甲烷層流和湍流預(yù)混火焰OH*和CH*的化學(xué)發(fā)光特性

劉 瑤，譚建國，高政旺

國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073

引 言

燃燒中的化學(xué)發(fā)光，是指受化學(xué)反應(yīng)激發(fā)而產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)自由基，向基態(tài)躍遷時(shí)輻射出特定頻率光子的現(xiàn)象。 在甲烷火焰中，激發(fā)態(tài)自由基主要輻射波長為308 nm(OH*)和431 nm(CH*)。 OH*的形成主要有R1—R3三條途徑，Gaydon等[1]提出碳?xì)浠鹧嬷蠷1是產(chǎn)生OH*的主要化學(xué)途徑； 氫氣火焰中OH*的產(chǎn)生途徑則主要為三體碰撞反應(yīng)R2[2]。 何磊等[3]發(fā)現(xiàn)，OH*在甲烷擴(kuò)散火焰中有兩個(gè)分布區(qū)，分別由R1和R2產(chǎn)生，且氧化劑中O2含量低時(shí)(如空氣)，R1是主要途徑； 含量高時(shí)，R2起主導(dǎo)作用。 另外，火焰溫度高于2 800 K時(shí)，熱激發(fā)反應(yīng)R3成為主導(dǎo)途徑[4]。 對(duì)于CH*，R4一般被認(rèn)為是主導(dǎo)反應(yīng)[5-6]。 Elsamra等[7]研究表明，在貧燃的高溫火焰中，R5的貢獻(xiàn)更大，并一定程度上抑制了R4反應(yīng)的進(jìn)行。 在CH*的生成中熱激發(fā)途徑R6也同樣存在[8]。

CH+O2→CO+OH*

R1

H+O+M→OH*+M

R2

OH+M→OH*+M

R3

C2H+O→CO+CH*

R4

C2H+O2→CO2+CH*

R5

CH+M→CH*+M

R6

當(dāng)量比φ是燃燒過程中的重要參數(shù)，在預(yù)混火焰中利用OH*和CH*的峰值比來對(duì)其進(jìn)行表征已有了不少研究[9-10]，Hardalupas等的工作[11-12]尤為突出，他們通過不同機(jī)理的數(shù)值模擬表明OH*和CH*的濃度比φ與始終保持單調(diào)關(guān)系。 但是，大部分研究都是圍繞層流火焰來進(jìn)行，且未研究速度的影響，關(guān)于湍流火焰中化學(xué)發(fā)光特性的研究還相對(duì)較少。

以甲烷/空氣射流預(yù)混火焰為研究對(duì)象，分析了不同射流速度(u)時(shí)，火焰分別處于層流和湍流狀態(tài)時(shí)OH*和CH*的化學(xué)發(fā)光特性，考察了對(duì)二者輻射分布的影響，得到了火焰流動(dòng)狀態(tài)的判斷依據(jù)，提出了考慮利用u的化學(xué)發(fā)光定量表征φ的關(guān)系式，為后續(xù)湍流火焰的化學(xué)發(fā)光研究提供有效的參考。……