超声速燃烧火焰放热区结构CH-PLIF成像技术*

梁剑寒，李 韵，孙明波，吴 戈，朱家健，高 强，李 博

(1. 国防科技大学 高超声速冲压发动机技术重点实验室， 湖南 长沙 410073；2. 天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室， 天津 300072)

高超声速飞行器因其速度快、突防能力强的特点，具有广阔的军事应用前景[1]。吸气式高超声速飞行器中，超燃冲压发动机作为可靠的推进方式，其研究备受关注，但也充满着艰巨的挑战[2]。究其原因，超燃冲压发动机净推力获取困难，推力主要依靠超声速燃烧提供的能量产生，必须高效利用。超燃冲压发动机中的超声速燃烧现象涉及湍流、激波、边界层、化学反应等多种现象的耦合，机理十分复杂[3]。因此，超声速燃烧现象成为当今高超声速研究的热点。在超声速燃烧现象研究中，对火焰结构的研究有助于揭示超声速燃烧稳焰机理和改进超燃冲压发动机设计。合理的燃烧诊断技术不仅能够在稳态燃烧中实现高精度测量，更能够应用于复杂瞬态燃烧诊断[4]。平面激光诱导荧光(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF)技术具有非侵入式、实时原位测量、高时空分辨、可用于耐高温高压环境等独特优势，其在火焰结构的可视化中具有重要应用[5]。

PLIF技术通过对燃烧过程中产生的重要中间产物或者自由基(如CH2O、OH和CH等)进行高分辨率二维成像，从而实现对火焰结构的可视化。CH2O常用于标示火焰预热区结构，OH用于标示火焰反应区的结构，CH则用于标示火焰放热区的结构。PLIF在研究开敞空间的低速射流火焰结构方面应用广泛。胡志云等[6]利用OH-PLIF获得稳定燃烧场的二维OH分布，并分析了激光区域内的二维温度场分布。赵建荣[7]、李麦亮[8]等利用OH-PLIF测量了多种平面火焰炉的火焰结构，探索了PLIF理论与实验方法，并利用了PLIF实现了湍流火焰结构成像。翁武斌等[9]使用OH-PLIF技术研究甲烷空气预混射流火焰，探究在不同出口雷诺数与不同氮气稀释比例下的OH分布及火焰锋面结构。Zhou等[10-11]使用CH/CH2O/OH-PLIF与HCO/CH2O/OH-PLIF成像火焰炉中湍流预混火焰的预热区与反应区等精细结构，探究了各产物与自由基的分布和相互渗透情况。朱家健等[12]使用CH2O/OH-PLIF同时成像甲烷/空气部分预混火焰结构，探索火焰分区分裂规律。

在超燃冲压发动机直连式试验台中开展PLIF实验时会受到封闭空间内壁面反射强、试验台运行时间短、难以在线优化光学系统等因素的影响。这使PLIF技术诊断超声速燃烧的火焰结构时比开敞空间低速射流火焰更加困难。因此，在超声速燃烧诊断中，PLIF技术常用于诊断相对较易测量的OH和CH2O。耿辉等[13]使用OH-PLIF技术探究超声速燃烧火焰结构与凹腔稳焰作用。范周琴等[14]使用OH-PLIF技术探究喷注当量比、喷注位置、凹腔构型等对超燃火焰分布的影响。李麦亮等[15]使用OH-PLIF技术研究凹腔中不同长深比、凹腔后缘倾角和不同燃料喷注方案对超燃火焰结构的影响。Chen等[16]使用OH双色PLIF技术实现了对超声速燃烧火焰温度分布的测量。Rasmussen等[17]使用CH2O/OH-PLIF方法成像凹腔超声速燃烧，并探究喷注位置对凹腔稳焰效果的影响。

CH基在碳氢燃料的燃烧反应中起重要作用。与OH和CH2O不同，CH是仅存在于放热区中的重要组分，其分布区域可以认为是火焰锋面所在区域，具有分布集中、存在时间短、扩散影响小等优点，对于研究细微的火焰结构与火焰反应机理具有重要意义。但是，由于CH基活性强、分布窄、寿命短、CH荧光效率低、易受杂散光干扰等特点，给CH基的PLIF测量(尤其是在超声速燃烧环境中的测量)带来极大的挑战。目前，国内外利用CH-PLIF测量超声速燃烧火焰结构的研究非常少，只有Micka等[18]有过初步成果。Micka[18]使用CH-PLIF技术得到凹腔超声速燃烧的火焰结构图像，得到两种凹腔稳焰下火焰的细微结构。但是，Micka等在CH-PLIF实验研究中使用传统的染料激光器，该激光器在CH的激发波段(390.3 nm)能量较低，荧光信号相对较弱。

本文基于可调谐Alexanderite固体激光器进行超声速燃烧火焰结构CH-PLIF成像技术研究，探究使用CH-PLIF成像凹腔稳焰的超声速燃烧火焰放热区结构的方法。先利用单组分CH基成像技术研究甲烷/空气湍流预混火焰锋面结构进行验证，再对凹腔超声速燃烧火焰结构进行成像，得到初步的超燃火焰放热区结构。

1 实验方法

本文在开展CH-PLIF实验时，先在开敞空间低速射流火焰中进行CH-PLIF技术的初步技术验证和系统优化，再在超燃直连式试验台利用CH-PLIF、OH-PLIF与CH自发辐射技术成像火焰预热区的结构。下文从光学诊断系统、火焰炉系统、超燃系统及图像处理方法四个方面介绍实验方法。

1.1 光学诊断系统

CH-PLIF系统示意如图1(a)所示，可调谐Alexanderite固体激光器(101PAL，Light Age)产生波长为774 nm的激光后，经由固体倍频器进行二倍频，输出波长约387 nm的激光，单脉冲激光能量为15 mJ，频率为10 Hz，脉宽为100 ns。激光光束通过高反镜，进入凹柱镜(f=-40 cm)进行扩束，再经凸透镜(f=130 cm)聚焦为片状激光，照射在燃具中央。激发出荧光后，荧光信号由ICCD相机(PI-MAX I, Princeton Instruments)采集，ICCD相机曝光时间为100 ns。接收进入计算机进行处理。ICCD相机和Alexanderite激光器的时序由脉冲信号发生器(DG535)进行同步控制。为了消除杂散光对PLIF信号的干扰，在ICCD相机镜头(Nikkor 50 mm,f/1.4)前加上窄带滤光片IF431。

(a) 射流火焰炉实验中PLIF测量光路图(a) Optical arrangements for PLIF measurement in the jet flame burner

图1 射流火焰炉实验中PLIF实验装置示意图及火焰图片Fig.1 Schematic of the PLIF experimental setup in the jet flame burner and flame photos

为了与CH-PLIF实验结果进行对比，在光学诊断实验部分还开展了OH-PLIF实验和高速摄影实验。在OH-PLIF实验中采用Nd:YAG泵浦的染料激光器(Cobra Stretch-G-2400, Sirah)，波长为283 nm，能量为12 mJ，频率为30 Hz。OH-PLIF系统采用的相机镜头为Nikkor紫外镜头，采用的滤光片为IF310，滤光片中心波长为431 nm，半宽为10 nm。其他实验装置与CH-PLIF实验所用装置相似。在高速摄影实验中，采用帧频为50 kHz的高速相机(Photron Fastcam SA-5)拍摄火焰的图像，相机镜头 (Nikkor 50 mm,f/1.4) 上安装CH滤波片(IF431)，相机的曝光时间为18 μs。

1.2 火焰炉系统

开敞空间低速射流火焰炉采用协流-射流火焰炉，在协流和射流中通入甲烷和空气预混气体产生射流火焰和协流火焰。协流火焰用于防止周围冷空气对射流火焰的影响，协流火焰的当量比为0.9，防止过量燃料对中心射流火焰的影响。中心射流火焰的当量比、流速等可通过流量计进行调节和控制。开敞空间低速射流火焰炉CH-PLIF实验中采用低雷诺数与高雷诺数两种不同工况(如表1所示)，中心射流火焰的当量比都为1.15，流速分别为6 m/s和85 m/s，雷诺数分别为2800和27 300。低雷诺数工况下，喷孔直径为8 mm，高雷诺数工况下，在8 mm喷孔上加装直径为1.5 mm的不锈钢喷嘴，中心射流由喷嘴喷出。两种工况协流层内径都为61 mm。典型的低雷诺数火焰和高雷诺数火焰图片如图1(b)、图1(c)所示。

表1 火焰炉射流实验工况

1.3 超燃系统

CH-PLIF实验在国防科技大学1 kg/s超燃直连式实验台上开展。超燃直连式实验台由隔离段、带光学观察窗口的燃烧室和扩展段等部分组成。超声速燃烧实验使用空气加热器保证来流能够达到实际高超声速飞行工况，模拟超声速燃烧入口的总焓。空气加热器使用空气、氧气、酒精三组元混合燃烧的方法产生符合要求的模拟气流，正常点火工作后，超声速来流总温为1530 K，总压为2.6 MPa，马赫数为2.92。加热器工作之后，产生的模拟来流进入燃烧室入口。加热器与来流工况如表2所示。

实验光路示意如图2所示，其中带光学观察窗口的燃烧室为凹腔超声速燃烧实验段部分。凹腔长48 mm，深12 mm，后缘倾角45°，后缘高12 mm，在凹腔上游10 mm处设置燃料喷注孔，喷孔直径3 mm，喷注燃料为乙烯。凹腔底壁安装电子火花塞用于点火。扩张段扩张角为2.25°。光路基本与火焰炉实验保持一致，所不同的是由于凹腔在风洞中所处位置特殊，采取三个高反镜使激光进入凹柱面镜扩束，再进入凸透镜转化为片状激光，从燃烧室顶部石英玻璃窗口照射在凹腔中部约24 mm处。

表2 凹腔超声速燃烧实验段工况

图2 凹腔稳焰超燃系统结构和PLIF实验装置示意图Fig 2 Schematic of the configuration of the cavity-stabilized scramjet system and the PLIF experimental setup

1.4 图像处理方法

为了更加清晰地观察火焰结构，需要对CH-PLIF原始图像进行后处理，图像处理方法包括滤波及尺寸调整等步骤。

在滤波的图像处理中，首先利用原始图像减去背景图像去除背景噪声。此时仍可能残留较大的激光范围外的较强自发辐射荧光信号点，因此使用MATLAB中“腐蚀”与“膨胀”的操作，抓取火焰锋面的形状并将大噪点滤去。其次依据P-M扩散方程[19]进行非线性扩散滤波，引入方差计算非线性扩散系数函数，可以有效完成脉冲噪声的消除并且保护图像的边缘特征。之后再进行中值滤波操作，进一步滤去噪声。

滤波后利用二维标尺对图像进行尺寸与位置校正。火焰炉与凹腔标尺图像均为1024像素×1024像素的图像，对应尺度关系，可得火焰炉图像中1像素约为0.03 mm。截取图像中火焰区域，并根据对应标尺得到火焰结构的尺度信息。

2 结果与讨论

2.1 火焰炉实验

低雷诺数下甲烷和空气预混射流火焰CH-PLIF图像如图3所示。CH常用于标示火焰的放热区。低雷诺数条件下，火焰放热区结构呈现明显的分区。由文献[8]可知，CH基所包裹的区域为CH2O标示的火焰预热区，CH外侧区域为OH标示的火焰反应区。预热区与反应区接触边界为火焰锋面，即CH分布区域。

(a) (b) (c)

(d) 图3 低雷诺数下湍流预混火焰CH-PLIF图像Fig.3 CH-PLIF images of a premixed jet flame under low Reynolds number

如图3所示，在低雷诺数下，火焰锋面仍然较规则，没有明显的褶皱等现象，整体结构类似于层流预混火焰。图3(a)中，锋面还未交错，放热区呈现腰部变窄的长条形。图3(b)中，两侧锋面结合但还并未使得上下放热区分离。图3(c)中的放热区已经分裂成两个小放热区，其中上部放热区呈现椭圆形，并且火焰锋面有被拉长的趋势，下部预热区则呈现柱形。产生这些现象的原因是大尺度的湍流使火焰锋面产生扭曲，增大火焰锋面的面积的同时，使得火焰分裂成多个放热区。截取图3(a)中所示方框中的火焰锋面并由信号强度分布的半高宽估计宽度，结果如图3(d)所示。由实验前所拍摄标尺与图像像素长度对应关系，估算出火焰锋面的厚度约为0.6 mm。

如图4所示，高雷诺数条件下，火焰中的CH轮廓比起低雷诺数时更加破碎，火焰锋面褶皱程度增强。由图4可以看出，在火焰锋面褶皱程度增大的同时，锋面局部区域发生多处合并，形成多个分离的局部放热区域。图3和图4的CH-PLIF实验图像表明，随着雷诺数的进一步增大，湍流对火焰放热区结构的影响更加显著，使得火焰锋面的扭曲程度增强，火焰放热区的形态发生剧烈变化。这两种工况的对比说明了雷诺数对湍流火焰放热区结构的重要影响，并且表明CH-PLIF技术可以清晰捕捉复杂的火焰放热区分布及其细微结构的变化，能够为下一步凹腔中的超声速燃烧火焰结构的研究提供有力的工具。

图4 高雷诺数下湍流预混火焰CH-PLIF图像Fig 4 CH-PLIF images of a premixed jet flame under high Reynolds number

2.2 超声速燃烧火焰结构CH-PLIF成像

凹腔稳焰的超声速燃烧火焰结构CH-PLIF图像如图5所示。在图5所示图像中，使用白线标示出CH-PLIF信号的分布区域，即白线所标示区域的内侧为CH-PLIF信号，外侧为CH自发辐射区域。需要特别指出的是本文在进行CH-PLIF实验时，ICCD相机的曝光时间设置为100 ns。在开敞空间的火焰炉中进行CH-PLIF成像时，ICCD采用100 ns的曝光时间并没有观察到CH的自发辐射信号，但是CH自发辐射信号却出现在凹腔稳焰的超声速燃烧火焰中。Micka等[18]的CH-PLIF实验也观察到类似的实验现象。这可能是由超燃冲压发动机燃烧室内CH自发辐射信号路径积分的效应较强而造成的。

(a)

(b)

(c)

(d)图5 凹腔超声速燃烧CH-PLIF图像(phi=0.50, Ma=2.92)Fig 5 CH-PLIF image in a cavity-stabilized scramjet combustor (phi=0.50, Ma=2.92)

在CH-PLIF实验过程中，为了提高激光的激发效率，激光片(约15 mm)只照射在凹腔正中间区域。由图5可以看出，图像中的CH分布总体呈现连续层状，放热层厚度约为0.5～6.5 mm。由于PLIF图像显示的是火焰传播至主流下游处的图像，因此放热区显得更加褶皱也更厚，部分区域还出现了CH基处于近似孤立的簇丛而非薄层中的现象，如图5(b)所示。由图5(c)可以认为放热区正好处于向下游传播的湍流结构中，湍流使得放热区发生高度褶皱。

使用CH自发辐射也可以显示CH激发态的分布，进而在一定程度上反映火焰放热区的分布。图6(a)为凹腔稳焰的超声速燃烧中火焰CH自发辐射的测量结果。与图5所示的CH-PLIF图像相比，图6(a)中呈现的CH自发辐射图像为路径积分的结果，没有空间分辨能力，不能反映出火焰放热区某些分离、破碎的结构。OH-PLIF技术也常用于呈现火焰反应区结构，如图6(b)所示。OH-PLIF图像虽然具有空间分辨率，但由于OH存在时间比CH长，更易扩散，分布范围比放热区更大，不能显示精确细致的火焰锋面结构，因此使用OH-PLIF成像火焰结构将导致火焰锋面的结构判断失真。对比图5与图6可知，使用CH-PLIF可以更准确地呈现火焰放热区的结构。

通过火焰炉火焰结构与凹腔稳焰的超声速火焰结构的CH-PLIF成像，可以看出CH-PLIF技术在探究凹腔超声速燃烧火焰放热区结构时具有重要的应用价值。在进行实验优化与改进后，CH-PLIF将具有全流域成像火焰放热区细微结构的能力，这对于深入研究凹腔中超声速燃烧稳焰机理具有重要意义。

(a) CH自发辐射图像(a) CH chemiluminescence images

(b) OH-PLIF图像(b) OH-PLIF images图6 凹腔CH自发辐射与OH-PLIF火焰结构成像(phi=0.50, Ma=2.92)Fig 6 CH spontaneous emission images and OH-PLIF images in a cavity-stabilized scramjet combustor(phi=0.50, Ma=2.92)

3 结论

利用CH-PLIF技术实现了超声速燃烧火焰放热区结构的可视化。首先使用CH-PLIF技术对低速条件下的火焰炉燃烧进行技术验证和系统优化，得到清晰的火焰结构并进行分析，然后通过CH-PLIF获得凹腔稳焰的超声速燃烧火焰结构，分析了火焰放热区的分布。

实验结果表明，在开敞空间的火焰炉中，火焰放热区由于湍流影响会发生扭曲、褶皱和分裂等现象，随着雷诺数的增大，火焰锋面褶皱程度更加显著。在凹腔稳焰的超声速燃烧中，火焰放热区高度褶皱和破碎，放热区结构的厚度为0.5～6.5 mm，同时也存在放热区的分裂与剥离等现象。

由CH-PLIF图像与OH-PLIF图像、CH自发辐射图像的比较可知，CH-PLIF技术能够以较高的空间分辨率更准确地呈现凹腔超声速火焰放热区的结构，其在凹腔稳焰的超声速燃烧诊断中具有更大的优越性和重要的应用价值。