基于高光谱技术的甲烷层流预混火焰自由基特性研究

王 岩， 王宝瑞*， 王 岳

1. 中国科学院轻型动力创新研究院， 北京 100190

2. 中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室， 北京 100190

3. 中国科学院大学, 北京 100049

引 言

甲烷是天然气的主要成分， 也是最为常见的一种烃类燃料, 是燃气轮机、 火箭发动机等能源和动力设备的燃料。 研究甲烷的燃烧特性对提高燃烧效率、 降低污染排放有着重要的作用。 同时， 甲烷预混火焰燃烧方式是最主要的低污染燃烧方式[1]， 随着预混火焰燃烧技术的普及， 利用层流火焰深入研究其基础特性具有重要的意义。

高光谱技术是成像技术与光谱技术相结合， 能够获取目标的二维几何空间及一维光谱信息。 相对于其他测量技术， 高光谱技术具有获取信息数量多， 信息分辨率高等优点。 高光谱技术广泛应用于遥感、 污染检测、 军事活动等领域， 但较少应用于燃烧领域。 20世纪80年代， 第一幅高光谱影像的获得， 象征着高光谱时代的到来。 20世纪末， 高光谱卫星被成功研制出来， 被誉为是20世纪遥感领域的最伟大的成就之一。 高光谱数据被广泛应用于各种领域[2]。 美国Rebellion公司利用高光谱成像技术研发了气云成像系统， 用以识别和量化气体泄漏, 可对50多种烃类气体进行识别。 火焰具有丰富的空间和光谱特性， 高光谱技术可以充分获取空间信息和光谱信息， 但目前很少有基于高光谱技术的燃料燃烧特性研究。

传统火焰实验中常用直接成像设备和光谱仪进行燃烧特性的研究。 一般直接成像设备得到的火焰信息只有灰度信息或者RGB三个通道信息， 光谱信息不充分， 主要获取火焰的空间信息。 张浪通过ICCD相机和相应滤光片获取OH*和CH*的化学发光图像， 得出OH*主要分为三个燃烧区域， CH*分布主要为两个燃烧区域， 并且得到了自由基的浓度分布云图[3]。 传统光谱仪可以充分获取光谱信息， 但是只能逐点测量， 不能充分获取空间信息， Ayranci使用FTIR红外光谱仪获取1.1～1.7 μm波段内火焰辐射能量， 在光学薄假设下， 对乙烯扩散火焰温度和烟黑颗粒体积分数进行计算, 得到了较为精确的结果[4]。 除了用直接成像设备和光谱仪对燃烧特性进行诊断， 基于激光散射或激发光谱技术的粒子图像速度场仪(particle image velocimetry, PIV)、 平面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence, PLIF)也是常用的燃烧光学测量技术。

严浩通过对OH*与CH2O双组分进行同步PLIF测量， 获得了不同工况下燃烧室反应区以及预热区的瞬态结构信息， 进一步研究了航空发动机的旋流燃烧室模型在贫燃状态下的工作特性[5]。 基于激光的测量技术能够实时监控火焰燃烧状态， 但激光散射或激发光谱技术系统复杂且成本较高， 不易应用于恶劣的燃烧环境[6], 且外加的激光光源会对火焰造成干扰， 因此目前基于化学自发光的方法越来越受人们重视[7]。 利用高光谱技术对火焰燃烧特性的相关研究不多， He利用基于压缩感知的高光谱技术对甲烷/空气火焰在不同当量比下的自由基化学发光发射率进行了测量， 结果表明发射率与当量比的相关性较好, 该技术基于压缩感知的单次高光谱成像， 可以快速获取火焰信息[8]。 柳华蔚采用高光谱成像设备拍摄四种空气工况乙烯层流扩散火焰辐射图像， 迭代计算火焰内部温度、 吸收系数和烟黑颗粒体积分数分布[9]， 研究中使用乙烯火焰， 是因为乙烯火焰中能够产生相对更多的烟黑， 从而使用黑体模型， 该方法却不易应用于甲烷火焰， 并且在预混火焰中烟黑更少。

1 实验部分

1.1 燃烧系统和高光谱设备

实验利用本生灯构造层流甲烷预混火焰， 实验装置示意图如图1所示， 使用的气态甲烷在一个10 L的气罐中加压， 空气压缩机产生0.7 MPa压力的空气。 燃烧器为轴对称预混燃烧器， 在收缩喷管出口处产生稳定的锥形层流预混火焰， 其出口直径为10 mm， 收缩比是2.25。 燃料的喷注采用双孔对喷的方式， 以达到燃料喷注后迅速与空气混合均匀的目的， 避免浓度分层产生的误差影响实验结果。

图1 实验装置示意图

采用GaiaField Pro-V10高光谱仪采集火焰辐射光谱信息， 光谱仪集成高性能数据采集与分析处理系统， 无需外接计算机。 其波长覆盖范围是400～1 000 nm， 光谱通道数为176， 数据格式为16位无符号整型(0-65535)； 内置CCD探测器， 可以得到火焰的二维图像， 以及图像上每个点的光谱信息， 通过ENVI软件对得到的数据进行处理就可以得到火焰高光谱信息。

1.2 实验工况

表1 不同当量比实验工况

表2 不同流量实验工况

1.3 火焰实验点的选择

图2为甲烷层流预混火焰的RGB图像(RGB分别用光谱通道中的700， 550和470 nm作为近似)， 为了使选取的位置具有代表性， 实验选取火焰面上的最高点火焰顶部和火焰高度一半位置的火焰中心为研究点。 在轴对称火焰条件下， 预混火焰面最高点受到火焰面内部的辐射影响最小； 同时火焰的中心在理论上不存在光线偏折， 能更好的体现火焰面的辐射特性， 因此选定这两点在不同工况下的高光谱辐射特性来研究甲烷层流预混火焰自由基的辐射特性。

图2 火焰图像

2 结果与讨论

2.1 甲烷层流预混火焰光谱特性

研究了甲烷预混火焰的整体辐射特性。 图3为当量比为1的甲烷预混火焰在波长400～1 000 nm的辐射曲线和基于黑体辐射定律的辐射曲线对比图， 甲烷火焰辐射曲线包括火焰中心处、 火焰面内、 燃烧区域内辐射曲线， 其中火焰面内、 燃烧区域内辐射强度是将区域内所有点的强度累加后做平均化处理, 相当于将火焰面内和整个燃烧区域当作一个点而形成的光谱， 平均化之后的光谱仍然保留了主要光谱特征。 从图3中可以看出， 黑体辐射定律不再适用于甲烷预混火焰， 辐射定律拟合的曲线随波长呈上升趋势， 而甲烷预混火焰的辐射曲线在特定波长范围内出现峰值， 在其他波长范围内变化平稳， 因此需要深入研究甲烷预混火焰辐射特性为完善传统辐射模型提供理论基础。

图3 理论黑体辐射分布和实验光谱分布对比

图4 当量比为0.85和1.15火焰中心处的光谱图

2.2 当量比对自由基辐射强度的影响

在预混条件下固定空气流量， 调节甲烷流量来改变当量比， 当量比变化范围从0.79～1.28， 图5为不同当量比甲烷火焰的辐射强度三维图， 波段范围为400～1 000 nm； 从图中可以看出， 随着当量比的变化， 对应曲线的峰值高度也在发生变化， 自由基的辐射强度都经历了先变大后减小的变化， 不同当量比的曲线也会出现不同的峰值特性， 当量比大于1时， 在波长为554 nm处出现了C类自由基， 而当量比小于1时不会出现这些峰值。

图5 不同当量比甲烷火焰的辐射强度三维图

图6 自由基辐射强度随当量比的变化

图7 火焰中心处和燃烧区域内与当量比的关系

图和CH*自由基辐射强度比值云图

2.3 甲烷及空气总流量对自由基辐射强度的影响

上述实验探究了空气流量固定， 甲烷流量增加时自由基辐射强度的变化， 为了进一步探究甲烷和空气流量对火焰和自由基分布的影响， 保持当量比不变， 同时增加甲烷和空气的流量(层流状态下)， 探究不同流量下火焰和自由基浓度分布的规律。

图9 CH*和C2*自由基相对辐射强度分布图

图10 不同流量甲烷火焰的辐射强度三维图

图11 不同流量时的火焰顶部和火焰中心的自由基辐射强度

3 结 论

利用高光谱研究了不同燃烧状态下甲烷预混火焰的总体光谱特性和自由基的辐射强度分布。 通过甲烷预混火焰自由基的辐射强度随当量比和流量的变化测量, 分析了辐射特性及其与火焰的燃烧状态的关系， 结果表明：

(1)甲烷层流预混火焰拥有丰富的化学发光光谱。 高光谱测量可以识别出了火焰中的主要自由基， 为甲烷GRI详细化学反应机理的完善提供了更多参考。 通过光谱的比较表明， 基于传统黑体辐射的模型不适用于甲烷层流预混火焰在可见光范围内的光谱分布, 这些结果为燃烧辐射模型的完善提供了基础。

(3)分析了不同当量比下的甲烷预混火焰自由基光谱。 结果表明， 当量比的变化同时影响自由基的种类和辐射强度， 主要有以下规律：

② CH*自由基辐射强度在当量比为1.01时达到峰值。 当量比1代表完全反应， 且CH*是重要的自由基， 因此可以用CH*的相对强度表征火焰中燃烧反应的强度。

本研究从技术应用和火焰特性分析的角度为燃烧领域的相关研究提供了参考。 下一步拟利用轴对称模型定量化研究火焰内部结构， 未来将应用于工程化的湍流火焰。