劉二偉, 徐勝利

(1. 中國科學技術大學 工程科學學院, 合肥 230026; 2. 清華大學 航天航空學院, 北京 100084)

0 引 言

和傳統(tǒng)加壓加熱方式相比，激波管能提供實驗時間1～10ms、溫度和壓力均勻的近似一維流場，避免了加熱的復雜性及其產生的傳熱效應，同時壓力和溫度變化范圍較大[1-4]，因此，激波管常用于研究燃料自點火特性，包括燃料點火延時和自點火火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴Ｆ渲?，自點火流場圖像具有三維形貌特征，顯示了反應區(qū)位置和尺度以及表面不同尺度漩渦結構等唯象特征，不僅可以和點火延時、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊葴y量數(shù)據(jù)相互驗證，從而優(yōu)化測量方法，而且能定性考察壓力、溫度和當量比等參數(shù)對火焰形成和發(fā)展過程的影響，也為燃燒數(shù)值模擬研究提供了更多對比信息。自點火流場顯示研究通常選擇矩形截面激波管(或在圓形截面激波管上添加過渡段)，以便在激波管壁安裝玻璃觀察窗，從而利用高速攝影相機進行拍攝。限于相機性能，已有自點火流場顯示研究不能充分反映流場特征。如李蘭等[5]采用高速攝影相機拍攝了RP-3煤油點火圖像，曝光時間高達43μs，圖像存在強烈的時間積分效應。廖欽等[6]和王高峰等[7]采用ICCD相機拍攝了大量煤油點火圖像，但單次激波管實驗只能獲得一張圖像，需要多次重復實驗才能得到不同延時的流場圖像，這就依賴于激波管流場的重復性。Herzler等[8]采用ICCD相機拍攝了激波管截面丙烷點火圖像，但工況較少。因此，系統(tǒng)拍攝不同工況下的自點火流場圖像是有必要的。

作為煤油催化裂解產物之一，乙烯由于結構簡單且含有不飽和鍵(C=C鍵)，基元反應特征明顯，是研究碳氫燃料點火延時和化學動力學機理的常用氣態(tài)燃料[9]。國內外已有大量乙烯點火研究，相關工況范圍較為完善。如Barker等[10]測量了當量比0.13～2.00、C2H4體積百分比0.25%～2.00%、壓力0.3～1.2MPa、溫度1050～1550K的C2H4/O2/Ar點火延時。Suzuki等[11]測量了溫度800～1400K的C2H4/O2/Ar點火延時，發(fā)現(xiàn)高溫和低溫工況具有不同的活化能。Brown等[12]測量了當量比1.0、稀釋氣體濃度75%～96%、壓力0.13～0.50MPa、溫度1073～2211K的C2H4/O2/Ar和C2H4/O2/N2點火延時，分析了不同稀釋氣體對乙烯點火延時的影響，還研究了乙烯點火過程中的爆燃轉爆轟(DDT)現(xiàn)象。Cadman等[13]測量了當量比1和1.5、壓力0.2～0.6MPa、溫度800～1620K的C2H4/O2/N2點火延時。Saxena等[14]測量了當量比1和3、稀釋氣體濃度93%～98%、壓力0.2～1.8MPa、溫度1000～1650K的C2H4/O2/Ar點火延時，并擬合得到了適用范圍較廣的乙烯點火延時關系式。胡宏浩等[9]、梁金虎等[15]和Deng等[16]在點火延時實驗測量的基礎上，分別考察了污染物H2O和CO2、N2O和O2對乙烯點火延時的影響，并和多種化學動力學機理預測結果進行了對比。因此，選擇乙烯作為拍攝對象，不僅可以研究自點火現(xiàn)象，也有利于對比已有點火延時數(shù)據(jù)，從而驗證實驗測量精度。

綜上所述，為考察溫度和壓力等參數(shù)對自點火流場的影響，在矩形激波管上拍攝不同工況下的乙烯/空氣自點火流場序列圖像并進行分析研究。

1 實驗裝置和測量方法

1.1 矩形激波管和氣路系統(tǒng)

圖1給出了矩形激波管和氣路系統(tǒng)示意圖，詳見文獻[6]。激波管截面尺寸為130mm(高)×80mm (寬)，壁厚10mm，相鄰內壁面圓倒角為R10mm，高、低壓段長度分別為2和2.6m。實驗段長0.4m，觀察窗尺寸為120mm(長)×80mm(高)，其材質為熔融石英，右側和激波管反射端面重合。

圖1 激波管和氣路系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of shock tube and gas distribution

乙烯/空氣預混氣在混氣罐(約0.2945m3)中配制并靜置12h后使用。高壓段充入氦氣和氮氣混合物，壓力采用精密數(shù)字壓力表(BSK811，量程0～1MPa，精度0.05%)測量。低壓段充入乙烯/空氣預混氣，采用數(shù)字真空計(CPCA-130Z，量程0～10kPa，精度1Pa)顯示充氣壓力。破膜方式采用針刺破膜，膜片材質為BOPP(厚度為50和100μm)。實驗前，通過真空泵組(Leybold TRIVAC旋片式真空泵和RUVAC羅茨真空泵)將高、低壓段抽真空至余壓約60Pa，漏氣率約10Pa/min。

1.2 測量系統(tǒng)

圖2給出了實驗段和測量系統(tǒng)示意圖。PCB1、PCB2和PCB3為壓電傳感器(PCB 112A)，和反射端面距離分別為657、237和20mm，壓電信號經(jīng)電荷放大器(YE5853)放大后分別送入示波器(Tektronix 2014C)。光纖與PCB3和反射端面距離相同。光信號經(jīng)光纖(Ocean optics FIB-600-DUV，波段200～1100nm，芯徑600μm)送入光電倍增管(Hamamatsu R928，波段185～900nm，側窗型PMT)。改變PMT偏置電壓，可改變PMT輸出電壓幅值，偏置電壓通常設置為-800V。光信號經(jīng)PMT轉換為電壓信號送入示波器，由三通將該信號同時送入八通道延時器DG645，從而輸出指定延時TTL電平到高速ICCD相機(Stanford Computer Optics，XXRapidFrame with 3 Nos. 4 Picos)外觸發(fā)端口。XXRapidFrame相機包含4個獨立ICCD相機和同步控制系統(tǒng)，各ICCD相機可單獨設置拍攝延時，因此，單次激波管實驗可得到4張不同延時的自點火流場圖像。ICCD相機增益范圍為600至1000，為提高圖像亮度，統(tǒng)一設置為1000。

圖2 自點火流場信號測量系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sketch of signal detection for auto-ignition flow field

需要說明的是，XXRapidFrame相機要求外觸發(fā)信號上升沿在短時間內(<10μs)達到1.6V，考慮到低溫點火條件下的PMT信號上升較為緩慢，難以保證每次可靠地觸發(fā)XXRapidFrame相機，而DG645觸發(fā)電平則可以任意設置，因此，統(tǒng)一采用PMT信號來觸發(fā)DG645，再由DG645觸發(fā)XXRapidFrame相機。

圖3給出了PMT信號、DG645輸出信號、XXRapidFrame相機拍攝延時和曝光時間時序圖。其中，Vt為DG645觸發(fā)電平，通常設為Vt=-0.2V。Δt1為DG645輸出延時，Δt2為XXRapidFrame拍攝延時，通常設為Δt1=Δt2=0；ti為幅間隔，考慮到典型反射激波速度約為400m/s，通常設為ti=25μs，對部分低溫點火條件，ti=50μs；te為曝光時間，通常設te=1μs，以凍結流場。由上述延時設置，得到序列圖像拍攝延時為Δt=Δt1+Δt2+(n-1)·ti。

圖3 測量系統(tǒng)信號時序圖Fig.3 Sequence of used signals

2 結果分析與討論

2.1 自點火流場圖像重復性

表1給出了2個相同初始工況的實驗參數(shù)列表，其中，φ為乙烯/空氣預混氣當量比，Mas為入射激波馬赫數(shù)，τig為點火延時，定義為反射激波到達測點(PCB3)時刻和自發(fā)光信號(PMT)最大斜率起始點時刻的時間差。從表1可以看出：case 1和case 2的Mas、p5和T5偏差小于2%，可近似認為2個工況參數(shù)相同。

表1 相同工況參數(shù)列表(case 1和2)Table 1 Parameters for the same cases (case 1 and 2)

需要說明的是：5區(qū)混合物定壓比熱和溫度、各組元質量百分數(shù)有關。理想激波關系假設化學反應是凍結的，且定壓比熱和溫度無關。因此，由理想激波關系得到的p5和T5，與考慮溫度、組元質量百分數(shù)時的數(shù)值是不同的。表1給出了后者(由Gaseq程序計算)得到的p5和T5，而由理想激波關系得到的p5和T5分別為104kPa和1373K(case 1)、 104kPa和1397K(case 2)。以T5為例，分別相差163K(case 1)和168K(case 2)。胡宏浩等[9]、梁金虎等[15]的研究指出,采用溫度和組元質量百分數(shù)修正的p5和T5更合理。下文計算均采用Gaseq程序計算給出的p5和T5。

圖4給出了case 1對應的自點火流場序列圖像。為便于圖像分析，取x和y軸為水平和豎直方向。激波管反射端面位于x=0。光纖和PCB3位于x=20mm，其位置用虛線表示?；鹧嫖恢萌=40mm的火焰右邊沿。反射激波自左向右傳播，用實線表示。由入射激波實測速度，結合激波關系和圖像延時，可計算出反射激波位置。具體地，由PMT信號得到Vt=-0.2V對應時刻t1，由PCB3信號得到反射激波到達時刻t2，由入射激波速度得到馬赫數(shù)，再根據(jù)激波關系，計算得到反射激波速度ur，則圖4的反射激波位置xr=20+ur(t1-t2+Δt)。

需要說明的是：(1) 對比觀察窗和激波管截面尺寸可知，觀察窗上下邊沿距管壁25mm，因此，自點火流場圖像不包含邊界層；(2) 受場地限制，實驗過程中激波管高壓段在右側，低壓段在左側，因此，自點火流場圖像和圖1水平方向相反。

圖4(a)表明：當Δt=0，在反射端面附近，即4mm40mm)厚度較均勻(約6mm)，下部(y<40mm)厚度逐漸變小(約3mm)。注意到火焰尚未到達光纖測點，但相機已開始拍攝，原因是壁面附近存在“λ”形分叉激波，波后火焰已到達光纖測點，而DG645觸發(fā)電平設置較低(-0.2V)，火焰亮度較弱但足夠觸發(fā)DG645，從而啟動相機拍攝。圖4(b)表明：當Δt=25μs，火焰?zhèn)鞑ブ?5mm63mm)略微向下游(左側)傾斜，下部(y<17mm)出現(xiàn)彎曲形狀。火焰下游仍存在亮度較低且沿y軸分布較均勻的區(qū)域，這表明速率較低的化學反應仍在進行中。距火焰越遠的下游區(qū)域亮度越低，光強趨近于0，這表明當?shù)鼗瘜W反應趨于結束。圖4(c)表明：當Δt=50μs，火焰?zhèn)鞑ブ?0mm

圖5給出了case 2對應的自點火流場圖像。由圖可知：火焰產生和傳播特征與case 1類似。不同的是：當Δt=50μs，火焰陣面和反射激波位置近似重合(圖5(c))。當Δt=75μs，火焰已越過反射激波，出現(xiàn)這種偏差的原因是反射激波位置計算未考慮化學反應產生的當?shù)貕毫Σ▽Ψ瓷浼げǖ耐苿幼饔?，即忽略了反射激波和火焰之間的耦合作用。同時，t2實際為分叉激波波頭到達測點時刻，不能準確表示反射激波中心部位的位置。實際上，由PCB2和PCB3測得的p-t曲線得到實測值ur為916m/s，遠大于由激波關系得到的計算值ur(416m/s)，因此，圖4和5的反射激波位置存在較大誤差，下一步實驗研究應采用紋影法顯示反射激波的準確位置。實際現(xiàn)象應該是：當火焰和反射激波位置接近或重合時，兩者耦合向前傳播，形成波前有來流的右行爆轟波。

圖4 自點火流場圖像(case 1)Fig.4 Images of auto-ignition flow field (case 1)

圖5 自點火流場圖像(case 2)Fig.5 Images of auto-ignition flow field (case 2)

根據(jù)圖4和5火焰位置和圖像幅間隔時間，表2給出了計算得到的火焰?zhèn)鞑ソ^對速度u和相對2區(qū)氣流速度Δu。其中，下標a、b、c和d對應圖像編號。表2表明：和case 1相比，case 2的ubc和ucd較大，這是由于case 2的T5較大，導致化學反應速率較高，使得火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?。另外，u隨時間推進并不是恒定值。造成誤差的主要原因是：圖4和5火焰都不是嚴格的平面火焰，火焰陣面存在渦結構，在不同位置取“測速點”，就會對應著不同的火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｈ簟皽y速點”左右偏差1mm，又ti=25μs，則u計算值相差40m/s。

表2 火焰平均傳播速度(case 1和2)Table 2 Mean velocities of flame propagation (case 1 and 2)

綜上所述，當p5=106kPa、T5=1210K和p5=108kPa、T5=1229K，火焰產生和傳播特征近似相同。自點火首先發(fā)生在反射端面附近，形成近似平面火焰并右行傳播，火焰表面存在小尺度渦結構，即火焰在傳播過程中表面出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，火焰陣面逐漸垂直于激波管軸線。

2.2 溫度影響

表3給出了壓力近似不變、不同溫度的工況參數(shù)列表。從表3看出，φ值不變(1.0)，p5為104±6kPa，T5為1294～1077K，對應τig為12～728μs。

圖6～9給出了和表3對應的自點火流場圖像。

表3 不同溫度工況參數(shù)列表(case 3～6)Table 3 Parameters for cases at different temperatures (case 3～6)

圖6表明：當T5=1294K，火焰產生和傳播特征和圖4、5類似。

圖7表明：當T5=1138K，點火首先發(fā)生在激波管反射端面附近，形成右行傳播火焰(圖7(a))。隨時間推進，火焰厚度增大(圖7(a)～(c))。當Δt=0，反射端面附近(x<10mm)出現(xiàn)亮度較低火焰。當Δt=50μs，火焰分布在x<20mm區(qū)域。觀察窗上側(x=30mm，70mm

圖8表明：當T5=1109K，點火同時出現(xiàn)在激波管反射端面附近和遠離端面區(qū)域，形成多處離散火焰(圖8(a))。隨時間推進，離散火焰逐漸融合后繼續(xù)右行傳播(圖8(b)～(d))。和圖7相比，火焰范圍明顯增大。當Δt=0，觀察窗內出現(xiàn)多個不規(guī)則離散火焰，空間分布范圍較廣(x=10、30和70mm)。當Δt=50μs，火焰向周圍擴散，仍呈離散分布且尚未融合。當Δt=100μs，不同區(qū)域火焰已融合(0

圖9表明：當T5=1077K，點火首先發(fā)生在遠離激波管反射端面處(圖9(a))，火焰左行傳播(圖9(b)～(d))。當Δt=0，右側流場(x>20mm)出現(xiàn)火焰區(qū)，左側流場(x<20mm)無明顯火焰(亮度接近于0)，表明左側流場未出現(xiàn)自點火。當Δt=50μs，左側流場出現(xiàn)火焰區(qū)，且存在明顯的孔洞結構。當Δt=100μs，火焰區(qū)擴散至整個觀察窗區(qū)域，且右側流場亮度較高。當Δt=150μs，左側流場的火焰亮度增大。這和文獻給出的自點火流場圖像是類似的，如廖欽[6]得到的煤油及其裂解產物的自點火圖像，Herzler等[8]得到的丙烷自點火圖像，Pfahl等[17]得到的異辛烷自點火陰影圖像。這些圖像均表明：低溫自點火不是從激波反射端面開始的。原因可能是：(1) 當點火延時較長，反射端面附近流場和壁面存在傳熱效應。(2) 考慮到氣體粘性效應，反射端面附近入射激波后的氣流不是瞬時滯止，存在反射激波和入射激波誘導邊界層的復雜相互作用，導致邊界層的低溫反應物和反射端面附近存在輸運關系。兩者同時作用，降低了反射端面附近的化學反應速率，但其具體機理尚待驗證。

圖6 自點火流場圖像(case 3)Fig.6 Images of auto-ignition flow field (case 3)

圖7 自點火流場圖像(case 4)Fig.7 Images of auto-ignition flow field (case 4)

綜上所述，當p5和φ相同，T5降低導致火焰區(qū)厚度增大、光強減弱，初始火焰形狀由近似平面火焰演化為不規(guī)則的多個離散火焰區(qū)，且自點火區(qū)域也遠離反射端面。在低溫條件下，火焰首先出現(xiàn)在遠離反射端面處并左行傳播。

2.3 壓力影響

表4給出了不同壓力對應的工況參數(shù)列表(case 7～14)，其中，case 7和8、case 9和10、case 11和12、case 13和14分別為對比工況。從表4看出，p5分別為265±11kPa和419±44kPa，對應T5分別為1252～1079K和1384～1055K。這表明：當p5增大，p5和T5偏差范圍也增大。原因是：隨著p5增大，膜片厚度也增大，實驗重復性變差，導致p5和對比工況的T5偏差增大，例如，case 7和8的T5相差132K。

圖10～17給出了對應表4的自點火流場圖像。

圖10和11表明：隨p5增大，對應的反應物濃度增大，火焰光強明顯增大，火焰陣面為明顯的平面形狀，渦結構近似消失，同時火焰下游流場光強也變大，表明燃燒仍在劇烈進行。

圖12表明：當Δt=0，反射端面附近(x<8mm)出現(xiàn)亮度較低的近似平面火焰。當Δt=25μs，火焰分布在x<20mm，上部(y=50mm)和下部(y=20mm)均存在渦結構。當Δt=50μs，上部和下部漩渦區(qū)分別形成向外傳播的火焰面，并相互穿透(20mm

表4 不同壓力工況參數(shù)列表(case 7～14)Table 4 Parameters for cases at different pressures (case 7～14)

圖10 自點火流場圖像(case 7)Fig.10 Images of auto-ignition flow field (case 7)

圖11 自點火流場圖像(case 8)Fig.11 Images of auto-ignition flow field (case 8)

圖12 自點火流場圖像(case 9)Fig.12 Images of auto-ignition flow field (case 9)

圖13表明：當Δt=0，反射端面附近(x<10mm)出現(xiàn)亮度較低的近似平面火焰。當Δt=25μs，火焰分布在x<20mm。火焰陣面分為上部和下部2個半圓形狀，在y=45mm處相連。當Δt=50μs，火焰分布在x<80mm，表現(xiàn)為2個圓弧交叉形狀。當Δt=75μs，火焰分布在x<117mm，火焰陣面近似垂直于激波管軸線。和圖12相比，火焰光強明顯增大，且上部和下部出現(xiàn)更明顯的局部爆炸現(xiàn)象，并近似沿激波管軸線對稱，最終形成統(tǒng)一的火焰陣面。

在圖14和15中，火焰的產生和傳播特征與圖8類似。不同的是：當p5=375kPa，觀察窗下部(x=20mm，y=20mm)出現(xiàn)局部爆炸(圖15(b))，火焰向外傳播并擴散到反應較慢區(qū)域(圖15(c))，火焰陣面趨于垂直激波管軸線(圖15(d))。

圖16和17表明：火焰的產生和傳播特征與圖9類似。不同的是：當p5=444kPa，觀察窗上部(x=40mm，y=70mm)出現(xiàn)局部爆炸并左行傳播(圖17(c))，使反射端面附近出現(xiàn)較強的自發(fā)光(圖17(d))。

圖13 自點火流場圖像(case 10)Fig.13 Images of auto-ignition flow field (case 10)

圖14 自點火流場圖像(case 11)Fig.14 Images of auto-ignition flowfield (case 11)

圖15 自點火流場圖像(case 12)Fig.15 Images of auto-ignition flow field (case 12)

圖16 自點火流場圖像(case 13)Fig.16 Images of auto-ignition flow field (case 13)

圖17 自點火流場圖像(case 14)Fig.17 Images of auto-ignition flow field (case 14)

綜上所述，當給定p5，T5對火焰的影響近似相同；當T5不變，隨p5增大，火焰光強增大，化學反應更劇烈；當p5=265和419kPa，易發(fā)生局部爆炸并向周圍傳播，多個局部爆炸區(qū)在傳播過程中逐漸融合，經(jīng)壁面反射后形成近似平面火焰。

3 結 論

(1) 相同工況自點火流場圖像表明：當p5=106kPa、T5=1210K和p5=108kPa、T5=1229K，火焰的產生和傳播特征近似相同。點火首先發(fā)生在反射端面附近，形成近似平面火焰并右行傳播，火焰表面存在小尺度渦結構。

(2) 當p5和φ相同，不同T5自點火流場圖像表明：當T5降低，火焰厚度增大，光強減弱，初始火焰由平面形狀演變?yōu)椴灰?guī)則的離散區(qū)域，點火位置逐漸遠離激波管端面。當T5較低，火焰首先出現(xiàn)在觀察窗右側并左行傳播。

(3) 當T5和φ相同，不同p5自點火流場圖像表明：隨p5增大，火焰光強增大，化學反應更劇烈。當p5=265和419kPa，火焰出現(xiàn)局部爆炸并向周圍傳播，多個局部爆炸區(qū)在傳播過程中逐漸融合，經(jīng)壁面反射后形成近似平面火焰。