基于濾波瑞利散射技術的帶壓燃燒場溫度測量實驗研究

閆 博, 李 猛, 陳 力, 陳 爽, 吳運剛, 楊富榮, 母金河

(中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

發動機燃燒室的壓強通常在0.2MPa以上，溫度約為1000～3000K，且伴隨有激波邊界層干擾、混合邊界層等現象。同時發動機燃燒試驗條件極為苛刻，包括受限空間試驗布局，受限空間引入的強雜散光干擾，超聲速燃燒流場引起的高度湍流特性，燃燒室溫

度、壓強分布的不均勻性等。這些因素導致發動機燃燒場的溫度測量非常困難，亟需響應速度快、不干擾流場、高時空分辨率、高靈敏度和可消除雜散光干擾的燃燒場溫度測量技術[2- 3]。

目前，能夠實現燃燒場二維溫度測量的技術主要有平面激光誘導熒光技術和瑞利散射技術。平面激光誘導熒光技術通常采用雙波長激發來獲取燃燒場的溫度信息[4- 5]，但在帶壓燃燒場環境下，分子間碰撞加劇，受碰撞淬滅的影響，熒光信號急劇下降，這給溫度測量帶來了極大的挑戰。瑞利散射技術利用激光照射燃燒場獲取瑞利散射信號來測量流場的溫度，與平面激光誘導熒光技術不同，瑞利散射信號強度與氣體的數密度成正比，在帶壓情況下，壓強越高，瑞利散射信號越強，越容易實現高精度溫度測量。然而，復雜的燃燒場測量環境會引入很強的雜散光(主要來自于米散射和背景散射)，這會極大影響瑞利散射信號的信噪比，降低溫度測量的精度[6- 7]。

為消除雜散光干擾，通常采用窄帶寬濾波片對信號光進行濾波處理，但由于瑞利散射光頻率與雜散光頻率基本相同，導致普通的窄帶寬濾波片無法濾除大量的雜散光干擾。為此，20世紀90年代，Miles和Lempert[8]在傳統瑞利散射技術的基礎上，發展了一種用于流場診斷的濾波瑞利散射技術(FRS)，通過在待測高溫流場和探測器之間放置碘分子濾波池，實現了對雜散光的有效抑制，從而極大提高了瑞利散射信號的信噪比。因此，濾波瑞利散射技術一經提出，便受到國內外眾多研究者的廣泛關注。 Forkey等[9]校正了碘分子濾波池的吸收模型；Hoffman等[10]在甲烷/空氣火焰(含有輕微碳煙)中開展了二維溫度測量；德國DLR研究所的Doll[11- 12]和Schroll等[13]針對常壓燃燒場和發動機燃燒場進行了二維溫度定量測量研究；西北核技術研究所的王晟等[14]和中國空氣動力研究與發展中心的鄭堯邦等[15]也開展了常壓燃燒場溫度和密度測量的初步研究。綜上所述，國內外關于FRS技術的研究主要是針對常壓燃燒場溫度的測量，關于帶壓燃燒場的溫度測量工作較少。

因此，本文將濾波瑞利散射技術應用于高壓火焰溫度測量，針對高壓平面層流火焰爐產生的帶壓燃燒場試驗環境(1000～2000K，0.1～0.5MPa)，開展了甲烷/空氣預混火焰的二維溫度分布測量實驗研究。

1 基本原理

當線寬很窄的一束激光投射到燃燒流場時，將伴隨激光散射現象。通常，散射信號既包含氣體分子引起的瑞利散射信號，也包含大量雜散光(來自米散射和背景散射)。如圖1所示，燃燒流場氣體分子的瑞利散射，因其內部大量分子無規則的熱運動，導致其譜線較入射激光有著明顯的展寬。同時，對于不同的氣體溫度和壓強，瑞利散射光譜線型也不同。但是對于雜散光，其頻率和線寬均與入射激光相同，且信號較強，在燃燒場溫度測量過程中屬于干擾噪聲。為減小雜散光的干擾，提高瑞利散射信號的信噪比，可通過在燃燒流場與探測器ICCD之間放置具有窄吸收峰的分子濾波池，并通過波長調諧技術，將窄線寬激光光源的輸出波長調至濾波分子的吸收峰中心(如圖1所示)，雜散光因與入射激光具有相同頻率和線寬，并正好位于濾波分子的強吸收峰中心而被過濾掉；而燃燒場的瑞利散射光將部分透過吸收峰被ICCD所探測。不同的燃燒狀態，所引起的瑞利散射譜線展寬不同，因此通過濾波池后，ICCD相機探測到的光強也不一樣，根據濾波瑞利散射信號的強弱，可以反解出燃燒場的溫度信息。

圖1 碘分子對激光散射信號吸收示意圖

Fig.1SchematicofiodinetransmissionprofileconvolutedwiththemolecularRayleighscatteringspectralprofile

考慮激光能量以及實際燃燒場的其他物理量，ICCD探測到的濾波瑞利散射信號可以表示為：

常規超聲可以顯示病灶的大小、位置、數目、形態及毗鄰情況，清晰顯示管系內有無癌栓。但是，受到消融區域內氣泡形成的強回聲的干擾，常規超聲的臨床作用大打折扣，消融形成的不規則高回聲區還會遮掩目標腫瘤，難以形成令人滿意的消融后邊界。常規超聲還易受肋骨、肥胖、肝硬化背景等影響，使圖像顯示不清晰。

(1)

式中，C為校準常數，I0為入射激光強度，N為燃燒場的數密度，ω為激光的頻率，χk和Mk為燃燒場中第k種分子的摩爾組分和質量， (?σ/?Ω)為瑞利散射截面， Rk為瑞利散射光譜線型，τ(ω)為濾波分子吸收峰透過率曲線。式(1)中的數密度N可表示為N=p/KT，其中p為燃燒場壓強，K為波爾茲曼常數，T為燃燒場溫度。為消除校準常數C以及入射激光強度I0等參數的影響，引入室溫T0下空氣的濾波瑞利散射信號S0為參考，并定義FRS相對強度S*為：

(2)

由式(2)，根據燃燒條件及濾波分子透過率曲線的條件，可建立FRS相對強度與溫度的對應關系S*-T曲線，將實驗測得的FRS相對強度S*與理論計算的S*-T曲線比對，即可獲得流場的溫度信息。

2 實驗裝置簡介

2.1 裝置光路簡介

濾波瑞利散射溫度測量裝置主要由激光器、片光系統、能量波長監測系統、分子濾波池、同步時序控制器及ICCD相機組成。如圖2所示，激光器為種子注入Nd∶YAG激光器，提供在532nm波長附近可調的窄線寬脈沖光源，激光器輸出能量為400mJ，激光脈寬約10ns，波長選擇為532.218 5nm。激光器輸出的激光經分束比約為24∶1的分束鏡分成2束，能量低的一束進入能量波長監測系統，其中光電倍增管PMT(英國Sens- Tech公司生產，P30A- 03)用于對激光輸出能量監測，F- P干涉儀用于對激光波長漂移進行監測，實驗時，通過對激光能量和波長的監測，可對探測到的濾波瑞利散射圖像進行必要的修正；分束后，能量高的一束激光經過由柱面鏡組組成的片光系統后，形成一片激光通過高壓火焰爐觀察窗照射高壓燃燒火焰。

圖2 分子濾波瑞利散射溫度測量光路示意圖

Fig.2SchematicofopticalarrangementforFRStemperaturemeasurements

高壓火焰爐如圖3(a)所示。該高壓火焰爐可以實現壓強0.1～1.0MPa之間連續可調，且壓強控制精度為0.01MPa。同時，火焰爐為標準McKenna平面火焰爐(如圖3(b)所示)，爐面尺寸為25mm，可通過調節爐內壓力和CH4/空氣比例，產生穩定的層流火焰。在火焰中心區域懸置熱電偶用于火焰溫度點測量，圖3(b)中的標記點A、B和C為實驗中所用到的熱電偶探測點，距離爐面的高度分別為hA=12.5mm，hB=17mm，hC=21.5mm。瑞利散射光收集成像裝置如圖4所示，火焰的散射光經過一個碘分子濾波池(碘分子池的溫度控制在52.3℃)，實現對雜散光的過濾吸收后，被ICCD相機所探測。整個測量裝置的同步時序控制由一臺DG535實現。

(a)

(b)

圖3 (a)高溫高壓火焰爐實物圖；(b)McKenna火焰爐及其上方實驗布局尺寸圖

Fig.3(a)Schematicofhightemperatureandpressurecombustionburner; (b)ThesizeofMcKennaburnerandtheexperimentlayout

圖4 瑞利散射光收集成像裝置實物圖

2.2 瑞利- 布里淵散射光譜理論計算

為建立FRS相對強度與溫度的對應關系S*-T曲線，必須先獲得不同溫度和壓強條件下瑞利- 布里淵散射的光譜線型，進而獲得不同溫度和壓強條件下瑞利散射信號經過濾波池后的光強透過率。

對于氣體分子的瑞利- 布里淵散射光譜線型，國外學者已開展了大量的深入研究，建立了許多物理模型和計算方法。其中，Tenti等[16]建立的S6模型因精度較高而被廣泛使用，近年來Pan等[17]建立了S7模型，進一步提高了計算精度，其計算結果也得到了大量實驗驗證。本文采用S7模型，計算了不同溫度、壓強條件下，氮氣分子的瑞利- 布里淵散射光譜分布，依據式(2)，建立了FRS相對強度與溫度的對應關系S*-T曲線，如圖5所示。通過ICCD探測燃燒和未燃燒條件下的流場濾波瑞利散射信號，并依據S*-T曲線，即可得到燃燒火焰的二維溫度分布結果。

圖5 不同壓強下FRS相對強度與溫度的對應關系

Fig.5NormalizedFRSsignalversusflowtemperaturecurveunderdifferentpressures

3 結果與分析

為驗證濾波瑞利散射測溫裝置對米散射和背景雜散光的抑制能力，按照圖2所示的光路，開展了濾波和未濾波條件下空氣散射流動顯示對比實驗。在未添加碘分子濾波池的條件下，得到空氣對入射片激光的散射圖像，如圖6(a)所示。從圖中可觀察到很強的背景雜散光，如熱電偶探針的反射光和平面火焰爐爐面的反射光，雜散光已經將瑞利散射信號全部掩蓋，極大影響了探測到的瑞利散射信號的信噪比。在散射光收集光路中添加碘分子濾波池，并將入射激光波長調諧至圖1所示的吸收峰中心，獲得濾波后的空氣瑞利散射圖像，如圖6(b)所示。可以看出，由平面火焰爐爐面和熱電偶探針引起的背景雜散光幾乎全部被過濾吸收掉，即系統有效實現了對雜散光的抑制，明顯提高了瑞利散射信號圖像的信噪比。

為進一步說明設計的濾波瑞利散射測溫裝置對雜散光的抑制能力，采用圖2所示光路得到了未燃條件、不同腔壓下的瑞利散射信號值(圖6(b)中紅色方框內的瑞利散射信號平均值)，如圖7所示。由式(1)可知，瑞利散射信號強度值S與氣體分子密度N成正比，而N=pV/RT，其中V為氣體腔室體積，p為腔壓，R為理想氣體常數，T為腔內氣體溫度，故S∝p。由圖7中的線性擬合公式S=657 704.9p+1662.9可知，由雜散光干擾引起的截距項僅為1662.9，小于總信號強度的3%，說明設計的濾波瑞利散射測溫裝置具有較好的背景雜散光抑制能力。其次，利用濾波瑞利散射測溫裝置在高壓火焰爐上開展了預混燃燒火焰溫度測量實驗。帶壓燃燒實驗參數如表1所示，測量區域片激光的厚度約0.5mm，寬度約25mm，激光下邊緣距爐面約8mm(如圖3(b)所示)。

(a) 無濾波池條件下的散射圖像

(b) 有碘濾波池條件下的空氣瑞利散射圖像

Fig.6Scatteringimageswithoutandwiththeiodinefilteringcell

圖7 ICCD相機測得的瑞利散射信號強度S(20幅累加)與腔體壓強p的關系

Fig.7TherelationbetweentheRayleighscatteringsignalSandthechamberpressurep

表1 帶壓燃燒實驗參數(壓強p，甲烷和空氣流量QCH4、QAir，當量比φ及其預混燃氣總流速vpremixed)Table 1 Parameters for combustion experiments (Chamber pressure p, flow rates for air through burner QAir and for fuel CH4QCH4, equivalence ratios φ, premixed gas velocity vpremixed)

圖8(a)顯示了瞬態火焰和50幅火焰圖像累加的溫度場分布平均結果。可以看出，隨著高壓火焰爐腔內壓強的增加，火焰形狀變得尖銳，火焰截面變窄。這是因為當甲烷和空氣的預混氣體流量不變時，隨著腔壓的升高，單位時間內通過的預混氣體體積減小(V=NRT/p)，預混氣體的出射速度v減小(v=V/Θ，V為單位時間內通過的氣流體積，Θ為截面積)，進而火

(a)

(b)

(c)

圖8 (a) 經濾波瑞利散射技術得到的火焰溫度分布圖像；(b) 不同腔壓下，火焰爐上方1.5cm處的火焰溫度分布圖; (c)不同探測位置處，熱電偶和FRS (50幅平均)溫度測量結果

Fig.8(a)ImagesofcombustiontemperaturedistributionbytheFRStechnique; (b)Distributionofcombustiontemperatureattheheight(1.5cm)abovetheburner; (c)ComparisonofthetemperatureresultsbetweentheFRStechniqueandthethermocouple

焰形狀變得尖銳，火焰面變窄。同時，為了對比不同壓強下的濾波瑞利散射技術溫度測量的相對不確定度，圖8(b)對比了火焰爐上方1.5cm且平行爐面處的瞬態瑞利散射溫度分布曲線。由圖可知：0.11MPa時的溫度測量相對不確定度約在15%以內，0.30MPa時約在10%以內，而0.50MPa時約在7%以內。這是因為隨著腔壓的升高，瑞利散射信號強度增大，瑞利散射圖像的信噪比增強，造成溫度測量相對不確定度減小。最后，為了驗證濾波瑞利散射技術的溫度測量精度，分別在A、B和C點(如圖3(b)和8(a)所示)進行了熱電偶溫度點測量，并將熱電偶測量結果與濾波瑞利散射測溫裝置得到的結果(50幅平均)進行對比，如圖8(c)所示。由圖可知，2種測量方法均可得到：火焰距離爐面的高度越高，溫度越低，這是因為火焰在向上傳播時會有熱損失，從而導致溫度變低；壓強越高，相同位置處的溫度越低，這是因為當預混燃氣(甲烷/空氣)的總量不變時，壓強越高，預混燃氣向上的速度越低，從而導致層流火焰面整體向下偏移。此外，對于距離爐面較近的探測點A來說，濾波瑞利散射溫度測量結果和熱電偶測量結果偏差在10%以內(不同壓強)。而隨著探測點距離爐面高度的增加，2種測量方法之間的偏差逐漸增大，且腔壓越高，偏差越大，尤其是對于腔壓為0.50MPa中的探測點C來說，2種方法得到的溫度值最大偏差達到18%。這是因為隨著探測點距離爐面的高度的增加，燃氣氣流的速度減小，受熱傳遞的影響，上方火焰出現擾動(由圖9可以看出，不同時間的火焰形狀不同)，進而導致2種測量方法得到的溫度偏差增大。

圖9 腔壓p=0.50MPa時，不同時間下的火焰瑞利散射信號分布圖像

Fig.9ImagesofcombustionRayleighscatteringsignaldistributionwiththechamberpressurep=0.50MPa,atdifferenttimes

4 結 論

本文基于濾波瑞利散射原理技術，以大功率窄線寬Nd∶YAG脈沖激光器為光源，以碘分子濾波池為背景光抑制器件，以ICCD相機為圖像采集設備，設計了一套濾波瑞利散射溫度測量裝置，并利用該裝置在高壓火焰爐上開展了不同壓強條件下甲烷/空氣預混火焰溫度場診斷實驗。結果表明：

(1) 濾波瑞利散射測溫技術能有效抑制受限空間引入的背景雜散光干擾；

(2) 濾波瑞利散射測溫技術能夠獲得帶壓條件下的瞬態燃燒場溫度分布結果，且溫度測量的相對不確定度優于15%；

(3) 通過與熱電偶溫度測量實驗的結果進行對比，兩者的偏差約為10%，驗證了濾波瑞利散射技術具備帶壓燃燒場溫度的非接觸測量能力。

本文工作對實現受限空間、帶壓條件下的燃燒場溫度分布定量測量具有參考意義，下一步計劃將FRS技術應用于內燃機燃燒場和超燃沖壓燃燒場溫度分布定量測量實驗。