中國空間站燃燒科學實驗系統PIV 單元地面試驗*

何麗芳 鄭會龍 王希坤 楊肖芳 張曉武

1(江蘇大學流體機械工程技術研究中心 鎮江 212013)

2(中國科學院工程熱物理研究所 北京 100190)

0 引言

燃燒是獲取能源的主要手段，加深對燃燒的理解對高效利用能源、控制燃燒污染等具有重要意義。重力使燃燒過程中質量及能量傳遞趨于復雜化，因此經典燃燒理論大多忽略了重力的影響[1]。微重力環境具有抑制自然對流、消除重力沉降效應的優勢，有利于實現靜止、低速流動及稀燃極限（低當量比）的燃燒，拓寬燃燒時空尺度，實現被浮力誘導效應而掩蓋的次級力對燃燒影響的研究。微重力燃燒研究對深入探索燃燒過程的基本特征和規律以及促進燃燒理論和應用技術的發展具有不可替代的作用[2]。

空間站、航天飛機和實驗衛星等航天飛行器都可以提供長時間、穩定的微重力燃燒實驗環境。國內外在航天飛行器上規劃并開展了許多與微重力燃燒相關的科學研究工作，包括微重力下擴散火焰燃燒特性研究[3-5]、孤立液滴和液滴云燃燒特性研究[6-7]、防火材料燃燒試驗研究[8-12]等。中國目前正開展空間站建設任務，規劃了數個空間站微重力研究單元，微重力燃燒實驗研究是空間研究計劃的核心內容之一。由于微重力燃燒實驗具有很高的技術難度以及很大的不確定性，其所需資源、成本遠高于普通實驗室的燃燒實驗，因此需要在滿足燃燒流場測量功能的要求下，綜合考慮燃燒實驗測量方法的前沿性、可行性及經濟性。

激光流場診斷技術是20 世紀70 年代后以激光技術和計算機圖像處理技術為基礎發展起來的先進測量技術，因其不影響流場自身結構的優點而得到廣泛應用。表1 總結了目前常用的激光流場診斷技術，其中激光誘導熒光技術（LIF）只能給出定性化流場信息，激光多普勒測速法（LDV）只能進行單點測量，可調諧二極管激光吸收光譜技術[13]（TDLAS）的空間分辨率太低，而粒子圖像測速技術（PIV）可以提供全局流場瞬時速度，最適合燃燒流場的測量。

表1 激光流場診斷技術Table 1 Laser diagnostic technology of flow field

PIV 技術常用的雙脈沖激光器具有尺寸大、質量大的缺點，無法滿足空間布局與發射重量要求，因此需要研制適用于空間站燃燒科學實驗系統的小型連續激光器。為驗證小型連續激光PIV 測試單元的功能和可行性，更好地完成微重力環境下的PIV 燃燒流場測量，必須開展前期地面試驗研究。

本文通過已研制的PIV 測量單元研究連續激光器的光強對粒子成像效果的影響，驗證PIV 測量單元對低速流場測量的可行性；基于與在軌狀態一致的連續激光器與相機的空間布局，搭建地面層流圓孔射流試驗平臺，選取Al2O3，TiO2，ZrO2三種示蹤粒子開展冷態與熱態試驗，分析不同示蹤粒子對燃燒流場的表現，并進一步驗證PIV 測量單元對低速燃燒流場測量的可行性。

1 燃燒科學實驗系統PIV 單元

燃燒科學實驗系統是用于開展微重力燃燒科學實驗研究的綜合性科學實驗平臺，具備燃燒流場測量功能。空間站對燃燒科學實驗系統的功耗、質量、尺寸與散熱等方面有嚴格的設計限制。由于空間約束，必須將復雜的科學裝置以及精確的光路設計在有限的空間內，完成高緊湊性、高可靠性系統集成[14]。圖1所示為燃燒科學實驗系統PIV 單元，主要包括連續激光器與高速相機，二者成直角分布。連續激光器主要由電源模塊、控制模塊、液冷模塊與泵浦激光模塊組成，設計功率為350 W，激光能量 ≥10 W，波長為532 nm，采用液冷冷卻。連續激光器出射光束通過柱面透鏡將激光光束擴展為扇形片光，通過球面透鏡聚焦，形成毫米級片光，滿足二維PIV 測量要求。高速相機由相機、光路模塊組成，選用了具備高分辨率、高靈敏度、高幀速、高ISO 值、超高動態范圍、低噪聲和多種輸出接口支持能力等優點的PCO.DIMAX.CS1（黑白版本），機身的抗沖擊性能達到150g＞ 11 ms（所有軸），符合發射的力學要求。

圖1 燃燒科學實驗系統PIV 單元Fig.1 Combustion science experimental system of PIV unit

2 地面試驗系統

地面試驗系統由燃燒系統和連續激光PIV 測量系統組成（見圖2）。PIV 測量系統包括連續激光器、水冷機、高速相機、示蹤粒子發生器等裝置。連續激光器型號為Nd∶YVO4泵浦激光器，激光功率為10 W，片光角度15°，波長532 nm，測量區片光厚度約為1 mm；高速相機（PCO.DIMAX.CS1）使用定焦鏡頭，分辨率為1296 pixel×1024 pixel，滿分辨率下最高采集頻率為3086 Hz，試驗采集頻率為2500 Hz。連續激光器和高速相機的主要參數列于表2。燃燒系統主要包括氣瓶、質量流量控制器、燃燒器等。燃燒器出口直徑為10 mm，能夠產生穩定的軸對稱火焰。

表2 連續激光器與高速相機主要技術參數Table 2 Main parameters of camera and laser

圖2 試驗系統Fig.2 Schematic of experimental system

為驗證連續激光PIV 測量系統對低速流場測量的可行性，設計了兩種地面試驗方案，即冷態射流試驗（簡稱冷態試驗）與預混燃燒射流試驗（簡稱熱態試驗）。冷態試驗由壓縮空氣氣瓶提供穩定氣源，空氣進入流化床式粒子發生器后再通入燃燒器。熱態試驗同時輸入甲烷和空氣，二者在文丘里射流器內混合后通入燃燒器，預混氣體當量比為1。冷態試驗與熱態試驗的出口速度保持一致，出口雷諾數為471.2，均為層流狀態。

冷態試驗與熱態試驗均選用0.2～0.5 μm 的Al2O3，TiO2和ZrO2三種示蹤粒子。Al2O3，TiO2，ZrO2為三種常用于顯示燃燒流場PIV 測量的固態耐高溫粒子，其物性參數見表3。由于粒子速度能否準確反映流場速度是PIV 測速的關鍵[15]，因此要求示蹤粒子具有良好的散射性與跟隨性。其中，散射性用相對折射指數描述，一般要求大于1；跟隨性用粒子的響應時間τ以及粒子與流場運動幅值比η描述，粒子響應時間越短，表明粒子跟隨性越好。

表3 示蹤粒子物理特性Table 3 Physics properties of the three tracer particles used

粒子響應時間為示蹤粒子從靜止狀態達到與流體運動速度一致所用的時間，表達式[16,17]為

式中，ρp為粒子密度，dp為粒子直徑，μ為空氣動力粘度。這里取μ=1.846×10-5Pa·s（溫度300 K）。

由于試驗無法測量粒子響應時間，考慮到粒子響應時間對試驗結果的影響，因此在試驗中加長了粒子發生器與燃燒器之間的管路長度，增加了粒子的加速時間，使其速度更能接近空氣速度，并與空氣充分混合。

粒子與流場運動速度幅值比的定義為

式中，up為粒子速度，uf為流體速度。η越接近于1，表示粒子的跟隨性越好，越能準確反映流場信息。粒子與流場運動速度幅值比的具體表達式為

式中，密度比σ=ρp/ρf，Ns表示斯托克斯數。

采用PIV View 軟件對粒子圖像進行后處理，基于快速傅里葉變換（FFT）和三點高斯擬合（3-Piont Gauss Fit）的互相關法計算粒子位移。后處理選擇燃燒流場的主要流動區域作為感興趣區域（ROI），設置視野大小為40 mm×40 mm，詢問域（IA）大小為48 pixel×48 pixel，步長為16 pixel×16 pixel，重疊率為67%，最后生成50×50 個矢量。此時，速度場的空間分辨率為0.80 mm×0.80 mm。

3 結果與分析

3.1 冷態試驗結果與分析

以激光面垂直于射流出口端面上方2 mm 并通過射流中心為O點（即坐標系原點），沿射流的中心線（豎直方向）為y軸，水平方向為x軸。

圖3 給出了三種示蹤粒子在相同試驗工況下的冷態射流。由圖3 可見，三種示蹤粒子的射流寬度基本不變，射流邊界清晰呈直線狀態；粒子之間未出現黏連和拖尾現象，粒子清晰獨立、分布均勻。圖4 給出的是1000 幅原始圖像經過后處理獲得的平均速度矢量云圖。可以看到，三種示蹤粒子的流場分布一致，層流特征明顯，連續性較好。射流邊界層流體速度與主流方向一致，未出現漩渦，這說明該工況下流體卷吸作用不明顯。

圖3 三種示蹤粒子在相同試驗工況下的冷態射流Fig.3 Three tracer particles under the same non-reacting condition

圖5（a）～（d）是三種示蹤粒子在y=5 mm，15 mm，25 mm，35 mm 四個射流斷面的速度分布，圖5（e）是Al2O3粒子在四個射流斷面上的歸一化速度值與高斯分布曲線。由圖5 可以看出，三種示蹤粒子在不同射流斷面的流速分布趨勢非常一致，符合射流斷面上的自保性特征（高斯分布），且流速最大值均在射流中心位置；射流邊界層速度值出現波動，這是由于流體進入靜止環境時，與周圍流體間存在速度不等的間斷面，間斷面受到干擾。

圖6 給出的是三種示蹤粒子沿射流中心軸線速度分布。由圖6 可見，在相同試驗工況下，三種示蹤粒子的中心軸線速度變化趨勢一致，即隨著射流出口距離增大，中心軸線速度呈微弱減小趨勢。根據等密度氣體射流理論，射流起始段中心軸線速度保持不變，而后中心軸線速度因射流間斷面的卷吸和摻混作用使斷面不斷擴大，流速降低[18]。由于冷態試驗屬于低速流動，射流的卷吸和摻混作用很小，所以射流斷面寬度變化較小，速度變化很小。另外，根據粒子物理特性，粒子相對于空氣的密度比越小，受重力減速作用越小，則該粒子越能維持速度初值。在冷態試驗中，Al2O3密度比最小，TiO2次之，ZrO2最大，因此Al2O3粒子的速度測量值比另外兩種示蹤粒子更接近理論出口速度值，速度幅值比更接近1。綜合粒子物理特性分析與冷態試驗結果，Al2O3粒子測量的速度值更接近理論值，更適合低速流場測量。

圖6 三種示蹤粒子沿射流中心軸上的速度分布Fig.6 Velocity distributions of the three tracer particles along the central axis of the jet

3.2 熱態試驗結果與分析

由于燃燒實驗溫度很高，火焰背景噪聲大，使得高速相機光學元件容易發生像素感光飽和現象，因此必須驗證連續激光PIV 對熱態試驗測量的可行性。

圖7 是經過灰度處理的三種示蹤粒子在預混火焰中的粒子信息場圖像。由圖7 可見，ZrO2粒子在火焰背景下，火焰出現了過曝光，導致此區域的粒子邊界無法清晰區分，不符合后處理要求；TiO2粒子受到燃燒局部高溫（可達1300℃）的影響，表面化學鍵可能在高溫下發生縮合-團聚而導致粒徑變大[19]，所以顯示的粒子濃度較低，后處理時出現較多錯誤矢量；相比之下，Al2O3粒子顯示的分布范圍最大且最均勻，散射性好，用于后處理的速度矢量連續性最好。

圖7 相同熱態試驗工況下的粒子信息場Fig.7 Particle information field under the same reacting condition

圖8 是采用Al2O3粒子測量得到的熱態流場平均速度矢量云圖與不同燃燒斷面的速度分布曲線。速度矢量云圖顯示，預混氣體經過火焰錐面后改變方向，由豎直向上變為向兩側流動，熱態流場的射流寬度約為冷態流場的2 倍。從燃燒斷面的速度分布曲線可以看到，在y=1 mm 處，速度分布呈拋物線型分布，這是由于火焰根部的流場受溫度梯度影響非常小，因此速度大小與冷態分布基本一致；在y=5 mm，15 mm 處，速度分布呈M 型，這是由于熱態流場受到預混氣體流動與溫度梯度的共同作用，最大速度出現在距離射流中心7 mm 位置處，而射流中心速度受動量減少的影響而減小；隨著高度增加，預混氣體流動受火焰錐面的影響逐漸減小直至消失，射流速度趨于平均，呈倒U 型分布。

圖8 Al2O3 粒子測量的熱態流場Fig.8 Velocity measured by Al2O3 particles

熱態流場的高速區域出現在燃燒反應中心區（高溫區），即y=25～35 mm 燃燒斷面中心。由連續性方程要求，有

式中，SL為 火焰傳播速度，ρu為未燃氣體密度，uu為未燃氣體速度，ρb為已燃氣體密度，ub為已燃氣體速度A為區域面積。

結合式（4）分析可知，在燃燒反應中心區，燃燒產物密度小于燃氣密度，所以充分燃燒區域的流體速度最大。對典型的常壓烴-氧火焰，燃燒前后的氣體密度比約為7，因而氣流在火焰前后有明顯的加速[20]，試驗中熱態流場速度能夠達到1.75 m·s-1。

4 結論

根據空間站燃燒科學實驗系統PIV 單元的技術要求，基于與在軌狀態一致的連續激光器與相機的空間布局，搭建了地面層流圓孔射流試驗平臺，選取Al2O3,TiO2,ZrO2三種示蹤粒子進行冷態與熱態試驗研究，驗證了燃燒科學實驗系統PIV 單元對燃燒流場測量的功能與可行性。研究結論如下。

（1）自主研制Nd∶YVO4泵浦連續激光器偏光角度合適，能夠照亮被測流場主流區域；當連續激光功率為10 W 時，可記錄清晰的粒子散射場信息，實現低速流場測速。

（2）Al2O3,TiO2,ZrO2三種示蹤粒子在冷態試驗中的流場分布趨勢一致，符合射流斷面上的自保性特征（高斯分布）；熱態試驗的流場分布符合理論分析，能夠驗證燃燒科學實驗系統PIV 單元用于低速燃燒流場測量可行；Al2O3粒子在冷態試驗的速度測量方面表現優于其他兩種示蹤粒子，且速度幅值比更接近于1，更適用于低速流場測量，此結論可為后續地面試驗、天地對比試驗提供粒子種類選擇依據。