平面激光诱导荧光技术在超声速燃烧火焰结构可视化中的应用

吴 戈, 李 韵, 万明罡, 朱家健, 杨揖心, 孙明波

(国防科技大学空天科学学院 高超声速冲压发动机技术重点实验室, 长沙 410073)

0 引 言

高超声速飞行器飞行速度可达到5马赫以上，具有广阔的应用前景[1]。高超声速飞行器的关键部件和动力系统为超燃冲压发动机[2-3],对超声速燃烧机理的研究有助于优化超燃冲压发动机设计[4]。在超声速燃烧过程中，火焰结构可视化研究能够促进对超声速燃烧稳焰机理的认识，因此需要采用合适的诊断技术对超声速燃烧的火焰结构进行观测。

平面激光诱导荧光(Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF)技术能够成像燃烧过程中的重要中间产物的分布，从而实现火焰结构的可视化，如OH存在于火焰反应区结构中，CH存在于火焰放热区结构中，CH2O存在于火焰预热区结构中。成像这些重要组分的二维分布，就能得到火焰的瞬态结构图像，结合不同时刻或空间的变化，可以获得火焰的发展变化规律。PLIF技术具有高时空分辨率的优点，同时也是一种非侵入式的测量方法，其在火焰结构的可视化中有着广泛而重要的应用[5]。早期的研究中，PLIF技术主要应用在低速常规火焰中，目前国内外的PLIF技术在低速火焰结构成像中的应用已经日臻成熟。胡志云等[6]利用OH-PLIF分析了测量区域内的二维温度场分布，李麦亮等[7]利用 OH-PLIF 成像,测量了多种平面火焰炉的湍流火焰结构，朱家健等[8]使用 CH2O/OH-PLIF 同步成像技术，探索了甲烷/空气部分预混火焰结构与火焰分区分裂规律，Zhou等[9-10]使用CH/CH2O/OH-PLIF与HCO/CH2O/OH-PLIF同步成像技术测量了湍流预混火焰的结构及其变化规律，Carter等[11]使用高速CH-PLIF对预混湍流火焰锋面进行了成像。

相比之下，超声速燃烧现象复杂、反应剧烈，导致自发辐射光信号强；封闭空间内壁面反射强，导致杂散光信号强；实验台维持火焰时间较短，导致难以在线优化光学系统，因此PLIF技术在超声速燃烧中的应用相对有限。耿辉等[12]利用OH-PLIF研究了超声速燃烧的火焰结构，李麦亮等[13]使用OH-PLIF探索了不同凹腔结构和不同燃料类型对凹腔稳定火焰结构的影响，Donbar等[14]利用OH-PLIF成像研究了各种碳氢燃料在凹腔中的燃烧情况，Cantu等[15]利用OH-PLIF技术对双模凹腔中的乙烯预混火焰实现了可视化，O′Byrne等[16]使用OH-PLIF成像了在高马赫数工况下凹腔底部喷注燃料的燃烧火焰结构。超声速燃烧领域中的CH-PLIF研究较少，目前仅有Micka等[17]利用CH-PLIF技术对双模凹腔的反应区进行成像，梁剑寒等[18]使用CH-PLIF技术对超声速燃烧火焰中的放热区结构进行研究。

本文针对复杂的超声速燃烧现象，综合利用OH-PLIF与CH-PLIF技术，对超声速燃烧的火焰结构进行研究，获得了不同当量比条件下多个截面火焰反应区和放热区的瞬时结构，分析了火焰反应区和放热区的分布规律，并比较了不同组分的分布情况。

1 实验系统

1.1 超声速燃烧实验系统

本实验在国防科技大学流量为1 kg/s的超声速燃烧直连式实验台展开。如图1所示，超声速燃烧直连式实验台由加热器、隔离段、燃烧室和扩张段等部分组成。其中燃烧室凹腔长48 mm、宽50 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，凹腔底壁安装火花塞用于点火，火花塞中心距凹腔前缘30 mm；扩张段扩张角为2.25°；加热器使用空气/氧气/酒精三组元混合，用来模拟入口空气的化学成分。正常点火后，空气加热器能够模拟超声速燃烧冲压发动机入口的总焓，其模拟的总温为1530 K，总压2.5 MPa。空气加热器出口的混合气体进入隔离段，通过拉瓦尔喷管进一步加速到Ma2.92，到达燃烧室。

图1 1 kg/s超声速燃烧直连式实验台组成结构示意图

1.2 PLIF光学诊断系统

实验系统如图2所示，系统由激光器系统、数据采集系统、光学系统以及时序控制系统构成。根据所测中间产物与实验方案，所采用的激光器系统、数据采集系统及光学系统有所不同，具体方案如表1所示。

图2 PLIF成像实验系统

表1 PLIF实验系统配置

OH-PLIF实验的激光通过Nd:YAG激光器(Spectral Physics)的二倍频532 nm激光泵浦染料激光器，经倍频后得到283 nm附近的激光，经过扫谱获得Q1(8)的泵浦激发线。选取此波长激发线是因为在超声速燃烧的温度范围中，OH荧光强度受温度影响小于20%[16]，在LIFBASE仿真软件中对应的波长为283.553 nm。CH-PLIF实验的激光通过可调谐Alxanderite激光器倍频后得到387 nm附近的激光。激光经所对应波长的高反镜，通过柱面凹透镜和球面凸透镜制成均匀的光片。OH-PLIF的信号较强且对激光能量要求低，选用长焦距的凸柱面镜制成较大的光片，可以覆盖整个所测区域。OH-PLIF成像截面的选取如图3所示，流向截面位于凹腔的中轴线上，分别在凹腔中与凹腔下游的台阶上选取了S1与S2截面；展向截面分别在距离凹腔前缘30、55和75 mm的位置，在凹腔底部、斜坡以及凹腔下游台阶上选取了A、B和C等3个截面，其中截面A位于火花塞之上。在观察展向截面时，相机与截面需呈一定角度拍摄PLIF信号，拍摄前测量相机与截面的夹角，在后期处理中按照对应的角度将获取的PLIF信号投影图像还原为相应截面的正视图。对于CH-PLIF,因为CH基有活性强、分布窄、寿命短、CH荧光效率低、易受杂散光干扰等特点，需要高能量密度的激光来激发，CH-PLIF的光片制作得比较小，因此相比于OH-PLIF可以对凹腔中整个流向截面成像，CH-PLIF成像的位置只有凹腔正中间的部分区域(图3中S3截面)。数据采集系统分别采用哈工大研制的ICMOS与PIMAX II ICCD相机，分辨率均为1024 pixel×1024 pixel。时序控制系统由一部DG 535实现。为了消除杂散光对PLIF信号的影响，在镜头前分别安装了相应的滤光片。

图3 PLIF测量所选取截面在凹腔中的相对位置示意图

2 实验结果与讨论

2.1 OH-PLIF图像和火焰反应区结构

OH是燃烧过程中产生的一种重要自由基，可以用作标示火焰的反应区，利用OH-PLIF技术可以得到超声速燃烧室里反应区的二维分布。本文使用OH-PLIF技术成像流向与展向截面超声速燃烧火焰反应区结构，进而分析凹腔稳定火焰的空间结构分布与发展规律。

实验燃料选择乙烯，喷注压强在1.3与2.3 MPa附近，因为无法精确控制喷注压强，对应的全局当量比φ分别为0.30±0.01与0.50±0.01。从实验结果来看，当量比0.01的变化几乎无影响，而0.30与0.50的现象差别很大，因此以0.30代表低当量比、0.50代表高当量比作为实验工况。实验中喷注时间200 ms，维持燃烧时间800 ms，总实验时间为1 s。泵浦源固体激光器频率为30 Hz，数据采集的ICMOS相机采集频率最高为500 Hz,远大于30 Hz，所以在1 s的实验时间里可以获得30张左右的有效图像，在此基础上选取瞬时图像对火焰结构进行分析。

图4为不同全局当量比下A、B和C等3个展向截面上的OH-PLIF实验结果。低当量比时(φ=0.30)，A截面上有一对OH结构关于燃烧室中轴线对称，分布在距离中轴线约1/4个凹腔宽度的位置；B截面上对称的OH结构聚集于燃烧室中轴线附近并且高度降低，在中轴线两侧约1/4个凹腔宽度处的位置仍有细微的OH结构，有从两侧往中心汇合的趋势；C截面上OH结构基本集中在中轴线附近，表明已经完全汇合，火焰往后沿中轴线发展。高当量比时(φ=0.50)，与低当量比时的火焰结构有较大差异，A截面上OH聚集结构呈不对称分布，均附着在两侧的壁面上，结合燃烧室的尺寸，在垂直方向上的高度已经超出凹腔的深度，并且接近燃烧室顶部，左侧的OH聚集结构产生了向中轴线延伸的结构，说明火焰有往中轴线聚集的趋势；B截面上在中轴线已经形成大的OH聚集结构，贴近壁面的地方仍有少量OH聚集结构，整体呈中间高两边低的结构，火焰在此截面正处于两侧往中间聚集的过程中；C截面上呈现出典型的湍流火焰面结构，火焰至此已经完全汇合。

对多组实验中展向OH-PLIF瞬时结果，选取30张有效数据进行平均计算后，可得到如图5所示的平均强度分布结果。横坐标为图4中x方向离凹腔右侧的距离(面对来流方向)，纵坐标为相对强度。从强度上来看，高当量比时OH-PLIF的强度要远高于低当量比工况的，说明火焰在高当量比时燃烧更加剧烈。不同截面的OH-PLIF信号分布，高/低当量比差别较大。低当量比工况时，在A截面，OH分布在中轴线两侧近似对称，左端强度稍高，到了B与C截面，OH均完成了汇聚，集中在中轴线附近。高当量比工况时，在A与B截面，OH均集中在靠壁面一侧，表现出不对称现象，其中在A截面上，OH集中分布在左侧，与低当量比时左侧强度较高的情况是一致的，C截面强度分布对称于中轴线，OH在此截面汇聚完成。

图4 不同全局当量比下超声速燃烧展向截面OH-PLIF结果

图5 不同当量比下多个展向截面OH-PLIF的平均强度分布对比

图6为不同当量比下S1、S2流向截面上的OH-PLIF实验结果。可以看到，在低当量比时OH主要分布在凹腔剪切层下的回流区内，在高当量比时OH分布位置变得更高，已经超出剪切层而发展到主流之中；高当量比时OH强度分布差异较大，且在凹腔下游仍然存在较剧烈的燃烧。

图6 不同全局当量比下超声速燃烧流向截面OH-PLIF结果

图7为多组瞬时OH-PLIF结果叠加后，垂直方向上的平均强度分布。图7(a)的横坐标为竖直方向上离凹腔底部壁面的距离，图7(b)的横坐标为竖直方向上离台阶底部壁面的距离。纵坐标为相对强度。工况为低当量比时，S1截面上OH分布均匀，主要分布在离凹腔底部壁面较近的位置。试验件凹腔高为12 mm，图7(a)中品红色虚线以左为在凹腔中的强度，从总体上来看，低当量比时，OH在垂直方向的分布高度均不高于凹腔。S2截面上OH垂直方向的分布高度约8～9 mm(见图7(b))，但分布不均匀，出现了破碎的结构。综合展向截面的结果分析，在上游的位置OH还未聚集，因此流向截面的信号相对较弱，而在凹腔中部与后缘，OH已经聚集在中轴线附近，S2截面上的结构出现了破碎与分离。高当量比时，从展向截面的结果可知，在凹腔中OH聚集结构主要在两侧壁面，因此在S1截面OH的分布并不均匀，有空洞出现。S2截面位于凹腔下游，从展向截面的结果可知，在S2截面火焰已完成汇合，与低当量比工况一样，S2截面也出现了部分破碎与分离的结果，说明OH在下游的分布很不稳定。高当量比工况时，S1截面中的OH高度分布远高于凹腔，S2截面的强度与高度分布均高于低当量比工况。

图7 流向截面垂直方向上OH-PLIF平均强度分布

2.2 CH-PLIF图像和火焰放热区结构

CH存在于燃烧中的放热层，所分布的区域可认为能够反映火焰放热区的结构。在超声速燃烧中，OH经常存在于凹腔中的反应区，并会扩散到高温产物区，因此OH分布较宽。与OH相比，CH寿命短、分布窄，常用于标示火焰放热区的结构。本文利用CH-PLIF技术，在超燃直连台对凹腔稳定火焰放热区结构成像。实验工况采用OH-PLIF实验时的高当量比工况(φ=0.50)，实验结果如图8所示。因为CH自身荧光效率低，和自发辐射信号强度接近，所以会出现荧光和自发辐射信号同时存在的情况，Micka等[17]的实验中也出现过类似现象。与PLIF信号相比，自发辐射信号没有空间分辨能量，无法得到精细结果，可通过此来判断是否为PLIF信号。图8中黄绿色表示的即为CH-PLIF的信号边界，其外侧为CH自发辐射。可以看出，CH具有高度皱褶和破碎的结构。图像中的CH分布整体为片状结构，其中图8(a)中的CH是单一的片状结构，沿流向分布，没有在垂直空间上折叠，图8(b)中CH破碎成更多细小的片状结构，图8(c)中CH展宽程度更大，并且在下游凹腔中有独立小尺度的片状结构。

图8 凹腔超声速燃烧CH-PLIF图像

图9为超声速燃烧时OH-PLIF与CH-PLIF的瞬时图像。从信号的空间分布来看，OH-PLIF信号紧贴凹腔壁面，在凹腔中分布较为广泛；CH-PLIF信号显示的放热区位于凹腔壁面的上方，分布区域比OH要窄。

图9 OH-PLIF与CH-PLIF在流向截面的火焰结构成像对比

同时,在相同工况下获取OH与CH在特定位置的相对强度分布。图10(a)为在OH-PLIF与CH-PLIF共同测量的截面上，OH与CH的平均强度分布情况。图10(b)为从凹腔下游每4.4 mm沿凹腔垂直方向(如图10(a)中的虚线所示)所获取的5个截面的相对强度曲线，相对强度取的是多次实验叠加之后的平均值。OH分布于整个凹腔中，分布范围比CH更宽。从图10(a)中OH 的平均强度可以看出，OH的分布宽度从上游往下游逐步增加，而从图10(b)中可看出，CH的分布曲线在中心处有明显的峰值，特别是在II、III、IV、V截面上，因此可以判断CH主要集中分布在凹腔的中心位置，宽度较窄。

图10 OH与CH在流向截面的平均强度与强度分布曲线对比

3 结 论

本文开展了基于PLIF技术的超声速燃烧火焰反应区和放热区结构的成像研究。利用OH-PLIF在多个截面对不同全局当量比下超声速燃烧的火焰反应区结构进行成像，利用CH-PLIF成像了火焰放热区结构。OH-PLIF结果表明：全局当量比较低时燃烧主要发生在凹腔中，OH沿中轴线对称分布；高当量比时火焰位置更高，OH主要沿燃烧室两侧壁面分布。CH-PLIF结果表明，超声速燃烧的放热区呈现高度褶皱和破碎结构，放热区分布在比反应区更窄的区域。

在未来的研究中，需要继续优化并改进CH-PLIF技术以提高信噪比、实现更广范围的火焰结构成像，比如优化激光器系统获得更高的激光能量、利用紫外高透过率玻璃窗口、使用多个相机消除自发辐射的影响。开展OH与CH双组分同步PLIF技术研究，实现超声速燃烧反应区和放热区瞬时结构的同时成像也是未来研究工作的重要方向。