基于荧光谱分辨的煤油燃烧场OH分布测量

李国华， 张振荣， 叶景峰， 王 晟， 方波浪， 邵 珺， 胡志云, 2

1. 西北核技术研究所， 激光与物质相互作用国家重点实验室， 陕西 西安 710024 2. 上海交通大学四川研究院， 四川 成都 610213

引 言

燃烧流场浓度、 温度空间分布参数的精细测量对发动机燃烧室设计、 计算流体动力学模型建立以及数值仿真软件的验证具有重要意义[1-2]。 在现有各种测量技术中， 基于激光的测量技术具有对流场无干扰、 时空分辨率高的特性， 典型二维测量技术有平面激光诱导荧光(planar laser-induced fluorescence， PLIF)技术[3]及二维瑞利散射(rayleigh scattering， RS)技术[4]。 其中PLIF技术具有对象选择性、 高测量灵敏度、 测量信息量丰富、 实验开展简单等优势， 尤其是OH-PLIF浓度及温度测量技术以其理论成熟性及技术方便性得到更为广泛的应用。 由于空气中游离OH含量较低， 在燃烧流场中OH更多作为化学反应的中间产物存在， 因而通常对OH的二维测量， 可以区分流场未燃区及燃尽区， 进而获得燃烧流场结构。 另外， 燃尽区高温区域OH含量更高， 对OH浓度的测量也可一定程度上反应流场温度分布。 但该技术在煤油燃烧场的应用受到较大限制， 原因在于煤油燃烧场残余煤油对OH荧光信号造成较大干扰[5-7]。 国内外已开展的煤油火焰中OH分布测量工作， 主要应用于煤油含量较低状态或煤油含量较低区域[8-10]， 较少关注在煤油含量较高条件下煤油荧光对OH荧光的干扰消除。 本文主要针对OH荧光分布测量时煤油干扰问题， 通过对煤油火焰中OH及煤油吸收谱及荧光光谱的对比分析， 采用改变荧光探测波长额外测量煤油荧光并在受干扰的OH荧光信号中扣除煤油干扰的方式， 获得较为准确的OH分布结果， 为后续煤油燃烧场浓度及温度分布测量奠定了基础。

1 实验部分

实验装置由测量对象、 光源系统及信号探测系统构成。 测量对象为典型煤油本生灯火焰与发动机模型煤油燃烧场。 光源系统有两套， 分别针对吸收谱及荧光测量， 吸收光谱测量中光源为连续紫外氘卤灯； 荧光光谱及空间分布测量中光源为Nd∶YAG激光倍频泵浦的以R590为工作介质的染料激光器的二倍频输出， 波长在285 nm附近可调谐， 可分别位于OH及煤油蒸汽激励线。 三套探测系统分别针对吸收谱、 荧光发射谱及荧光分布测量， 在吸收光谱测量中使用光纤光谱仪进行探测， 由透过煤油蒸汽前后光谱变化， 参比获得煤油蒸汽吸收谱； 在荧光发射谱测量中使用多通道光学分析仪， 通过调节激励波长分别获得煤油燃烧火焰中OH及煤油荧光发射谱； 在荧光分布测量中使用分别带有OH及煤油波段带通滤光片的两台ICCD相机进行二维测量。

2 结果与讨论

2.1 煤油与OH光谱测量结果

利用氘-卤灯结合光纤光谱仪测量煤油蒸汽吸收线， 而OH吸收线由LIFbase软件拟合得出， 归一化吸收谱如图1(a)所示， 在282～320 nm波段， 煤油吸收线完全覆盖OH激励线， 在此波段对OH激励测量时， 必然激励煤油产生荧光。 进一步通过调节激励波长， 分别测量OH/煤油混合荧光与煤油荧光发射谱， 按激励光散射信号归一化发射谱如图1(b)所示， 煤油蒸汽荧光谱主要源于煤油裂解产物单环及双环芳香烃， 发射谱为中心位于290及340 nm的宽带信号，OH荧光主要集中于波长300～320 nm， 煤油荧光发射谱范围覆盖OH荧光， 结合吸收谱测量结果， 说明在燃烧场煤油燃烧不充分时， 在280 nm波段激励测量OH必然面临来自煤油荧光的干扰， 对准确OH荧光信号的获取只能通过对煤油信号的测量并扣除实现。

图1 OH与煤油蒸汽吸收光谱(a)及发射光谱(b)Fig.1 The absorption (a) and fluorescence spectrum (b) of OH and Kerosene

2.2 煤油与OH空间分布测量结果

进一步分析煤油与OH吸收谱及激励荧光发射谱差异， 单纯煤油荧光的探测可在选择性激励及选择性探测两方面实现。 选择性激励采用调谐激励波长的方式， 在非OH共振线激励获得煤油荧光， 此方式需在稳态火焰分两次测量或需两套激励系统， 考虑对象的局限性及实验复杂性， 本文主要从选择性探测方面入手， 采用两台ICCD相机， 分别结合(315±15)和(360±6) nm的带通滤光片进行OH/煤油混合荧光和煤油荧光的选择性探测， 滤光片透射曲线如图2所示。

图2 OH、 煤油荧光滤光片透过率曲线Fig.2 Transmission curve of filter for OH and Kerosene

在煤油火焰中， 利用上述实验设备及方法选择OH激励线， 利用OH滤光片测量获得OH/煤油混合荧光如图3(a)所示， 在本图中无法分辨OH与煤油的分布情况， 利用煤油滤光片单独测量的煤油荧光如图3(b)所示， 扣除煤油后OH荧光测量效果如图3(c)所示， 结合图3(a)和(b)较好地实现了对OH的无煤油干扰测量。

图3 煤油火焰中OH及煤油荧光分布(a): 煤油+OH荧光; (b): 煤油荧光; (c): 去干扰OH荧光Fig.3 Fluorescence distribution of OH and Kerosene in flame(a): Image of OH & kerosene; (b): Image of kerosene; (c): Image of OH

作为实际应用， 在发动机模型开展的荧光测量效果如图4所示， 在混合荧光图4(a)中对应点扣除图4(b)中煤油荧光信号后， 获得的OH荧光分布见图4(c)， 此结果有效避免了煤油荧光对OH荧光分布测量的干扰。

图4 发动机模型燃烧流场混合荧光、 煤油荧光及OH荧光分布(a): OH+煤油混合荧光; (b): 煤油荧光; (c): OH荧光Fig.4 Distribution of added fluorescence, kerosene fluorescence and OH fluorescence in engine model(a): Image of OH & kerosene; (b): Image of kerosene; (c): Image of OH

3 结 论

测量获得了OH与煤油吸收谱及荧光发射谱， 综合煤油较OH宽带吸收、 宽带发射的特点， 认为煤油对OH荧光测量的干扰不可避免， 只能通过后处理的方式进行扣除， 而对煤油荧光分布的测量是进行干扰扣除的基础。 本文在OH荧光测量系统基础上增加一台探测相机， 利用频域滤波的方式， 在两台相机分别实现了OH/煤油混合荧光与单独煤油荧光分布的同时测量， 通过对应点扣除的方式， 在煤油本生灯及发动机模型煤油燃烧混合荧光信号中去除煤油荧光获得了受干扰较小的OH分布结果。 此结果证实了在煤油火焰进行OH荧光分布测量时采用选择性探测方式进行煤油干扰消除方案的有效性， 为后续煤油燃烧场OH双线温度测量奠定了基础， 为其他组分浓度分布测量提供了参考。

致谢：西北工业大学及南京航空航天大学对于本文研究工作的开展提供了必要的硬件支撑， 他们分别提供了作为诊断对象的实验平台和燃烧器， 对他们的辛勤付出一并感谢。