楊?智，劉海峰，耿?超，豐?雷，堯命發(fā)

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部分預(yù)混火焰撞壁的溫度及甲醛分布測量

楊?智，劉海峰，耿?超，豐?雷，堯命發(fā)

(天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

結(jié)合麥肯納燃燒器，設(shè)計了液體燃料部分預(yù)混火焰近壁面燃燒的光學診斷系統(tǒng)，利用雙色法和激光誘導熒光法，研究了壁面高度及壁面溫度對于近壁面區(qū)域火焰溫度場和甲醛分布的影響．結(jié)果表明，隨著壁面高度增加或者壁面溫度升高，火焰溫度升高，高溫區(qū)域面積增大并從火焰外側(cè)向中心軸附近轉(zhuǎn)移．甲醛LIF圖像上的信號與溫度分布中的低溫區(qū)域基本吻合，隨著壁面高度的增加，甲醛峰值下降，而火焰整體的甲醛分布范圍變廣．當壁面溫度升高時，甲醛信號變?nèi)?，整體的分布范圍也變?。?/p>

部分預(yù)混火焰；雙色法；溫度場；激光誘導熒光法；甲醛

對于空間受限的燃燒環(huán)境，比如常見的內(nèi)燃機燃燒室，火焰撞壁現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，這使得近壁面區(qū)域成為產(chǎn)生未燃碳氫(UHC)、一氧化碳(CO)的重要來?源[1]．火焰特性的改變會引起壁面熱通量的變化，進而會影響到壁面?zhèn)鳠嵋约鞍l(fā)動機的熱效率[2]．因此，火焰與壁面的相互作用對于封閉式燃燒系統(tǒng)的燃燒性能及污染物形成有很大影響，研究近壁面火焰對于發(fā)展碳氫形成模型、預(yù)測燃燒過程以及內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)的設(shè)計具有重要意義．

目前關(guān)于火焰撞壁的研究按照火焰與壁面的位置關(guān)系主要分為兩類[3]：火焰?zhèn)鞑シ较虼怪庇诒诿?head-on quenching，HOQ)，火焰?zhèn)鞑シ较蚱叫杏诒诿?side-wall quenching，SWQ)．在近壁面區(qū)域，溫度信息對于解釋壁面?zhèn)鳠?、火焰?zhèn)鞑シ绞揭约叭紵a(chǎn)物分布等至關(guān)重要，Popp等[4]利用數(shù)值模擬驗證了HOQ火焰撞壁的壁面?zhèn)鳠崤c壁面溫度呈現(xiàn)一定的函數(shù)關(guān)系．Saffman[5]運用拉曼光譜法測定了預(yù)混火焰SWQ撞壁的氣相溫度及燃油分布，研究了壁面材料、燃空當量比為及燃料本身的影響．Mokhov等[6]用鈉譜線翻轉(zhuǎn)法研究了稀當量比條件下丙烷SWQ撞壁火焰不同高度的溫度分布．Mann等[7]運用相干反斯托克斯拉曼散射光譜技術(shù)和磷光測溫技術(shù)，測定了HOQ形式火焰的近壁面區(qū)域的溫度并分析了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)火焰撞壁時的熱通量．

Medwell等[8]指出甲醛在低溫反應(yīng)中起到主導作用，與烴類燃料火焰放熱率密切相關(guān)．為了深入分析火焰撞壁對內(nèi)燃機排放和熱效率的影響，F(xiàn)uyuto等[9]利用激光誘導熒光法測量了SWQ形式的甲烷預(yù)混火焰中甲醛、OH及CO等中間產(chǎn)物的分布．Skeen?等[10]運用紋影法和甲醛PLIF研究了高壓噴霧火焰中低溫和高溫過程，并在一個雙階段拉格朗日模型中計算了燃料、甲醛及醛基隨著溫度的變化過程．

目前關(guān)于火焰撞壁的研究大多聚焦在溫度場的分布，利用光學診斷技術(shù)測量近壁面區(qū)域物種分布的研究還相對較少，尤其是對于在一套實驗系統(tǒng)下，很少有研究同時完成火焰的溫度場和中間產(chǎn)物分布的測量．目前國內(nèi)外針對火焰撞壁的研究大多針對氣體燃料[11-13]，液體燃料的HOQ撞壁火焰研究相對較少，尤其是近壁面火焰的溫度場和甲醛分布測量．

本文基于麥肯納燃燒器，結(jié)合一套液體燃料蒸發(fā)系統(tǒng)，利用雙色法和激光誘導熒光法對近壁面區(qū)域部分預(yù)混火焰的溫度和甲醛分布進行了測量，并在當量比一定的條件下研究了壁面高度及壁面溫度對于火焰溫度和甲醛分布的影響．這不僅為發(fā)動機上的實驗研究提供了理論基礎(chǔ)，也為火焰撞壁的化學反應(yīng)動力學研究及燃燒模型的驗證提供了數(shù)據(jù)支持．

1?實驗裝置和方法

1.1?部分預(yù)混火焰撞壁實驗裝置

圖1為部分預(yù)混火焰撞壁實驗裝置，主要包括注射泵、霧化蒸發(fā)系統(tǒng)、燃燒器、溫控表以及協(xié)流供給系統(tǒng)等．燃料存儲于注射器中，由注射泵的滑塊推動進入霧化蒸發(fā)系統(tǒng)．該系統(tǒng)將液體燃料與空氣按照所設(shè)定的流量精確混合，經(jīng)過高溫螺旋加熱后完全蒸發(fā)．蒸發(fā)器溫度設(shè)置為423K，在蒸發(fā)器出口與燃燒器之間的管路纏繞了加熱帶，以保證預(yù)混氣中的燃油蒸氣在進入燃燒器之前不會發(fā)生冷凝，從而形成穩(wěn)定的預(yù)混火焰．

圖1?部分預(yù)混火焰撞壁實驗裝置

實驗采用的麥肯納燃燒器放置于光學平臺上，在燃料出口上方固定了一塊不銹鋼圓形壁面，從而可以形成HOQ形式的撞壁火焰．壁面高度可通過手動升降臺調(diào)整，同時，壁面包含有水冷腔體，通過溫度可控的冷卻水循環(huán)機對壁面溫度進行調(diào)節(jié)．水溫調(diào)至最低可對壁面進行冷卻，停止水循環(huán)冷卻腔內(nèi)的水會發(fā)生沸騰，從而壁面溫度會達到一個穩(wěn)定值．距離壁面底側(cè)1mm處安裝有K型熱電偶，其溫度測試點位于壁面中心區(qū)域，溫度測試誤差為±1℃．

部分預(yù)混火焰的液體燃料選取T20，其燃料特性如表1所示[14]．之前的研究表明[15]，T20作為柴油燃料替代物，其燃燒和排放特性與柴油最為接近，是研究柴油燃料碳煙生成氧化特性的理想?yún)⒖既剂希?/p>

表1?正庚烷、甲苯及T20的特性參數(shù)

Tab.1?Characteristic parameters of n-heptane，toluene and T20

為了保證火焰的穩(wěn)定性，燃燒器燃料蒸氣出口加裝了一個同軸協(xié)流氣體裝置，本文協(xié)流空氣流量為30L/min．為保證火焰為層流火焰，同時保證火焰溫度方便測量，燃料流量設(shè)定為8.6g/h，空氣流量設(shè)定為0.34L/min，對應(yīng)的預(yù)混燃空當量比為5．表2為T20部分預(yù)混火焰撞壁的實驗條件．

1.2?雙色法測溫以及甲醛的激光診斷實驗裝置

燃料T20在當量比為5的條件下火焰的碳煙濃度較高，瑞利散射等測量手段無法獲得準確的溫度信息．由于碳煙顆粒的溫度可代表周圍環(huán)境的溫度[16]，故把雙色法作為本文測量近壁面區(qū)域火焰溫度的測量方法．根據(jù)火焰發(fā)射出的輻射光在某兩個波長上的強度，利用由輻射學建立的兩個強度與溫度的方程，消去一個代表輻射率的未知因子，計算出所要的溫度，再代回原方程中的一個，算出與碳煙有關(guān)的KL因子[17]．本研究中的ICCD相機(DH720i，Andor，Northern Ireland)在紫外增強鏡頭(Nikon，＝105mm)前連接了一臺雙像器(LaVision，VZ14-0591，Germany)，并配置兩個中心波長為450nm和650nm、帶寬為10nm的帶通濾鏡，從而實現(xiàn)單臺相機單次拍攝同時獲得兩個不同波長下的火焰自發(fā)光信號．相機拍攝門寬為600μs，增益為250．采用已知單色輻射強度的標定光源(Ocean Optics HL-2000-CAL)來標定ICCD采集圖像的光強與碳煙顆粒單色輻射強度的關(guān)系，火焰溫度由公式(1)計算而得[18]，詳細分析參考文獻[19]．

表2?部分預(yù)混火焰撞壁實驗條件

Tab.2 Experimental conditions of the partially premixed flame-wall interaction

參?數(shù)數(shù)?值 壁面距離燃燒器出口高度/mm10，15，20，25，30，35 壁面溫度/℃30，60，120 燃料流量/(g·h-1)8.6 協(xié)流空氣流量/(L·min-1)30

預(yù)混火焰中甲醛的分布采用激光誘導熒光法來定性測量，火焰撞壁的甲醛激光診斷實驗裝置如圖2所示，Nd：YAG激光器(Spectra Physics，Pro-250，USA)產(chǎn)生頻率為10Hz、每脈沖能量為36mJ、波長為355nm的激光，經(jīng)過激光反射鏡組改變方向，然后經(jīng)過柱面鏡組整形成高10～40mm、厚0.8mm的片狀光源穿過火焰區(qū)域，片狀光源的高度通過一個狹縫來調(diào)整．實驗中采用ICCD探測器結(jié)合成像光譜儀(250is，Bruker，USA)采集火焰中甲醛的熒光光譜，根據(jù)光譜范圍選擇合適的帶通濾鏡，利用ICCD相機采集T20火焰中的甲醛熒光圖像．拍攝門寬為50ns，增益為250．

圖2?火焰撞壁的甲醛激光診斷實驗裝置

為了盡量減少壁面附著碳煙對拍攝信號的干擾，實驗每個工況采集3組照片，每組50張，對光信號取平均值以減小實驗誤差．

2?結(jié)果與分析

2.1?雙色法火焰溫度及碳煙測量結(jié)果

圖3為通過雙色法測得的當量比為5時T20燃料預(yù)混火焰在不同壁面高度及無壁面條件下的溫度分布結(jié)果．本實驗的壁面溫度通過冷卻水循環(huán)機控制，為30℃．在壁面和協(xié)流空氣的作用下，預(yù)混火焰處于穩(wěn)定狀態(tài)且關(guān)于燃燒器出口的中心軸對稱，圖中顯示為火焰左側(cè)部分．從火焰形態(tài)上可以看出，壁面的干擾使得原來細長的火焰前鋒被壓扁，呈現(xiàn)為梯形狀．同時在壁面作用下，火焰的溫度分布也表現(xiàn)出相似的規(guī)律，高溫區(qū)域主要分布在火焰外側(cè)，近壁面區(qū)域的溫度則明顯降低．這是由于當量比在5的情況下接近擴散燃燒，在火焰外側(cè)，燃料與空氣得到充分混合，劇烈的燃燒使得溫度升高，而在近壁面區(qū)域，燃料與空氣混合受到干擾，同時較低的壁面溫度也使得化學反應(yīng)速率降低，燃燒放熱減少．

隨著壁面高度的降低，火焰的高溫區(qū)域范圍減少，并且逐步向更外側(cè)轉(zhuǎn)移．圖4根據(jù)雙色法溫度圖像中每個像素點的溫度計算獲取了不同壁面高度下火焰溫度最大值以及平均值．無壁面條件下火焰最高溫度和平均溫度分別為1903K和1732K．由于雙色法測量溫度是基于碳煙顆粒的熱輻射，所以沒有碳煙生成的低溫區(qū)域無法測量，因此計算所得的平均溫度相對較高．但從圖中的溫度曲線表現(xiàn)出來的趨勢可以看出，隨著壁面高度的不斷降低，火焰溫度也隨之降低．尤其壁面高度降至10mm時，火焰平均溫度相對于無壁面時低了約500K．當壁面離燃燒器出口越接近，壁面對于火焰溫度的影響也越顯著，燃料與空氣得不到充分混合，加上較低的壁面溫度，使得燃燒化學反應(yīng)減緩，從而溫度遠遠低于自由火焰．

圖3 不同壁面高度下的火焰溫度分布

為了探究壁面溫度對于火焰溫度分布的影響，將壁面高度固定在15mm，利用雙色法分別測定了壁面溫度為30℃、60℃和120℃時T20燃料在當量比為5的條件下火焰溫度分布情況，結(jié)果如圖5所示．3個工況下火焰的最高溫度分別為1731K，1766K和1789K．從圖像上可以看出，壁面溫度升高時，火焰的高溫區(qū)域明顯增加，并且分布在火焰外側(cè)以及中心軸附近．這種分布在壁面高度低的情況下較為明顯，可能是由于燃燒器出口的燃料蒸氣與載氣空氣混合燃燒，使得出口上方溫度較高．圖6選取了距離燃燒器出口10mm的典型高度，分析了不同火焰半徑處的溫度．定義燃燒器出口的中心軸處火焰半徑為0，可以看出隨著火焰半徑的增大，溫度曲線呈現(xiàn)出先降低后升高然后迅速降低的趨勢．在火焰半徑較大的地方，也就是靠近火焰外側(cè)，燃料與空氣混合較好，所以燃燒溫度較高，而火焰半徑繼續(xù)增大時，混合氣變得稀薄，燃燒放熱率下降，溫度也迅速降低．同時隨著壁面溫度的升高，火焰溫度也明顯增加，壁面溫度120℃的火焰溫度較壁面溫度30℃時高出了約80K．

圖5?不同壁面溫度下的火焰溫度分布

圖6 燃燒器出口上方10mm處不同火焰半徑的溫度

圖7、圖8給出了不同壁面高度及不同壁面溫度下的表征碳煙濃度的KL因子計算結(jié)果，從中可以推斷碳煙的分布趨勢．隨著壁面高度不斷降低，燃料所能接觸的氧濃度不斷減小，因而導致火焰溫度的降低以及碳煙的明顯減少．尤其是壁面高度為10mm時，火焰沒有充足的空間發(fā)展，還未來得及生成碳煙就被壁面冷卻淬熄，因此溫度最低，碳煙最少．碳煙生成對火焰溫度非常敏感[20]，火焰溫度在1650～1750K 范圍內(nèi)更有利于碳煙生成，所以隨著壁面溫度的升高，火焰的高溫區(qū)域變寬，碳煙也明顯增加．

圖7 不同壁面高度下的KL因子的計算結(jié)果

圖8 不同壁面溫度下的KL因子的計算結(jié)果

2.2?部分預(yù)混火焰甲醛激光測量結(jié)果

圖9所示為當量比為5的正庚烷火焰甲醛的激光誘導熒光光譜，其中甲醛的熒光光譜范圍主要在375～530nm，這與Brackmann等[21]、唐青龍等[22]的測量結(jié)果相符．實驗過程選用400～480nm的帶通濾鏡消除激光散射及碳煙熾光的影響，采集范圍如圖9中虛線框所示．實驗中每次拍攝均累加60次并取平均，同時減去激光照射下無火焰的背景信號強度．由于燃燒狀態(tài)下被測物質(zhì)的熒光標定較難實現(xiàn)，本文火焰中甲醛的LIF測量主要以定性測量為主．

圖9?正庚烷火焰中的甲醛熒光光譜

圖10所示為當量比為5的T20部分預(yù)混火焰的溫度分布和甲醛分布的對比．從ICCD相機所拍攝得到的甲醛熒光圖像上可以看出，甲醛主要分布在溫度較低的近壁面區(qū)域，并且和左側(cè)溫度圖像中低溫區(qū)域，即白色虛線區(qū)域相吻合．由于壁面溫度遠低于火焰溫度，傳熱損失引起燃燒過程反應(yīng)速率降低甚至局部出現(xiàn)淬熄，因此甲醛會出現(xiàn)在溫度較低的近壁面區(qū)域．作為低溫反應(yīng)的重要中間產(chǎn)物，研究火焰中甲醛的分布對于驗證火焰模型、發(fā)展機理具有重要意義．

不同壁面高度下的T20部分預(yù)混火焰中的甲醛分布如圖11所示(壁面溫度30℃)．當壁面高度從25mm提高到35mm，可以看出近壁面區(qū)域的甲醛信號逐漸減少，但是由于壁面不斷升高，燃料與空氣混合地更充分，火焰受壁面的干擾也減少，整個T20火焰中甲醛分布區(qū)域更寬廣，并從近壁面區(qū)域向火焰內(nèi)部發(fā)展．而壁面高度從25mm降至10mm時，壁面對火焰形態(tài)有很大的干擾，燃料反應(yīng)不充分，近壁面區(qū)域和火焰整體中的甲醛分布都減少．圖12為壁面高度在15mm的條件下不同壁面溫度時甲醛的分布圖像，可以看出在當前壁面高度下，甲醛主要分布在近壁面區(qū)域，并且壁面溫度的變化對于甲醛信號的影響較為顯著．從圖5的溫度分布中可以發(fā)現(xiàn)，壁面溫度升高時，火焰的溫度整體也是升高的，結(jié)合甲醛LIF圖像，近壁面區(qū)域溫度的升高抑制了甲醛生成或者加速了其氧化，因此壁面溫度從30℃升至120℃時甲醛明顯變少．

圖11 不同壁面高度下的甲醛激光誘導熒光圖像

圖12?不同壁面溫度下的甲醛激光誘導熒光圖像

3?結(jié)?語

本文建立了一套研究液體燃料部分預(yù)混火焰撞壁的光學診斷系統(tǒng)，運用雙色法對火焰溫度及表征碳煙的KL因子進行了測量，同時運用激光誘導熒光法對火焰中的甲醛信號進行了采集．實驗采用T20燃料作為研究對象，部分預(yù)混燃空當量比為5，研究了不同壁面高度以及不同壁面溫度條件下火焰的溫度及甲醛分布．雙色法和激光誘導熒光法的研究結(jié)果清晰地表明了近壁面區(qū)域壁面高度和溫度對于火焰的影響，為驗證和發(fā)展液體燃料濃預(yù)混條件下的火焰模型及燃燒機理提供了數(shù)據(jù)支撐，同時也對內(nèi)燃機近壁面區(qū)域的燃燒具有一定的參考價值．

由于壁面的作用，火焰前鋒面被壓扁呈現(xiàn)梯形狀；隨著壁面高度增加，火焰溫度逐漸升高，高溫區(qū)域面積增大并由火焰外側(cè)向中心軸附近轉(zhuǎn)移，火焰前鋒面也由寬變窄．當壁面溫度升高時，火的溫度上升，高溫區(qū)在增加，并在壁面高度為15mm條件下出現(xiàn)在火焰外側(cè)和中心軸附近．在距離燃燒器出口10mm高度上，從內(nèi)向外火焰溫度呈現(xiàn)出先降低，后升高然后迅速降低的趨勢．KL因子結(jié)果表明，火焰中碳煙主要分布在靠近火焰外側(cè)區(qū)域，壁面高度增加和壁面溫度升高都促進了碳煙的生成．

甲醛LIF圖像上的信號與溫度分布中的低溫區(qū)域基本吻合，隨著壁面高度的增加，甲醛信號的峰值下降，并且甲醛濃區(qū)從近壁面區(qū)域向火焰中心軸附近轉(zhuǎn)移，而火焰整體的甲醛分布范圍變廣．壁面高度較低時對火焰產(chǎn)生了一定的干擾，甲醛信號也大幅下降．當壁面溫度升高時，甲醛信號下降，整體的分布范圍也變?。?/p>

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Measurements of Temperature and Formaldehyde Distribution in Partially Premixed Flame-Wall Interaction

Yang Zhi，Liu Haifeng，Geng Chao，F(xiàn)eng Lei，Yao Mingfa

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

An optical diagnostic system of a partially premixed flame near the wall was designed with a McKenna burner. The two-color method and laser-induced fluorescence(LIF) were used to investigate the temperature and formaldehyde distribution of the flame. The effects of height and temperature of the wall were also analyzed in detail. The results showed that hot areas may be found close to the outside and central axis of the flame. With increasing height or wall temperature，the flame temperature also increased. The high-temperature area extended and shifted from the outside of the flame toward the center axis，and the signals on the formaldehyde LIF image were relatively consistent with those of the low-temperature region in the temperature distribution. As the height of the wall increased，the peak value of formaldehyde decreased and the overall distribution range of formaldehyde in the flame widened. When the wall temperature increased，the formaldehyde signal decreased and the overall distribution range narrowed.

partially premixed flame；two-color method；temperature distribution；laser-induced fluorescence (LIF)；formaldehyde

TK11

A

1006-8740(2019)02-0182-07

2018-08-28．

國家自然科學基金資助項目(91541111).

楊?智（1994—??），男，碩士研究生，evanyoung@tju.edu.cn.

劉海峰，男，博士，副教授，haifengliu@tju.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201805022