平面激光誘導熒光技術在超聲速燃燒火焰結構可視化中的應用

吳 戈, 李 韻, 萬明罡, 朱家健, 楊揖心, 孫明波

(國防科技大學空天科學學院 高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室, 長沙 410073)

0 引 言

高超聲速飛行器飛行速度可達到5馬赫以上，具有廣闊的應用前景[1]。高超聲速飛行器的關鍵部件和動力系統為超燃沖壓發動機[2-3],對超聲速燃燒機理的研究有助于優化超燃沖壓發動機設計[4]。在超聲速燃燒過程中，火焰結構可視化研究能夠促進對超聲速燃燒穩焰機理的認識，因此需要采用合適的診斷技術對超聲速燃燒的火焰結構進行觀測。

平面激光誘導熒光(Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF)技術能夠成像燃燒過程中的重要中間產物的分布，從而實現火焰結構的可視化，如OH存在于火焰反應區結構中，CH存在于火焰放熱區結構中，CH2O存在于火焰預熱區結構中。成像這些重要組分的二維分布，就能得到火焰的瞬態結構圖像，結合不同時刻或空間的變化，可以獲得火焰的發展變化規律。PLIF技術具有高時空分辨率的優點，同時也是一種非侵入式的測量方法，其在火焰結構的可視化中有著廣泛而重要的應用[5]。早期的研究中，PLIF技術主要應用在低速常規火焰中，目前國內外的PLIF技術在低速火焰結構成像中的應用已經日臻成熟。胡志云等[6]利用OH-PLIF分析了測量區域內的二維溫度場分布，李麥亮等[7]利用 OH-PLIF 成像,測量了多種平面火焰爐的湍流火焰結構，朱家健等[8]使用 CH2O/OH-PLIF 同步成像技術，探索了甲烷/空氣部分預混火焰結構與火焰分區分裂規律，Zhou等[9-10]使用CH/CH2O/OH-PLIF與HCO/CH2O/OH-PLIF同步成像技術測量了湍流預混火焰的結構及其變化規律，Carter等[11]使用高速CH-PLIF對預混湍流火焰鋒面進行了成像。

相比之下，超聲速燃燒現象復雜、反應劇烈，導致自發輻射光信號強；封閉空間內壁面反射強，導致雜散光信號強；實驗臺維持火焰時間較短，導致難以在線優化光學系統，因此PLIF技術在超聲速燃燒中的應用相對有限。耿輝等[12]利用OH-PLIF研究了超聲速燃燒的火焰結構，李麥亮等[13]使用OH-PLIF探索了不同凹腔結構和不同燃料類型對凹腔穩定火焰結構的影響，Donbar等[14]利用OH-PLIF成像研究了各種碳氫燃料在凹腔中的燃燒情況，Cantu等[15]利用OH-PLIF技術對雙模凹腔中的乙烯預混火焰實現了可視化，O′Byrne等[16]使用OH-PLIF成像了在高馬赫數工況下凹腔底部噴注燃料的燃燒火焰結構。超聲速燃燒領域中的CH-PLIF研究較少，目前僅有Micka等[17]利用CH-PLIF技術對雙模凹腔的反應區進行成像，梁劍寒等[18]使用CH-PLIF技術對超聲速燃燒火焰中的放熱區結構進行研究。

本文針對復雜的超聲速燃燒現象，綜合利用OH-PLIF與CH-PLIF技術，對超聲速燃燒的火焰結構進行研究，獲得了不同當量比條件下多個截面火焰反應區和放熱區的瞬時結構，分析了火焰反應區和放熱區的分布規律，并比較了不同組分的分布情況。

1 實驗系統

1.1 超聲速燃燒實驗系統

本實驗在國防科技大學流量為1 kg/s的超聲速燃燒直連式實驗臺展開。如圖1所示，超聲速燃燒直連式實驗臺由加熱器、隔離段、燃燒室和擴張段等部分組成。其中燃燒室凹腔長48 mm、寬50 mm、深12 mm，后緣傾角45°，后緣高12 mm，在凹腔上游10 mm處設置燃料噴注孔，噴孔直徑3 mm，噴注燃料為乙烯，凹腔底壁安裝火花塞用于點火，火花塞中心距凹腔前緣30 mm；擴張段擴張角為2.25°；加熱器使用空氣/氧氣/酒精三組元混合，用來模擬入口空氣的化學成分。正常點火后，空氣加熱器能夠模擬超聲速燃燒沖壓發動機入口的總焓，其模擬的總溫為1530 K，總壓2.5 MPa。空氣加熱器出口的混合氣體進入隔離段，通過拉瓦爾噴管進一步加速到Ma2.92，到達燃燒室。

圖1 1 kg/s超聲速燃燒直連式實驗臺組成結構示意圖

1.2 PLIF光學診斷系統

實驗系統如圖2所示，系統由激光器系統、數據采集系統、光學系統以及時序控制系統構成。根據所測中間產物與實驗方案，所采用的激光器系統、數據采集系統及光學系統有所不同，具體方案如表1所示。

圖2 PLIF成像實驗系統

表1 PLIF實驗系統配置

OH-PLIF實驗的激光通過Nd:YAG激光器(Spectral Physics)的二倍頻532 nm激光泵浦染料激光器，經倍頻后得到283 nm附近的激光，經過掃譜獲得Q1(8)的泵浦激發線。選取此波長激發線是因為在超聲速燃燒的溫度范圍中，OH熒光強度受溫度影響小于20%[16]，在LIFBASE仿真軟件中對應的波長為283.553 nm。CH-PLIF實驗的激光通過可調諧Alxanderite激光器倍頻后得到387 nm附近的激光。激光經所對應波長的高反鏡，通過柱面凹透鏡和球面凸透鏡制成均勻的光片。OH-PLIF的信號較強且對激光能量要求低，選用長焦距的凸柱面鏡制成較大的光片，可以覆蓋整個所測區域。OH-PLIF成像截面的選取如圖3所示，流向截面位于凹腔的中軸線上，分別在凹腔中與凹腔下游的臺階上選取了S1與S2截面；展向截面分別在距離凹腔前緣30、55和75 mm的位置，在凹腔底部、斜坡以及凹腔下游臺階上選取了A、B和C等3個截面，其中截面A位于火花塞之上。在觀察展向截面時，相機與截面需呈一定角度拍攝PLIF信號，拍攝前測量相機與截面的夾角，在后期處理中按照對應的角度將獲取的PLIF信號投影圖像還原為相應截面的正視圖。對于CH-PLIF,因為CH基有活性強、分布窄、壽命短、CH熒光效率低、易受雜散光干擾等特點，需要高能量密度的激光來激發，CH-PLIF的光片制作得比較小，因此相比于OH-PLIF可以對凹腔中整個流向截面成像，CH-PLIF成像的位置只有凹腔正中間的部分區域(圖3中S3截面)。數據采集系統分別采用哈工大研制的ICMOS與PIMAX II ICCD相機，分辨率均為1024 pixel×1024 pixel。時序控制系統由一部DG 535實現。為了消除雜散光對PLIF信號的影響，在鏡頭前分別安裝了相應的濾光片。

圖3 PLIF測量所選取截面在凹腔中的相對位置示意圖

2 實驗結果與討論

2.1 OH-PLIF圖像和火焰反應區結構

OH是燃燒過程中產生的一種重要自由基，可以用作標示火焰的反應區，利用OH-PLIF技術可以得到超聲速燃燒室里反應區的二維分布。本文使用OH-PLIF技術成像流向與展向截面超聲速燃燒火焰反應區結構，進而分析凹腔穩定火焰的空間結構分布與發展規律。

實驗燃料選擇乙烯，噴注壓強在1.3與2.3 MPa附近，因為無法精確控制噴注壓強，對應的全局當量比φ分別為0.30±0.01與0.50±0.01。從實驗結果來看，當量比0.01的變化幾乎無影響，而0.30與0.50的現象差別很大，因此以0.30代表低當量比、0.50代表高當量比作為實驗工況。實驗中噴注時間200 ms，維持燃燒時間800 ms，總實驗時間為1 s。泵浦源固體激光器頻率為30 Hz，數據采集的ICMOS相機采集頻率最高為500 Hz,遠大于30 Hz，所以在1 s的實驗時間里可以獲得30張左右的有效圖像，在此基礎上選取瞬時圖像對火焰結構進行分析。

圖4為不同全局當量比下A、B和C等3個展向截面上的OH-PLIF實驗結果。低當量比時(φ=0.30)，A截面上有一對OH結構關于燃燒室中軸線對稱，分布在距離中軸線約1/4個凹腔寬度的位置；B截面上對稱的OH結構聚集于燃燒室中軸線附近并且高度降低，在中軸線兩側約1/4個凹腔寬度處的位置仍有細微的OH結構，有從兩側往中心匯合的趨勢；C截面上OH結構基本集中在中軸線附近，表明已經完全匯合，火焰往后沿中軸線發展。高當量比時(φ=0.50)，與低當量比時的火焰結構有較大差異，A截面上OH聚集結構呈不對稱分布，均附著在兩側的壁面上，結合燃燒室的尺寸，在垂直方向上的高度已經超出凹腔的深度，并且接近燃燒室頂部，左側的OH聚集結構產生了向中軸線延伸的結構，說明火焰有往中軸線聚集的趨勢；B截面上在中軸線已經形成大的OH聚集結構，貼近壁面的地方仍有少量OH聚集結構，整體呈中間高兩邊低的結構，火焰在此截面正處于兩側往中間聚集的過程中；C截面上呈現出典型的湍流火焰面結構，火焰至此已經完全匯合。

對多組實驗中展向OH-PLIF瞬時結果，選取30張有效數據進行平均計算后，可得到如圖5所示的平均強度分布結果。橫坐標為圖4中x方向離凹腔右側的距離(面對來流方向)，縱坐標為相對強度。從強度上來看，高當量比時OH-PLIF的強度要遠高于低當量比工況的，說明火焰在高當量比時燃燒更加劇烈。不同截面的OH-PLIF信號分布，高/低當量比差別較大。低當量比工況時，在A截面，OH分布在中軸線兩側近似對稱，左端強度稍高，到了B與C截面，OH均完成了匯聚，集中在中軸線附近。高當量比工況時，在A與B截面，OH均集中在靠壁面一側，表現出不對稱現象，其中在A截面上，OH集中分布在左側，與低當量比時左側強度較高的情況是一致的，C截面強度分布對稱于中軸線，OH在此截面匯聚完成。

圖4 不同全局當量比下超聲速燃燒展向截面OH-PLIF結果

圖5 不同當量比下多個展向截面OH-PLIF的平均強度分布對比

圖6為不同當量比下S1、S2流向截面上的OH-PLIF實驗結果。可以看到，在低當量比時OH主要分布在凹腔剪切層下的回流區內，在高當量比時OH分布位置變得更高，已經超出剪切層而發展到主流之中；高當量比時OH強度分布差異較大，且在凹腔下游仍然存在較劇烈的燃燒。

圖6 不同全局當量比下超聲速燃燒流向截面OH-PLIF結果

圖7為多組瞬時OH-PLIF結果疊加后，垂直方向上的平均強度分布。圖7(a)的橫坐標為豎直方向上離凹腔底部壁面的距離，圖7(b)的橫坐標為豎直方向上離臺階底部壁面的距離。縱坐標為相對強度。工況為低當量比時，S1截面上OH分布均勻，主要分布在離凹腔底部壁面較近的位置。試驗件凹腔高為12 mm，圖7(a)中品紅色虛線以左為在凹腔中的強度，從總體上來看，低當量比時，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約8～9 mm(見圖7(b))，但分布不均勻，出現了破碎的結構。綜合展向截面的結果分析，在上游的位置OH還未聚集，因此流向截面的信號相對較弱，而在凹腔中部與后緣，OH已經聚集在中軸線附近，S2截面上的結構出現了破碎與分離。高當量比時，從展向截面的結果可知，在凹腔中OH聚集結構主要在兩側壁面，因此在S1截面OH的分布并不均勻，有空洞出現。S2截面位于凹腔下游，從展向截面的結果可知，在S2截面火焰已完成匯合，與低當量比工況一樣，S2截面也出現了部分破碎與分離的結果，說明OH在下游的分布很不穩定。高當量比工況時，S1截面中的OH高度分布遠高于凹腔，S2截面的強度與高度分布均高于低當量比工況。

圖7 流向截面垂直方向上OH-PLIF平均強度分布

2.2 CH-PLIF圖像和火焰放熱區結構

CH存在于燃燒中的放熱層，所分布的區域可認為能夠反映火焰放熱區的結構。在超聲速燃燒中，OH經常存在于凹腔中的反應區，并會擴散到高溫產物區，因此OH分布較寬。與OH相比，CH壽命短、分布窄，常用于標示火焰放熱區的結構。本文利用CH-PLIF技術，在超燃直連臺對凹腔穩定火焰放熱區結構成像。實驗工況采用OH-PLIF實驗時的高當量比工況(φ=0.50)，實驗結果如圖8所示。因為CH自身熒光效率低，和自發輻射信號強度接近，所以會出現熒光和自發輻射信號同時存在的情況，Micka等[17]的實驗中也出現過類似現象。與PLIF信號相比，自發輻射信號沒有空間分辨能量，無法得到精細結果，可通過此來判斷是否為PLIF信號。圖8中黃綠色表示的即為CH-PLIF的信號邊界，其外側為CH自發輻射。可以看出，CH具有高度皺褶和破碎的結構。圖像中的CH分布整體為片狀結構，其中圖8(a)中的CH是單一的片狀結構，沿流向分布，沒有在垂直空間上折疊，圖8(b)中CH破碎成更多細小的片狀結構，圖8(c)中CH展寬程度更大，并且在下游凹腔中有獨立小尺度的片狀結構。

圖8 凹腔超聲速燃燒CH-PLIF圖像

圖9為超聲速燃燒時OH-PLIF與CH-PLIF的瞬時圖像。從信號的空間分布來看，OH-PLIF信號緊貼凹腔壁面，在凹腔中分布較為廣泛；CH-PLIF信號顯示的放熱區位于凹腔壁面的上方，分布區域比OH要窄。

圖9 OH-PLIF與CH-PLIF在流向截面的火焰結構成像對比

同時,在相同工況下獲取OH與CH在特定位置的相對強度分布。圖10(a)為在OH-PLIF與CH-PLIF共同測量的截面上，OH與CH的平均強度分布情況。圖10(b)為從凹腔下游每4.4 mm沿凹腔垂直方向(如圖10(a)中的虛線所示)所獲取的5個截面的相對強度曲線，相對強度取的是多次實驗疊加之后的平均值。OH分布于整個凹腔中，分布范圍比CH更寬。從圖10(a)中OH 的平均強度可以看出，OH的分布寬度從上游往下游逐步增加，而從圖10(b)中可看出，CH的分布曲線在中心處有明顯的峰值，特別是在II、III、IV、V截面上，因此可以判斷CH主要集中分布在凹腔的中心位置，寬度較窄。

圖10 OH與CH在流向截面的平均強度與強度分布曲線對比

3 結 論

本文開展了基于PLIF技術的超聲速燃燒火焰反應區和放熱區結構的成像研究。利用OH-PLIF在多個截面對不同全局當量比下超聲速燃燒的火焰反應區結構進行成像，利用CH-PLIF成像了火焰放熱區結構。OH-PLIF結果表明：全局當量比較低時燃燒主要發生在凹腔中，OH沿中軸線對稱分布；高當量比時火焰位置更高，OH主要沿燃燒室兩側壁面分布。CH-PLIF結果表明，超聲速燃燒的放熱區呈現高度褶皺和破碎結構，放熱區分布在比反應區更窄的區域。

在未來的研究中，需要繼續優化并改進CH-PLIF技術以提高信噪比、實現更廣范圍的火焰結構成像，比如優化激光器系統獲得更高的激光能量、利用紫外高透過率玻璃窗口、使用多個相機消除自發輻射的影響。開展OH與CH雙組分同步PLIF技術研究，實現超聲速燃燒反應區和放熱區瞬時結構的同時成像也是未來研究工作的重要方向。