圖像[41]Fig. 15 Diesel flame and temperature calculated with different combinations of two wavelengths [41]

進一步地，有研究者考慮了彩色攝像機圖像傳感器的光譜響應波段(如圖16所示)，提出了從面陣彩色CCD攝像機獲取的三波長信號中測量高溫火焰二維溫度場的方法[42]。該方法的實質是把RGB三基色值信號與相應光譜響應波段內(nèi)的波段輻射力相關聯(lián)，進而從任意兩波段輻射力的比值中計算出溫度：

(8)

圖16 彩色攝像機R、G、B波段光譜響應曲線[68]Fig. 16 Spectral response curves of the R, G and B bands of the colored CCD camera [68]

式中：ER、EG分別為R、G波段范圍內(nèi)的輻射力；ηR(λ)和ηG(λ)分別為R、G波段光譜響應效率函數(shù)；λ1、λ2為R光譜響應波段，λ3、λ4為G光譜響應波段；Eb(λ,T)為黑體輻射力。

上述基于波段輻射力比值計算溫度的方法也屬于雙色法的范疇，也需將被測波段內(nèi)的火焰輻射視作灰體。本課題組采用該方法開展了O2/N2混合氣條件下乙烯層流擴散火焰溫度分布的檢測研究[43]。圖17為氧的體積分數(shù)增大過程中的火焰圖像及溫度圖像。

圖17 氧的體積分數(shù)增大過程中的乙烯擴散火焰圖像及溫度圖像[43]Fig. 17 Images of ethylene diffusion flame and temperature distributions as O2 volume fraction is increased [43]

從圖中可見：隨著氧的體積分數(shù)增大，燃燒溫度增高，火焰長度變小，火焰圖像從暗紅、黃、亮黃逐漸變?yōu)榱涟?；由于火焰長度變短，頂部燃料與周圍氧氣的摻混程度較高，反應高溫區(qū)由兩翼移動至火焰頂部。

采用彩色攝像機檢測到的火焰溫度圖像僅代表火焰中碳煙顆粒的溫度；對于CO2、水蒸氣等具有明顯紅外輻射能力的氣體輻射，則可采用位于紅外光譜的傳感器來攝取火焰紅外輻射圖像，并結合濾色片，在特定波長下計算火焰中氣體溫度分布[44]。

3 熱輻射成像技術

3.1 基本原理

必須強調(diào)的是，火焰發(fā)射光譜和火焰圖像處理技術都是一種視線檢測技術，每一個方向或像素累積了視場范圍內(nèi)的所有發(fā)射源的輻射貢獻，所得到的溫度等測量結果是一種沿視線的平均值。要得到被測參數(shù)沿“視線”方向上的分布，實現(xiàn)燃燒火焰中溫度、組分體積分數(shù)等熱物理參數(shù)的二維/三維分布的測量，主要是通過3種方式：

1) 平面激光(Planar Laser)。利用薄層平面(片)激光照射燃燒火焰中某一橫截面，基于相關理論可獲得該截面上的自由基體積分數(shù)、碳煙體積分數(shù)、速度等參數(shù)的二維分布[2-5, 7-11]。

2) 層析成像(Tomography)。根據(jù)燃燒火焰中被測參數(shù)沿“視線”方向在傳感器上的投影，重建被測參數(shù)的二維分布，如可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)與層析成像相結合可以獲得燃燒火焰的溫度和氣體組分體積分數(shù)的二維分布[12-14]。

3) 熱輻射成像(Thermal Radiative Imaging)。同時考慮了介質發(fā)射、吸收、散射以及壁面發(fā)射、吸收、反射對熱輻射光束的影響，基于輻射傳遞方程建立熱輻射成像模型，該模型給出了燃燒火焰溫度、輻射特性(組分體積分數(shù))與邊界上檢測到的火焰光譜或圖像之間的定量關系，采用反問題求解方法從模型中獲得燃燒火焰中的三維溫度分布、組分體積分數(shù)等[6, 17]。

熱輻射成像本質上是一種物理概念，包含輻射成像正問題模型計算以及輻射成像反問題求解兩個過程。在輻射成像正問題中，由于顆粒對輻射的散射以及爐壁對輻射的反射改變了輻射傳播方向，導致輻射成像中每個方向接收的能量都來自于整個燃燒空間，因此，正問題建模難點在于對輻射成像過程中的散射和反射的處理；而在輻射成像反問題中，輻射特性參數(shù)與源項(溫度)分布具有強烈的耦合性，導致了問題的不適定性，即使僅重建溫度分布，也需采用能夠求解不適定反問題的重建算法；若系統(tǒng)內(nèi)的輻射參數(shù)未知，則需同時重建輻射特性參數(shù)與源項分布[45]。

3.2 三維溫度場可視化重建

(9)

圖18 熱輻射成像技術應用于爐內(nèi)三維溫度場在線檢測的示意圖[6]Fig. 18 Schematic of thermal radiative imaging technique used for three-dimensional temperature distribution detection in a boiler furnace [6]

將式(9)離散化并寫作矩陣形式[6,17]：

I=A1Tg+A2Tw=AT

(10)

在國內(nèi)，浙江大學研究團隊[49-52]也開展了燃燒三維溫度場的反演研究，并將其應用于燃煤火焰溫度場的重建。本課題組將熱輻射成像技術推廣應用于火電、冶金、石化、玻璃和水泥等行業(yè)的各種鍋爐、窯爐、工業(yè)爐、焚燒爐和冶煉爐等燃燒裝置的溫度場檢測[53-58]。圖19為燃煤鍋爐和燃油加熱爐內(nèi)的溫度場重建。

圖19 熱輻射成像技術在燃燒裝置溫度場檢測中的應用[53]Fig. 19 Applications of thermal radiative imaging technique for temperature field detection in various combustion facilities [53]

3.3 溫度分布與介質輻射參數(shù)(體積分數(shù))同時重建

隨著熱輻射成像裝置的發(fā)展，除彩色相機外，還能采用立體相機[59]、光場相機[60-61]、多光譜[62-63]或高光譜成像儀[64-65]獲得火焰熱輻射分布，這使得熱輻射成像技術在燃燒測量中得到了較大發(fā)展，不僅能實現(xiàn)燃燒二維/三維溫度場的重建，還可根據(jù)檢測的邊界上的熱輻射分布重建灰性介質輻射特性[45, 61, 66-67]、燃燒火焰中碳煙顆粒體積分數(shù)[59, 62, 64, 68]以及氣體組分體積分數(shù)[63, 65]。

從式(10)的熱輻射成像模型可見，溫度分布或介質輻射特性的任何變化都會使得邊界輻射強度發(fā)生變化。若僅有邊界輻射強度這個單一檢測信息，同時重建溫度與輻射參數(shù)就非常困難。實際上，在邊界上的檢測信息包含了不同顏色或輻射波長下的輻射強度，通過雙色法或多波長法就可以在邊界上得到溫度的檢測值，即溫度圖像。溫度圖像的引入，將工程燃燒裝置中溫度場和熱輻射參數(shù)的同時反演提高到一個新的水平。

基于此，本課題組提出了一種解耦重建算法[45]，其思路是：輻射成像裝置接收到的溫度圖像是基于2幅單色輻射強度圖像的比值而來，它與介質輻射特性弱相關，與爐內(nèi)溫度強相關，而輻射強度圖像與介質輻射特性、爐內(nèi)溫度均強相關；對于簡單系統(tǒng)的溫度和吸收系數(shù)測量，可以從輻射溫度圖像中重建介質溫度分布，進而從輻射強度圖像中計算出介質溫度；對于較為復雜的問題，將邊界上測量到的輻射強度圖像和輻射溫度圖像作為輸入數(shù)據(jù)，用Tikhonov正則化方法從輻射溫度圖像中求解系統(tǒng)的溫度分布，而輻射特性參數(shù)反問題可以描述為一個最優(yōu)化問題，優(yōu)化目標是使邊界輻射強度的測量值和計算值之間的誤差最小；交替執(zhí)行以上兩步，直到得到一個收斂值。圖20給出了采用上述方法獲得的層流乙烯擴散火焰中溫度與碳煙體積分數(shù)分布同時重建的結果(圖中fv為碳煙體積分數(shù))。

圖20 乙烯擴散火焰圖像及其溫度與碳煙體積分數(shù)分布[68]Fig. 20 Images of ethylene diffusion flame, the distributions of temperature T (K) and soot volume fraction (10-6) [68]

4 發(fā)展和應用

4.1 自發(fā)輻射燃燒診斷技術的發(fā)展

在燃燒實驗研究及實際應用中，對燃燒測量診斷技術的需求是從“點”到“面”、從“一維”到“二維”甚至到“三維”，從“溫度檢測”到“溫度與多種參數(shù)同時檢測”，從“單一檢測”到“測控結合”。隨著光譜儀、攝像機等成像裝置的發(fā)展，結合燃燒測量診斷的需求，自發(fā)射輻射燃燒診斷技術仍面臨諸多問題與挑戰(zhàn)。

4.1.1 更豐富的檢測信號

火焰發(fā)射光譜技術的優(yōu)勢在于檢測波長的維數(shù)上，其在空間維數(shù)上的不足，制約了其發(fā)展到燃燒空間多維溫度分布的檢測；火焰圖像處理技術雖然能提供具有空間分布的圖像檢測信息，但光譜分辨率較低(如彩色攝像機只有R、G、B三通道，紫外和紅外攝像機只有一個通道)。近年來，多/高光譜成像儀這種新型設備的出現(xiàn)有望改善這一不足。高光譜成像設備在每個成像單元測量大量連續(xù)波段輻射強度，能夠提供包含空間和光譜信息的火焰輻射分布信息[69]。這種將圖像與光譜“合二為一”的優(yōu)點是：光譜提供了鑒別不同物質的“指紋”，二維空間維度增強了探測的信息量，從而有助于實現(xiàn)火焰中溫度與多種組分體積分數(shù)分布的同時測量。

4.1.2 更高的檢測分辨率及精度

目前，熱輻射成像裝置可以達到千萬級像素的水平。如果以成像像素達到的最大空間分辨率水平進行火焰三維溫度及組分體積分數(shù)的精細重構，可望實現(xiàn)對瞬態(tài)湍流火焰直接數(shù)值模擬結果的實驗驗證，從而推動燃燒基礎研究的發(fā)展。因此，在重建的空間分辨率方面，如何有效地、充分地利用千萬像素級的光譜檢測信息，仍然有待研究；而在重建精度方面，目前遇到的挑戰(zhàn)是燃燒介質非均勻分布對溫度重建的影響。近年來，隨著計算資源與數(shù)據(jù)量的飛速增長，人工智能技術得到高速發(fā)展及廣泛應用[70]。深度學習是目前主流的人工智能實現(xiàn)方法，該方法主要是以人工神經(jīng)網(wǎng)絡開展機器學習，無需事先確定輸入輸出之間映射關系的數(shù)學方程，僅需利用大量數(shù)據(jù)完成自身訓練，在給定輸入值時得到最接近期望輸出值的結果，這非常適合求解具有不適定性的熱輻射反問題，從而提高檢測的分辨率及精度。

4.1.3 更多的檢測結果

除了溫度、組分體積分數(shù)等參數(shù)之外，熵也是熱物理學科所研究的基礎熱物性參數(shù)之一。在燃燒系統(tǒng)效率評估和熱設計領域，以熱力學第二定律來研究燃燒系統(tǒng)中的能量轉換與傳熱過程是當今的一個趨勢，基于熵產(chǎn)最小化理論來提高導熱和對流換熱的傳熱效率的方法也已得到應用。爐膛等燃燒系統(tǒng)中燃燒火焰溫度較高，熱輻射是重要的傳熱方式。在應用熱力學第二定律分析燃燒火焰的傳熱過程時需要考慮輻射的影響。但由于燃燒火焰中氣/固介質具有發(fā)射、吸收和散射特性，輻射傳遞過程非常復雜，以往的燃燒研究都忽略了基于輻射傳熱不可逆性的熵產(chǎn)，或是僅停留于輻射熵產(chǎn)的數(shù)值計算方面，還缺乏燃燒火焰輻射熵產(chǎn)的實驗檢測結果。本課題組開展了燃煤鍋爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的輻射熵產(chǎn)實驗測量的初步研究[71]，根據(jù)重建的介質溫度及輻射特性獲得了爐內(nèi)灰性燃燒介質的輻射熵產(chǎn)，從而通過自發(fā)輻射燃燒診斷技術提供了更多的檢測結果。

4.2 自發(fā)輻射燃燒診斷技術的應用

燃燒診斷技術的應用范圍很廣，從燃燒基礎研究中的實驗室小型燃燒火焰到實際工業(yè)過程中的大型燃燒裝置都需要不同程度地應用燃燒診斷技術。自發(fā)射輻射燃燒診斷技術因其非接觸、對環(huán)境要求不高、系統(tǒng)比較緊湊、易于實施等特點，在燃燒場在線測量診斷中具有明顯優(yōu)勢，尤其是在電站鍋爐及工業(yè)窯爐等大型爐膛內(nèi)燃燒溫度在線檢測中有較多應用，但在實驗室燃燒火焰基礎研究以及航空發(fā)動機和燃氣輪機燃燒診斷中的應用亟待進一步拓展。

本課題組目前承擔的國家重大科研儀器研制項目“燃燒火焰自由基、顆粒物、主要氣態(tài)產(chǎn)物光譜/成像檢測系統(tǒng)”的研究目的就是在深入分析自發(fā)輻射燃燒診斷技術發(fā)展的基礎上，提出結合多種火焰發(fā)射光譜及成像技術(包括紫外、可見光、紅外傅立葉變換紅外光譜(FTIR)技術，紫外增強、可見光和紅外成像技術)，通過高性能數(shù)字圖像和信號處理系統(tǒng)，研發(fā)先進的火焰多組分分布檢測儀器，解決顆粒介質連續(xù)輻射對火焰自由基和氣相介質分布檢測的影響、從火焰全波長熱輻射光譜及成像信息中檢測火焰多組分分布方法等關鍵科學和技術問題，實現(xiàn)火焰溫度場、自由基及氣相組分體積分數(shù)分布、顆粒物(碳煙等)溫度及體積分數(shù)分布等的高時空分辨率二維/三維檢測。

航空發(fā)動機和燃氣輪機試驗臺運行環(huán)境惡劣(強振動、強聲、強自發(fā)光和強電磁干擾等)，這對激光燃燒診斷技術應用于發(fā)動機燃燒試驗測量極具挑戰(zhàn)性。在美國國家科學院近期提出的先進燃氣輪機十大優(yōu)先研究領域中，涉及了高可靠、高性能、低成本傳感器的開發(fā)，其目的在于提高燃氣輪機運行過程中信息獲取的準確性，以確保燃氣輪機處于安全運行狀態(tài)[72]。而自發(fā)輻射燃燒診斷技術能夠克服試驗環(huán)境的干擾，且兼具成本低、系統(tǒng)結構簡單等特點，在與傳統(tǒng)試車臺測試技術融合方面也具有一定優(yōu)勢。但需要注意的是，對高頻、高脈動湍流火焰開展測量，需要使用性能更好的設備才有助于深入了解湍流和不穩(wěn)定火焰的本質。高速、高感光ICCD能夠在受限條件下獲取高時間分辨率的湍流火焰特性[73]，例如火焰形狀和局部熄滅等；同時，較高的感光度更適合獲取湍流火焰瞬態(tài)自由基的化學發(fā)光信息，對于研究燃燒不穩(wěn)定性(貧燃燃氣輪機中的周期性燃燒振蕩、航空發(fā)動機燃燒室中熱聲耦合導致的火焰不穩(wěn)定)有很大幫助。

5 結 論

本文從火焰發(fā)射光譜、火焰圖像處理、熱輻射成像等方面介紹了基于自發(fā)輻射分析的被動式燃燒診斷技術研究進展。燃燒基礎研究、新型燃燒設備及新型動力裝置的發(fā)展對燃燒診斷技術提出了越來越高的要求，自發(fā)輻射燃燒診斷技術用于燃燒場的測量有著獨特的優(yōu)勢。隨著獲取光譜、圖像的成像器件的發(fā)展以及光譜、圖像信號處理算法的提升，相信會有越來越多的相關技術被應用于燃燒科學研究及工程實踐，并進一步加快其迅速發(fā)展。