基于熒光譜分辨的煤油燃燒場OH分布測量

李國華， 張振榮， 葉景峰， 王 晟， 方波浪， 邵 珺， 胡志云, 2

1. 西北核技術(shù)研究所， 激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710024 2. 上海交通大學(xué)四川研究院， 四川 成都 610213

引 言

燃燒流場濃度、 溫度空間分布參數(shù)的精細(xì)測量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)、 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型建立以及數(shù)值仿真軟件的驗(yàn)證具有重要意義[1-2]。 在現(xiàn)有各種測量技術(shù)中， 基于激光的測量技術(shù)具有對(duì)流場無干擾、 時(shí)空分辨率高的特性， 典型二維測量技術(shù)有平面激光誘導(dǎo)熒光(planar laser-induced fluorescence， PLIF)技術(shù)[3]及二維瑞利散射(rayleigh scattering， RS)技術(shù)[4]。 其中PLIF技術(shù)具有對(duì)象選擇性、 高測量靈敏度、 測量信息量豐富、 實(shí)驗(yàn)開展簡單等優(yōu)勢， 尤其是OH-PLIF濃度及溫度測量技術(shù)以其理論成熟性及技術(shù)方便性得到更為廣泛的應(yīng)用。 由于空氣中游離OH含量較低， 在燃燒流場中OH更多作為化學(xué)反應(yīng)的中間產(chǎn)物存在， 因而通常對(duì)OH的二維測量， 可以區(qū)分流場未燃區(qū)及燃盡區(qū)， 進(jìn)而獲得燃燒流場結(jié)構(gòu)。 另外， 燃盡區(qū)高溫區(qū)域OH含量更高， 對(duì)OH濃度的測量也可一定程度上反應(yīng)流場溫度分布。 但該技術(shù)在煤油燃燒場的應(yīng)用受到較大限制， 原因在于煤油燃燒場殘余煤油對(duì)OH熒光信號(hào)造成較大干擾[5-7]。 國內(nèi)外已開展的煤油火焰中OH分布測量工作， 主要應(yīng)用于煤油含量較低狀態(tài)或煤油含量較低區(qū)域[8-10]， 較少關(guān)注在煤油含量較高條件下煤油熒光對(duì)OH熒光的干擾消除。 本文主要針對(duì)OH熒光分布測量時(shí)煤油干擾問題， 通過對(duì)煤油火焰中OH及煤油吸收譜及熒光光譜的對(duì)比分析， 采用改變熒光探測波長額外測量煤油熒光并在受干擾的OH熒光信號(hào)中扣除煤油干擾的方式， 獲得較為準(zhǔn)確的OH分布結(jié)果， 為后續(xù)煤油燃燒場濃度及溫度分布測量奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置由測量對(duì)象、 光源系統(tǒng)及信號(hào)探測系統(tǒng)構(gòu)成。 測量對(duì)象為典型煤油本生燈火焰與發(fā)動(dòng)機(jī)模型煤油燃燒場。 光源系統(tǒng)有兩套， 分別針對(duì)吸收譜及熒光測量， 吸收光譜測量中光源為連續(xù)紫外氘鹵燈； 熒光光譜及空間分布測量中光源為Nd∶YAG激光倍頻泵浦的以R590為工作介質(zhì)的染料激光器的二倍頻輸出， 波長在285 nm附近可調(diào)諧， 可分別位于OH及煤油蒸汽激勵(lì)線。 三套探測系統(tǒng)分別針對(duì)吸收譜、 熒光發(fā)射譜及熒光分布測量， 在吸收光譜測量中使用光纖光譜儀進(jìn)行探測， 由透過煤油蒸汽前后光譜變化， 參比獲得煤油蒸汽吸收譜； 在熒光發(fā)射譜測量中使用多通道光學(xué)分析儀， 通過調(diào)節(jié)激勵(lì)波長分別獲得煤油燃燒火焰中OH及煤油熒光發(fā)射譜； 在熒光分布測量中使用分別帶有OH及煤油波段帶通濾光片的兩臺(tái)ICCD相機(jī)進(jìn)行二維測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤油與OH光譜測量結(jié)果

利用氘-鹵燈結(jié)合光纖光譜儀測量煤油蒸汽吸收線， 而OH吸收線由LIFbase軟件擬合得出， 歸一化吸收譜如圖1(a)所示， 在282～320 nm波段， 煤油吸收線完全覆蓋OH激勵(lì)線， 在此波段對(duì)OH激勵(lì)測量時(shí)， 必然激勵(lì)煤油產(chǎn)生熒光。 進(jìn)一步通過調(diào)節(jié)激勵(lì)波長， 分別測量OH/煤油混合熒光與煤油熒光發(fā)射譜， 按激勵(lì)光散射信號(hào)歸一化發(fā)射譜如圖1(b)所示， 煤油蒸汽熒光譜主要源于煤油裂解產(chǎn)物單環(huán)及雙環(huán)芳香烴， 發(fā)射譜為中心位于290及340 nm的寬帶信號(hào)，OH熒光主要集中于波長300～320 nm， 煤油熒光發(fā)射譜范圍覆蓋OH熒光， 結(jié)合吸收譜測量結(jié)果， 說明在燃燒場煤油燃燒不充分時(shí)， 在280 nm波段激勵(lì)測量OH必然面臨來自煤油熒光的干擾， 對(duì)準(zhǔn)確OH熒光信號(hào)的獲取只能通過對(duì)煤油信號(hào)的測量并扣除實(shí)現(xiàn)。

圖1 OH與煤油蒸汽吸收光譜(a)及發(fā)射光譜(b)Fig.1 The absorption (a) and fluorescence spectrum (b) of OH and Kerosene

2.2 煤油與OH空間分布測量結(jié)果

進(jìn)一步分析煤油與OH吸收譜及激勵(lì)熒光發(fā)射譜差異， 單純煤油熒光的探測可在選擇性激勵(lì)及選擇性探測兩方面實(shí)現(xiàn)。 選擇性激勵(lì)采用調(diào)諧激勵(lì)波長的方式， 在非OH共振線激勵(lì)獲得煤油熒光， 此方式需在穩(wěn)態(tài)火焰分兩次測量或需兩套激勵(lì)系統(tǒng)， 考慮對(duì)象的局限性及實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性， 本文主要從選擇性探測方面入手， 采用兩臺(tái)ICCD相機(jī)， 分別結(jié)合(315±15)和(360±6) nm的帶通濾光片進(jìn)行OH/煤油混合熒光和煤油熒光的選擇性探測， 濾光片透射曲線如圖2所示。

圖2 OH、 煤油熒光濾光片透過率曲線Fig.2 Transmission curve of filter for OH and Kerosene

在煤油火焰中， 利用上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法選擇OH激勵(lì)線， 利用OH濾光片測量獲得OH/煤油混合熒光如圖3(a)所示， 在本圖中無法分辨OH與煤油的分布情況， 利用煤油濾光片單獨(dú)測量的煤油熒光如圖3(b)所示， 扣除煤油后OH熒光測量效果如圖3(c)所示， 結(jié)合圖3(a)和(b)較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)OH的無煤油干擾測量。

圖3 煤油火焰中OH及煤油熒光分布(a): 煤油+OH熒光; (b): 煤油熒光; (c): 去干擾OH熒光Fig.3 Fluorescence distribution of OH and Kerosene in flame(a): Image of OH & kerosene; (b): Image of kerosene; (c): Image of OH

作為實(shí)際應(yīng)用， 在發(fā)動(dòng)機(jī)模型開展的熒光測量效果如圖4所示， 在混合熒光圖4(a)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)扣除圖4(b)中煤油熒光信號(hào)后， 獲得的OH熒光分布見圖4(c)， 此結(jié)果有效避免了煤油熒光對(duì)OH熒光分布測量的干擾。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒流場混合熒光、 煤油熒光及OH熒光分布(a): OH+煤油混合熒光; (b): 煤油熒光; (c): OH熒光Fig.4 Distribution of added fluorescence, kerosene fluorescence and OH fluorescence in engine model(a): Image of OH & kerosene; (b): Image of kerosene; (c): Image of OH

3 結(jié) 論

測量獲得了OH與煤油吸收譜及熒光發(fā)射譜， 綜合煤油較OH寬帶吸收、 寬帶發(fā)射的特點(diǎn)， 認(rèn)為煤油對(duì)OH熒光測量的干擾不可避免， 只能通過后處理的方式進(jìn)行扣除， 而對(duì)煤油熒光分布的測量是進(jìn)行干擾扣除的基礎(chǔ)。 本文在OH熒光測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加一臺(tái)探測相機(jī)， 利用頻域?yàn)V波的方式， 在兩臺(tái)相機(jī)分別實(shí)現(xiàn)了OH/煤油混合熒光與單獨(dú)煤油熒光分布的同時(shí)測量， 通過對(duì)應(yīng)點(diǎn)扣除的方式， 在煤油本生燈及發(fā)動(dòng)機(jī)模型煤油燃燒混合熒光信號(hào)中去除煤油熒光獲得了受干擾較小的OH分布結(jié)果。 此結(jié)果證實(shí)了在煤油火焰進(jìn)行OH熒光分布測量時(shí)采用選擇性探測方式進(jìn)行煤油干擾消除方案的有效性， 為后續(xù)煤油燃燒場OH雙線溫度測量奠定了基礎(chǔ)， 為其他組分濃度分布測量提供了參考。

致謝：西北工業(yè)大學(xué)及南京航空航天大學(xué)對(duì)于本文研究工作的開展提供了必要的硬件支撐， 他們分別提供了作為診斷對(duì)象的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和燃燒器， 對(duì)他們的辛勤付出一并感謝。