基于輻射光譜的對(duì)沖擴(kuò)散火焰碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究

李 磊, 周夢(mèng)祥, 溫大新, 王 宇,2

(1. 武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院,湖北 武漢 430070; 2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070)

0 引 言

碳煙是碳?xì)淙剂喜煌耆紵a(chǎn)生的碳質(zhì)顆粒,是柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐等實(shí)際動(dòng)力裝置易產(chǎn)生的主要污染物之一,對(duì)環(huán)境、氣候及人體健康均有不良影響[1]。深入理解碳煙的形成機(jī)理是開發(fā)有效減少碳煙排放策略的重要前提。碳煙的形成過(guò)程非常復(fù)雜,包括燃料裂解、多環(huán)芳香烴(PAH)形成、碳煙成核、表面生長(zhǎng)、凝結(jié)、氧化等復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程[2]。即使經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究[3-5],人類對(duì)碳煙生成具體機(jī)制的理解也依然不足。因?yàn)閷?shí)際動(dòng)力裝置內(nèi)燃燒工況十分復(fù)雜,不利于通過(guò)控制單一變量來(lái)進(jìn)行機(jī)理研究,所以碳煙研究者通常以可控的實(shí)驗(yàn)室層流火焰作為研究對(duì)象。

為了更加深入地研究碳煙生成規(guī)律,為碳煙預(yù)測(cè)模型的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐,火焰中碳煙溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的測(cè)量十分關(guān)鍵。碳煙多光譜輻射(soot spectral emission,SSE) 分析法具有非接觸式測(cè)量及實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單的特點(diǎn),是同步測(cè)量碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)的重要手段。然而,已有的基于SSE方法的研究主要針對(duì)射流擴(kuò)散火焰[6-9],使用SSE方法研究對(duì)沖擴(kuò)散火焰中碳煙生成特性的報(bào)道并不多。而對(duì)沖火焰由于其準(zhǔn)一維性、便于單一變量控制以及是層流火焰面模型的具體物理實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn),在碳煙生成機(jī)理的研究方面日益受到關(guān)注[10]。相對(duì)射流火焰而言,對(duì)沖火焰空間尺度較小,軸線上的溫度梯度和碳煙體積分?jǐn)?shù)梯度較大,因此測(cè)量時(shí)需要更高的空間分辨率和位置精度。

此外,與射流火焰中碳煙主要存在于溫度較高的火焰面區(qū)域不同,對(duì)沖火焰中碳煙在成核后會(huì)隨著氣體的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)到滯止面附近,而滯止面離火焰面較遠(yuǎn)溫度較低,此處碳煙輻射信號(hào)相對(duì)較弱,可能導(dǎo)致SSE法測(cè)量對(duì)沖火焰碳煙輻射時(shí)存在信噪比低的問(wèn)題,因此SSE方法對(duì)對(duì)沖火焰的適用性亟待驗(yàn)證。

本文首次建立一套基于SSE方法的對(duì)沖火焰碳煙測(cè)量系統(tǒng),考慮到對(duì)沖火焰尺測(cè)量時(shí)高空間分辨率和高定位精度的需求,同時(shí)開發(fā)一套精準(zhǔn)測(cè)量定位系統(tǒng),為實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)校準(zhǔn),建立一套利用熱電偶進(jìn)行輻射強(qiáng)度原位標(biāo)定的系統(tǒng);該系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)單、操作方便,幾乎無(wú)附加成本;最后利用SSE方法研究對(duì)沖火焰中碳煙溫度分布和碳煙體積分?jǐn)?shù)分布,并與激光消光法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證本文方法在對(duì)沖火焰中的適用性。

1 實(shí)驗(yàn)原理

SSE方法的基本原理基于普朗克黑體輻射定律,即溫度為T的黑體在垂直其表面的傳輸方向上的輻射強(qiáng)度公式為:

(1)

其中:c1為常量,c1=1.191×10-16W/(m2·sr);c2為常量,c2=1.438 8×10-2m·K;λ為波長(zhǎng);T為溫度。

對(duì)于380～780 nm可見光波段內(nèi)的輻射而言,hc/(λT)?1,則(1) 式可以簡(jiǎn)化為:

(2)

對(duì)沖火焰中的高溫碳煙同樣會(huì)向外進(jìn)行熱輻射,而通過(guò)測(cè)量其熱輻射的光譜特征和輻射強(qiáng)度可以獲得輻射源(即碳煙)的溫度和濃度。

在測(cè)量過(guò)程中,探測(cè)器所獲得的信號(hào)為沿視線(徑向)方向上各點(diǎn)碳煙的輻射強(qiáng)度的積分值,如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量示意圖

各點(diǎn)碳煙輻射強(qiáng)度的積分值可以通過(guò)下式[5]計(jì)算得出:

(3)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為沿視線方向上的輻射強(qiáng)度積分值,視線方向局部輻射強(qiáng)度值則需要通過(guò)層析反演獲得。

已有研究表明,當(dāng)火焰光學(xué)厚度小于0.3時(shí),自吸收影響較小[7],忽略自吸收即可使得對(duì)沖火焰輻射具有軸對(duì)稱的特性,大大簡(jiǎn)化了層析反演的難度,則(3)式可以相應(yīng)簡(jiǎn)化為:

(4)

利用Abel逆變換(剝洋蔥法(OP)和Tikhonov正則化[11]),將輻射強(qiáng)度積分值Iλ層析反演得到局部輻射強(qiáng)度Gr,即kλ(x,y)Ib,λ(T(x,y)。

依據(jù)RDG-FA理論,吸收系數(shù)kλ與碳煙體積分?jǐn)?shù)φ具有如下關(guān)系:

(5)

其中,E(m)λ為碳煙吸收函數(shù),為便于與激光消光法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,本實(shí)驗(yàn)中E(m)λ取值均為0.26[12-13]。

聯(lián)合 (2) 式和(5) 式,并將方程兩邊取對(duì)數(shù),可得:

(6)

將(6)式進(jìn)行相應(yīng)變換,常數(shù)項(xiàng)分離后移到方程右邊,用c3表示,可以得到:

(7)

以波長(zhǎng)倒數(shù)為橫坐標(biāo),以(7)式左邊項(xiàng)為縱坐標(biāo)做出散點(diǎn)圖,利用最小二乘法擬合出一條線性回歸線,該直線的斜率即c2/T,由此便可求出碳煙溫度T。

在溫度已知的情況下可以計(jì)算出吸收系數(shù)kλ,利用(5)式可最終求出碳煙體積分?jǐn)?shù)φ。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

2.1 對(duì)沖火焰燃燒器及測(cè)量裝置

本文所采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,所用對(duì)沖火焰燃燒器與文獻(xiàn)[14]中相同,燃燒器整體放置在電動(dòng)位移平臺(tái)上。火焰中碳煙的輻射依次通過(guò)光闌、濾光片,由透鏡匯聚到光纖上,然后通過(guò)光纖傳輸?shù)焦庾V儀內(nèi)部,衍射光柵分光后由光譜CCD相機(jī)進(jìn)行不同波長(zhǎng)下輻射強(qiáng)度的檢測(cè)和信號(hào)讀取。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

在圖2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,通過(guò)調(diào)節(jié)光闌孔徑使得系統(tǒng)f值(透鏡焦距/光闌孔徑)為50,以保證系統(tǒng)具備足夠大的景深;截止波長(zhǎng)為400 nm的濾光片可以過(guò)濾掉400 nm以下的輻射信號(hào),消除高階衍射對(duì)550～750 nm波段輻射信號(hào)的影響;同時(shí),將整套裝置置于暗光環(huán)境中,以減少外界光源對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。

2.2 探測(cè)點(diǎn)的定位

雖然對(duì)沖火焰空間尺寸較小,但其沿軸線上的溫度和碳煙體積分?jǐn)?shù)梯度較大,因此實(shí)驗(yàn)測(cè)量需要足夠高的空間準(zhǔn)確性和空間分辨率。在該套系統(tǒng)中,探測(cè)原點(diǎn)的位置為燃燒器下噴嘴(燃料)中心。為了保證實(shí)驗(yàn)測(cè)量的空間分辨率,選定纖芯為100 μm的光纖,透鏡焦距和物距、像距的選擇保證1∶1成像,此時(shí)測(cè)量的空間分辨率約為100 μm。測(cè)量位置的變化通過(guò)電動(dòng)位移平臺(tái)移動(dòng)燃燒器實(shí)現(xiàn),而光學(xué)系統(tǒng)始終保持不變。

測(cè)量位置的確定經(jīng)過(guò)粗定位和精準(zhǔn)定位2步實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行粗定位時(shí),利用準(zhǔn)直激光,將透鏡中心、光纖探頭以及燃燒器下噴嘴的中心調(diào)節(jié)至同一水平直線上,此時(shí)能確保光纖探頭接收到的光信號(hào)處于燃燒器軸線上,并且此時(shí)測(cè)量原點(diǎn)與燃料噴嘴處的中心基本重合。但由于激光的光斑較大(0.6 mm),此時(shí)確定的原點(diǎn)位置仍不夠精準(zhǔn),還需要進(jìn)一步提高位置精度。本實(shí)驗(yàn)室常用的探針外徑很小(直徑為0.19 mm),其橫截面在受熱后形成較小的發(fā)光點(diǎn),較適用于精準(zhǔn)定位。

圖3 精準(zhǔn)定位原理示意圖

將探針固定在兩噴嘴之間,使得探針端點(diǎn)位于噴嘴中軸線上,且與噴嘴相平行,利用側(cè)面的相機(jī)測(cè)量并記錄探針與下噴嘴的距離。確定好位置后點(diǎn)燃火焰,使探針在無(wú)碳煙藍(lán)色火焰中受熱發(fā)光。通過(guò)上下調(diào)節(jié)電動(dòng)平移臺(tái),記錄下信號(hào)最強(qiáng)的點(diǎn),即發(fā)光點(diǎn)位置,然后根據(jù)相機(jī)記錄得到的探針和噴嘴的距離,利用兩者的差值微調(diào)原點(diǎn)位置,即可保證探測(cè)坐標(biāo)原點(diǎn)與燃料噴口的中心點(diǎn)精準(zhǔn)重合。

2.3 光譜測(cè)量系統(tǒng)的輻射響應(yīng)標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)裝置中光譜相機(jī)的量子效率與波長(zhǎng)相關(guān),且所使用的各種光學(xué)元件透射率也與波長(zhǎng)相關(guān)。因此光譜測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)標(biāo)定十分關(guān)鍵。一般情況下,將標(biāo)準(zhǔn)黑體爐的理論輻射曲線與所用光譜儀測(cè)量出的光譜曲線進(jìn)行對(duì)比,即可得到光譜系統(tǒng)的響應(yīng)曲線,但黑體爐價(jià)格較為昂貴,且體積較大,不方便用于原位標(biāo)定。

R型熱電偶受熱發(fā)出的輻射很穩(wěn)定,在已知其溫度和輻射率的情況下可以簡(jiǎn)單得出輻射強(qiáng)度值,因此成本較低的R型熱電偶也可以作為標(biāo)定源[15]。

當(dāng)利用熱電偶進(jìn)行輻射強(qiáng)度標(biāo)定時(shí),將圖3中的探針替換為熱電偶,并將其置入無(wú)碳煙藍(lán)色火焰中。通過(guò)調(diào)節(jié)火焰工況和熱電偶在火焰中的位置,測(cè)量1 350～1 530 K范圍內(nèi)多個(gè)溫度下的熱電偶輻射信號(hào)值Sλ。

當(dāng)溫度為1 517 K時(shí),熱電偶的輻射信號(hào)如圖4a所示,波長(zhǎng)小于550 nm的輻射信號(hào)相對(duì)過(guò)弱,而大于750 nm的輻射信號(hào)中噪音信號(hào)較大(由光譜相機(jī)CCD光學(xué)特性決定),因此為了保證標(biāo)定精度和實(shí)驗(yàn)精度,實(shí)驗(yàn)中采用550～750 nm波段的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算。

圖4 光譜儀輻射強(qiáng)度響應(yīng)標(biāo)定

通過(guò)基于波長(zhǎng)輻射函數(shù)的一點(diǎn)標(biāo)定法[16]校正標(biāo)定溫度(1 517 K)的輻射信號(hào)值后,利用公式即可得到光譜測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度響應(yīng)η(λ),其結(jié)果如圖4b所示。該輻射強(qiáng)度響應(yīng)η(λ)計(jì)算公式為:

(8)

其中:ε(λ)為R型熱電偶的輻射率[15];k為無(wú)量綱常數(shù),與熱電偶結(jié)點(diǎn)發(fā)光面積相關(guān),通過(guò)對(duì)比同一工況、同一位置消光法與SSE方法分別測(cè)得的輻射率kλ,可得k的取值為0.32。

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為了驗(yàn)證標(biāo)定的準(zhǔn)確性,對(duì)不同溫度下測(cè)量的熱電偶輻射信號(hào)利用輻射響應(yīng)函數(shù)得到其輻射強(qiáng)度Iλ后,使用SSE方法測(cè)量熱電偶的溫度,測(cè)量結(jié)果與熱電偶顯示溫度的偏差見表1所列。從表1可以看出,兩者的偏差在±0.37%以內(nèi),表明熱電偶的輻射很穩(wěn)定,利用其標(biāo)定光譜系統(tǒng)響應(yīng)的精度較高。

表1 熱電偶顯示溫度與計(jì)算溫度的對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)工況

在本文實(shí)驗(yàn)中,對(duì)沖火焰燃燒器燃料端和氧化劑端氣體出口流速均為20 cm/s,溫度為室溫298 K。對(duì)沖燃燒器的氧化劑端為氧氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w,其中氧氣的體積分?jǐn)?shù)記為φO2,燃料端為純乙烯,該工況下形成的火焰均為SF(soot formation)火焰[17],此類型的火焰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 對(duì)沖火焰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2 對(duì)沖火焰的徑向碳煙溫度及體積分?jǐn)?shù)

在之前的研究中,對(duì)沖火焰通常被視為準(zhǔn)一維火焰,即各種流場(chǎng)變量如軸向速度、溫度、組分濃度和碳煙體積分?jǐn)?shù)只沿軸向變化,而在徑向保持不變。碳煙體積分?jǐn)?shù)在對(duì)沖火焰中的準(zhǔn)一維性已經(jīng)在本實(shí)驗(yàn)室基于消光法的研究中得到了驗(yàn)證[14]。本文擬通過(guò)SSE方法核實(shí)該結(jié)論,并且進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)沖火焰中溫度的準(zhǔn)一維性。為此首先對(duì)對(duì)沖火焰徑向的碳煙溫度和碳煙體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量。

將視線上的輻射強(qiáng)度積分值反演后可以得到徑向局部輻射強(qiáng)度,再利用(7)式擬合得到不同位置的碳煙溫度,φO2=0.35工況下某一點(diǎn)的溫度擬合如圖6a所示。根據(jù)φO2=0.35工況下乙烯對(duì)沖火焰中不同軸向高度下的測(cè)量結(jié)果,如圖6b所示,碳煙溫度沿徑向變化幅度較小,僅在遠(yuǎn)離火焰中心處溫度略有下降。因此,可以認(rèn)為在靠近火焰中軸線處對(duì)沖火焰中的碳煙溫度是具有準(zhǔn)一維性的。

圖6 溫度擬合曲線及碳煙溫度與體積分?jǐn)?shù)徑向分布

此外,當(dāng)半徑在3 mm以內(nèi)時(shí),碳煙的體積分?jǐn)?shù)在徑向上也基本不變,這與文獻(xiàn)[14]中基于消光法得到的對(duì)沖火焰具有準(zhǔn)一維性的結(jié)論是一致的。

根據(jù)第1節(jié)所述,在SSE方法中,局部輻射強(qiáng)度值需要將視線輻射強(qiáng)度積分值進(jìn)行層析反演得到,而獲取火焰中每個(gè)高度平面上的碳煙輻射數(shù)據(jù)十分耗時(shí)。當(dāng)僅需火焰軸線上的局部輻射值時(shí),考慮到對(duì)沖火焰的準(zhǔn)一維性質(zhì),可以將視線通過(guò)火焰軸線時(shí)測(cè)量的輻射強(qiáng)度積分值不進(jìn)行反演,直接除以火焰光程L[14],以得到軸線上的局部輻射強(qiáng)度值,再利用該值求解得到碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)。

基于層析反演和準(zhǔn)一維假設(shè)分別得到的軸線處碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)結(jié)果如圖7所示。

圖7 層析反演與準(zhǔn)一維假設(shè)軸向碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)(φO2=0.35)

從圖7可以看出,2種方法得到的碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)差距不大,吻合度較高[18]。因此,可以基于準(zhǔn)一維假設(shè),僅測(cè)量軸線位置處的輻射強(qiáng)度求得碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù),此方法在保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為可靠的情況下大幅度提高了實(shí)驗(yàn)效率。

3.3 對(duì)沖火焰的軸向碳煙溫度及體積分?jǐn)?shù)

在驗(yàn)證了對(duì)沖火焰具有準(zhǔn)一維性的基礎(chǔ)上,對(duì)不同工況下的對(duì)沖火焰軸向碳煙溫度分布和體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量,并與其他獨(dú)立方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較,以驗(yàn)證SSE方法測(cè)得的碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)的可行性。

3.3.1 軸向碳煙溫度分布

溫度是影響碳煙生成的重要因素。在對(duì)沖火焰中,碳煙的生成演化與火焰軸向的溫度分布密切相關(guān)。因此測(cè)量對(duì)沖火焰中溫度軸向分布尤為重要。

將測(cè)得的視線上輻射強(qiáng)度積分值反演,可以得到軸線上局部輻射強(qiáng)度分布,然后利用 (7) 式擬合得到軸線上的溫度分布。2種工況下(φO2=0.30、φO2=0.35)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)如圖8所示,其中實(shí)線為利用Chemkin程序包并采用乙烯詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理(KM2機(jī)理[18])模擬所得的火焰氣體溫度。

圖8 不同工況下的碳煙溫度軸向分布

從圖8可以看出,不同工況下SSE方法測(cè)得的溫度均與KM2模擬溫度的差值很小。這表明本文基于SSE方法測(cè)量的對(duì)沖火焰碳煙溫度是可靠的,且從側(cè)面證明了使用熱電偶作為光譜系統(tǒng)原位標(biāo)定源的方法是可行的。另一方面,需要注意到SSE方法只能測(cè)得對(duì)沖火焰軸向上其中一部分區(qū)域的碳煙溫度。例如,當(dāng)工況為φO2=0.35時(shí),基于SSE方法只能得到距離下噴嘴的距離在2.4～3.5 mm之間的碳煙溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)離下噴嘴距離小于2.4 mm時(shí),溫度較低,碳煙輻射信號(hào)很弱,而此時(shí)噪音信號(hào)與其只相差1個(gè)量級(jí),故使得該處的溫度嚴(yán)重失真;當(dāng)離下噴嘴的距離大于3.5 mm時(shí),溫度也無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量,這是由于此處碳煙剛開始形成,碳煙體積分?jǐn)?shù)很小,碳煙輻射信號(hào)很弱,溫度測(cè)量失真。當(dāng)工況為φO2=0.30時(shí),測(cè)量結(jié)果顯示出類似情況,這說(shuō)明SSE方法測(cè)量碳煙溫度有一定的限制,這種限制與碳煙溫度和碳煙體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。

碳煙溫度或體積分?jǐn)?shù)減小,均會(huì)使得輻射信號(hào)大幅減弱,當(dāng)輻射信號(hào)過(guò)弱,信噪比低于20 dB時(shí),很難去掉疊加在其中的噪音信號(hào),導(dǎo)致溫度測(cè)量失真。

3.3.2 軸向碳煙體積分?jǐn)?shù)分布

對(duì)沖火焰中碳煙體積分?jǐn)?shù)的軸向分布是研究碳煙生成演化的重要參數(shù)。在求得溫度T后,便可以得到吸收系數(shù)kλ,進(jìn)一步利用 (5) 式可以求出碳煙體積分?jǐn)?shù)φ。本文將同一工況下SSE方法與消光法測(cè)得的軸線上的碳煙體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較,結(jié)果如圖9所示。

圖9 碳煙體積分?jǐn)?shù)的軸向分布(φO2=0.35)

從圖9可以看出,SSE方法與消光法測(cè)得的軸線碳煙體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)是一致的,但有一定的偏差。當(dāng)離下噴嘴的距離在2.4～3.0 mm區(qū)域內(nèi),偏差基本在20%范圍內(nèi),由文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)果可知,此偏差在合理范圍內(nèi)的,在進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),該偏差主要來(lái)源于碳煙吸收函數(shù)E(m)的不確定性。E(m)的取值取決于碳煙顆粒的大小、成熟度以及形成碳煙的物理化學(xué)環(huán)境[20],在火焰不同位置,E(m)的取值會(huì)發(fā)生變化。然而E(m)變化的規(guī)律至今仍然沒(méi)有定論。但從總體來(lái)看,采用E(m)=0.26得到的溫度與Chemkin模擬溫度吻合度較高,而碳煙體積分?jǐn)?shù)與消光法有一定的偏差,這說(shuō)明溫度對(duì)于E(m)變化的敏感性小于碳煙體積分?jǐn)?shù)的。

最后,本文分別測(cè)量了不同工況下(φO2=0.30、φO2=0.35、φO2=0.40)的碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù),并進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同工況下的碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)軸向分布

由圖10可知,隨著φO2的增加,碳煙溫度隨之增加,碳煙體積分?jǐn)?shù)也隨之增加,且碳煙體積分?jǐn)?shù)最大值增加的幅度在不斷擴(kuò)大。這一結(jié)果與LE法測(cè)得的趨勢(shì)相同[14],因此SSE方法也能較好地捕捉工況變化時(shí)碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)。

綜上所述,基于SSE方法測(cè)量對(duì)沖火焰中的碳煙溫度具有較高可行性。但SSE方法測(cè)量碳煙體積分?jǐn)?shù)對(duì)E(m)的敏感度較高,若能進(jìn)一步提高E(m)的準(zhǔn)確性,SSE方法測(cè)量的碳煙體積分?jǐn)?shù)準(zhǔn)確性也能進(jìn)一步提高。總體而言,SSE方法能準(zhǔn)確地捕捉到碳煙體積分?jǐn)?shù)的相對(duì)變化,因此,采用SSE方法測(cè)量碳煙體積分?jǐn)?shù)也是可行的。

4 結(jié) 論

本文基于SSE方法對(duì)對(duì)沖火焰中碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,開發(fā)了一種適用于對(duì)沖火焰測(cè)量的精準(zhǔn)定位方法,提高了系統(tǒng)測(cè)量位置精度,同時(shí)建立了一套利用熱電偶進(jìn)行光譜響應(yīng)原位標(biāo)定的系統(tǒng),使利用SSE方法測(cè)量對(duì)沖火焰成為了可能;基于SSE方法對(duì)對(duì)沖火焰的碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)的徑向分布進(jìn)行測(cè)量,驗(yàn)證了對(duì)沖火焰準(zhǔn)一維的性質(zhì);同時(shí),研究了反演與否對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,結(jié)果表明,兩者得到的碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)差距均較小,驗(yàn)證了非反演方案的可行性,也為提高實(shí)驗(yàn)效率提供了一種可行的實(shí)驗(yàn)方案。

本文測(cè)量了對(duì)沖火焰碳煙溫度的軸向分布,并與Chemkin模擬溫度進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:SSE方法能較為可靠地測(cè)得碳煙溫度,但對(duì)于輻射強(qiáng)度較弱的位置(信噪比小于20 dB)難以準(zhǔn)確測(cè)量。與此同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了用熱電偶作為標(biāo)定源的可行性,為降低SSE測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定成本提供了一種可行的方案。

最后,本文測(cè)量了對(duì)沖火焰碳煙體積分?jǐn)?shù)的軸向分布,并與消光法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:SSE方法能夠很好地捕捉碳煙體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì),但是碳煙體積分?jǐn)?shù)與消光法測(cè)得的結(jié)果有一定的偏差,經(jīng)過(guò)分析可知,該偏差主要來(lái)源于碳煙吸收函數(shù)E(m)的不確定性。

在未來(lái)的研究中,若能很好地考慮不同位置碳煙吸收函數(shù)E(m)的變化,SSE方法測(cè)量碳煙溫度和體積分?jǐn)?shù)的精度將進(jìn)一步得到提高。