基于LIBS研究丙烷层流预...火焰温度和当量比的空间分布_刘新.pdf

文章编号：1000-8055（2023）04-0870-08doi：10.13224/ki.jasp.20210506基于 LIBS 研究丙烷层流预混火焰温度和当量比的空间分布刘新，王朝君，胡二江，殷阁媛，黄佐华（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安710049）摘要：激光诱导击穿光谱（LIBS）是监测燃烧过程关键参数的重要手段之一。为此搭建了 LIBS 三维可移动实验测量平台，结合等离子体能量和光谱研究了丙烷层流预混火焰的空间结构，得到了不同当量比和不同高度的温度趋势和当量比空间分布。结果表明：本生灯火焰预混燃烧区厚度随高度增加而增加；H、N、O 的谱线强度和等离子体能量变化趋势一致，说明粒子体积分数是影响等离子体能量的主因。通过标定H656 和 N746 的谱线强度比值与当量比的关系得到了局部当量比的空间分布。关键词：丙烷；本生灯；预混火焰；激光诱导击穿光谱；温度；当量比中图分类号：V233.3；TK401文献标志码：ASpatialdistributionofpropanelaminarpre-mixedflametemperatureandequivalenceratiobasedonLIBSLIUXin，WANGChaojun，HUErjiang，YINGeyuan，HUANGZuohua（StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering，XianJiaotongUniversity，Xian710049，China）Abstract:Laserinducedbreakdownspectroscopy（LIBS）isoneoftheimportantmeanstomonitorthekeyparametersofcombustionprocess.Athree-dimensionalmovableexperimentalmeasurementplatformofLIBSwasbuilt,thenthespatialstructureofpropanelaminarpremixedflamewasstudiedbycombiningplasmaenergyandspectroscopy,andthetemperaturetrendsandequivalenceratiospatialdistributionswith different equivalence ratios and heights were obtained.The results showed that the thickness ofpremixedcombustionzoneofBunsenflameincreasedwiththeincreaseofheight,andthespectrallineintensityofH,NandOwasconsistentwiththechangetrendofplasmaenergy,indicatingthattheparticlevolumefractionisthemainfactoraffectingplasmaenergy.ThenthespatialdistributionoflocalequivalentratiowasobtainedbycalibratingtherelationshipbetweenH656/N746andequivalenceratio.Keywords:propane；Bunsenburner；premixedflame；laserinducedbreakdownspectroscopy；temperature；equivalenceratio燃烧在航空发动机、燃气轮机和内燃机等燃烧室中是一个重要过程1-2。为了正确评价这些燃烧室的性能，必须在线测量表征燃烧状态的一些关键参数，如温度、组分、速度、压力等。对燃烧场进行诊断的方法有许多，传统的诊断手段如热电偶、热线等成本低、操作简单；但是侵入式测收稿日期：2021-09-11基金项目：国家自然科学基金（52176131）作者简介：刘新（1997），男，硕士生，主要从事燃烧诊断研究。通信作者：胡二江（1983），男，教授、博士生导师，博士，主要从事航空发动机点火和燃烧调控研究。E-mail：引用格式：刘新,王朝君,胡二江,等.基于 LIBS 研究丙烷层流预混火焰温度和当量比的空间分布J.航空动力学报,2023,38（4）：870-877.LIUXin,WANGChaojun,HUErjiang,etal.Spatialdistributionofpropanelaminarpre-mixedflametemperatureandequivalenceratiobasedonLIBSJ.JournalofAerospacePower,2023,38（4）：870-877.第38卷第4期航空动力学报Vol.38No.42023年4月JournalofAerospacePowerApr.2023量对原物理场影响巨大，且原有的流场等也会对测量精度造成影响。近年来，由于激光器的飞速发展，越来越多的光学诊断手段应用于燃烧场的测量，如平面激光诱导荧光（planarlaserinducedfluorescence,PLIF）3-4、拉曼散射5、可调谐二极管激光吸收光谱（tunablediodelaserspectroscopy,TDLAS）6-7、激 光 诱 导 击 穿 光 谱（laserinducedbreakdownspectroscopy,LIBS）8-10等。这些激光诊断手段具有非侵入性、高精度、高时空分辨率等诸多优势。但 PLIF 测量方法受淬熄问题的影响且对激光波长有很高的要求；拉曼散射测量的信号较弱，易受噪声干扰，测量精度难以保证；TDLAS 可以测量温度和组分，但是要求激光路径上的物理场是均匀的。相比较而言，LIBS 通过等离子体的发射谱线的特征来确定特征元素以及多少，可以实现在线多组分、原位测量且实验装置简单、操作方便。LIBS 通过激光脉冲使试样产生等离子体，其中粒子在能级的跃迁时发射出与试样元素一一对应的谱线，借此以测量局部当量比是最常见最典型的应用。Phuoc 等11和 Stavropoulos 等12先后都发现了 H656 和 O777 的谱线峰值强度比值与局部当量比呈线性相关，证明了 LIBS 可应用于燃烧过程测量的可行性与可靠性。Lee 等13通过层流和湍流两种火焰燃烧器研究了 CH4和C2H4的燃烧特性。结果发现 C 与 N 的峰值强度与当量比呈线性关系，且根据氮元素 N500.5nm峰 值 强 度 与 局 部 密 度 正 相 关 的 特 征 得 到了N500.5nm 与温度的关系式。对于 LIBS 测温，Kiefer 等认为 Lee 等没有考虑辐照度或脉冲能量的细节和与影响击穿阈值和信号的化学成分相关的问题。因此，Kiefer 等14提出了一种基于 LIBS测温的新方法，即利用击穿阈值和温度的关系。基于这种方法的实验结果和相干反斯托克斯拉曼散射光谱（CARS）的测量结果吻合很好。击穿阈值的测量是一个繁琐且测量精度难以保证的过程。Tian 等15研究了等离子体与击穿阈值的关系，实验结果发现两者之间存在线性负相关的关系；并借此研究了甲烷层流火焰的空间分布特性。总地来说，基于 LIBS 研究局部当量比的研究很多，但 LIBS 测温方面的研究较少。本文搭建了空间高分辨式 LIBS 测量实验台架，通过分析击穿阈值、等离子体能量、光谱以及局部当量比，研究了丙烷层流预混火焰的空间结构以及温度场和当量比分布。对于 LIBS 技术应用到各种燃烧场合进行诊断有着十分重要的意义。1实验装置本实验采用的实验装置系统如图 1 所示。系统由本生灯燃烧系统和 LIBS 测量系统，其中LIBS 测量系统包括激光器、透镜、光谱仪、ICCD（intensifiedchargecoupleddevice）、能量探头等装置。本文采用的激光器为 Nd:YAG 灯泵浦纳秒激光器（GraceNASOR800），其可以选用 3 个波长355、532、1064nm，本文使用的为 532nm。激光脉冲能量可由外部光路的能量衰减器进行调节。激光脉冲光束在激光器中产生，经过能量衰减器、分光镜、反射镜、扩束镜后，最终被聚焦镜聚焦到本生灯火焰中，由此激发产生等离子体。其中，扩束镜的作用是调节光束的直径，以利于增加空间分辨率和脉冲能量的测量。两个能量计探头（Coherent，型号：J-50-MB-YAG 和 J-25-MB-LE）分别置于分光镜和本生灯处以测得激光脉冲的入射能量和残余能量，从而根据入射能量和残余能量的差值来计算等离子体能量。激光诱导出的等离子体发出的光通过聚焦透镜聚焦到光谱仪（型号：Shamrock750）的狭缝处，通过光谱仪和 ICCD（型号：iStarDH-334T,AndorTechnology）记录光谱信号。C3H8O2N2J-50MB能量探头J-25MB能量探头能量计表头计算机反射镜七星七星七星聚焦镜ICCD聚焦镜扩束镜分光镜能量衰减器激光器Nd:YAG光谱仪系统能量计 表头图1实验装置图Fig.1Experimentalsystem本生灯燃烧系统主要包括气瓶、质量流量计、本生灯等。通过气体质量流量计（型号：七星华创 CS200）分 别 控 制 燃 料 气 C3H8（体 积 分 数 为99.99%）和空气（N2和 O2的体积比为 3.7621），充分混合后通入本生灯燃烧。本生灯灯管内径为10mm，能够产生稳定的轴对称本生灯火焰。本生灯放置在三维可移动平台上，通过调节移动平台可以使得激光聚焦到本生灯火焰的不同位置从第4期刘新等：基于 LIBS 研究丙烷层流预混火焰温度和当量比的空间分布871而实现空间分辨测量。其中三维可移动平台的纵向调节精度为 0.1mm，横向调节精度为 0.01mm。图 2（a）为丙烷层流预混火焰，从左到右初始预混气的当量比分别是 0.9、1.0、1.45。从图中可以看出恰当量比时火焰最短，富当量比火焰最长；火焰都具有本生灯火焰的三层特征结构，最里面的锥形为初始预混区，这是由于黏性效应导致的；锥形面那层明亮的薄层为预混燃烧区，也称为本生锥面；本生锥面以外的火焰为第二燃烧区，这部分已经有环境空气扩散进入参与反应。图 2（b）为图 2（a）中的本生灯火焰三个部分对应的等离子体能量分布图，相关内容在文中第 3.1 节有详细的分析。(b)火焰结构(a)火焰比较=0.9=1.0=1.453540302520Plasma energy/mJ1510502468101214Radial position/mmInitial premix zonePremixed combustion zoneSecond combustion zone图2丙烷本生灯火焰Fig.2Bunsenburnerflameofpropane本文研究的为丙烷层流预混火焰，即丙烷和空气在进入本生灯前已经充分混合。表 1 为本次实验工况，混合气的流量为 4L/min，测量丙烷层流火焰中心剖面在不同高度（H=4.0，6.5，9.0mm）上不同当量比（=0.9，1.0，1.45）下的温度和局部当量比分布。本文取本生灯口上方 1mm 为高度上的零基点，这是因为如果激光聚焦点距离灯口较近易把本生灯火焰打灭，不利于实验进行。2实验原理2.1当量比标定元素谱线强度比是和当量比成线性关系的，通过标定可以对火焰局部当量比进行测量。丙烷特征谱线一般选择 H656nm、O777nm、N742.4nm、N744.2nm、N746.8nm。图 3 为本生灯火焰在高度（H）为 6.5mm 处 H656 与 N742、N744、N746和 O778 的谱线强度比值（）随当量比（=0.91.5）的变化情况，并进行了线性拟合。由图可知，四组谱线强度比值与当量比均有比较好的线性关系，其中H656/N742和H656/