部分预混火焰撞壁的温度及甲醛分布测量

杨 智，刘海峰，耿 超，丰 雷，尧命发



部分预混火焰撞壁的温度及甲醛分布测量

杨 智，刘海峰，耿 超，丰 雷，尧命发

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

结合麦肯纳燃烧器，设计了液体燃料部分预混火焰近壁面燃烧的光学诊断系统，利用双色法和激光诱导荧光法，研究了壁面高度及壁面温度对于近壁面区域火焰温度场和甲醛分布的影响．结果表明，随着壁面高度增加或者壁面温度升高，火焰温度升高，高温区域面积增大并从火焰外侧向中心轴附近转移．甲醛LIF图像上的信号与温度分布中的低温区域基本吻合，随着壁面高度的增加，甲醛峰值下降，而火焰整体的甲醛分布范围变广．当壁面温度升高时，甲醛信号变弱，整体的分布范围也变小．

部分预混火焰；双色法；温度场；激光诱导荧光法；甲醛

对于空间受限的燃烧环境，比如常见的内燃机燃烧室，火焰撞壁现象经常发生，这使得近壁面区域成为产生未燃碳氢(UHC)、一氧化碳(CO)的重要来 源[1]．火焰特性的改变会引起壁面热通量的变化，进而会影响到壁面传热以及发动机的热效率[2]．因此，火焰与壁面的相互作用对于封闭式燃烧系统的燃烧性能及污染物形成有很大影响，研究近壁面火焰对于发展碳氢形成模型、预测燃烧过程以及内燃机燃烧系统的设计具有重要意义．

目前关于火焰撞壁的研究按照火焰与壁面的位置关系主要分为两类[3]：火焰传播方向垂直于壁面(head-on quenching，HOQ)，火焰传播方向平行于壁面(side-wall quenching，SWQ)．在近壁面区域，温度信息对于解释壁面传热、火焰传播方式以及燃烧产物分布等至关重要，Popp等[4]利用数值模拟验证了HOQ火焰撞壁的壁面传热与壁面温度呈现一定的函数关系．Saffman[5]运用拉曼光谱法测定了预混火焰SWQ撞壁的气相温度及燃油分布，研究了壁面材料、燃空当量比为及燃料本身的影响．Mokhov等[6]用钠谱线翻转法研究了稀当量比条件下丙烷SWQ撞壁火焰不同高度的温度分布．Mann等[7]运用相干反斯托克斯拉曼散射光谱技术和磷光测温技术，测定了HOQ形式火焰的近壁面区域的温度并分析了瞬态和稳态火焰撞壁时的热通量．

Medwell等[8]指出甲醛在低温反应中起到主导作用，与烃类燃料火焰放热率密切相关．为了深入分析火焰撞壁对内燃机排放和热效率的影响，Fuyuto等[9]利用激光诱导荧光法测量了SWQ形式的甲烷预混火焰中甲醛、OH及CO等中间产物的分布．Skeen 等[10]运用纹影法和甲醛PLIF研究了高压喷雾火焰中低温和高温过程，并在一个双阶段拉格朗日模型中计算了燃料、甲醛及醛基随着温度的变化过程．

目前关于火焰撞壁的研究大多聚焦在温度场的分布，利用光学诊断技术测量近壁面区域物种分布的研究还相对较少，尤其是对于在一套实验系统下，很少有研究同时完成火焰的温度场和中间产物分布的测量．目前国内外针对火焰撞壁的研究大多针对气体燃料[11-13]，液体燃料的HOQ撞壁火焰研究相对较少，尤其是近壁面火焰的温度场和甲醛分布测量．

本文基于麦肯纳燃烧器，结合一套液体燃料蒸发系统，利用双色法和激光诱导荧光法对近壁面区域部分预混火焰的温度和甲醛分布进行了测量，并在当量比一定的条件下研究了壁面高度及壁面温度对于火焰温度和甲醛分布的影响．这不仅为发动机上的实验研究提供了理论基础，也为火焰撞壁的化学反应动力学研究及燃烧模型的验证提供了数据支持．

1 实验装置和方法

1.1 部分预混火焰撞壁实验装置

图1为部分预混火焰撞壁实验装置，主要包括注射泵、雾化蒸发系统、燃烧器、温控表以及协流供给系统等．燃料存储于注射器中，由注射泵的滑块推动进入雾化蒸发系统．该系统将液体燃料与空气按照所设定的流量精确混合，经过高温螺旋加热后完全蒸发．蒸发器温度设置为423K，在蒸发器出口与燃烧器之间的管路缠绕了加热带，以保证预混气中的燃油蒸气在进入燃烧器之前不会发生冷凝，从而形成稳定的预混火焰．

图1 部分预混火焰撞壁实验装置

实验采用的麦肯纳燃烧器放置于光学平台上，在燃料出口上方固定了一块不锈钢圆形壁面，从而可以形成HOQ形式的撞壁火焰．壁面高度可通过手动升降台调整，同时，壁面包含有水冷腔体，通过温度可控的冷却水循环机对壁面温度进行调节．水温调至最低可对壁面进行冷却，停止水循环冷却腔内的水会发生沸腾，从而壁面温度会达到一个稳定值．距离壁面底侧1mm处安装有K型热电偶，其温度测试点位于壁面中心区域，温度测试误差为±1℃．

部分预混火焰的液体燃料选取T20，其燃料特性如表1所示[14]．之前的研究表明[15]，T20作为柴油燃料替代物，其燃烧和排放特性与柴油最为接近，是研究柴油燃料碳烟生成氧化特性的理想参考燃料．

表1 正庚烷、甲苯及T20的特性参数

Tab.1 Characteristic parameters of n-heptane，toluene and T20

为了保证火焰的稳定性，燃烧器燃料蒸气出口加装了一个同轴协流气体装置，本文协流空气流量为30L/min．为保证火焰为层流火焰，同时保证火焰温度方便测量，燃料流量设定为8.6g/h，空气流量设定为0.34L/min，对应的预混燃空当量比为5．表2为T20部分预混火焰撞壁的实验条件．

1.2 双色法测温以及甲醛的激光诊断实验装置

燃料T20在当量比为5的条件下火焰的碳烟浓度较高，瑞利散射等测量手段无法获得准确的温度信息．由于碳烟颗粒的温度可代表周围环境的温度[16]，故把双色法作为本文测量近壁面区域火焰温度的测量方法．根据火焰发射出的辐射光在某两个波长上的强度，利用由辐射学建立的两个强度与温度的方程，消去一个代表辐射率的未知因子，计算出所要的温度，再代回原方程中的一个，算出与碳烟有关的KL因子[17]．本研究中的ICCD相机(DH720i，Andor，Northern Ireland)在紫外增强镜头(Nikon，＝105mm)前连接了一台双像器(LaVision，VZ14-0591，Germany)，并配置两个中心波长为450nm和650nm、带宽为10nm的带通滤镜，从而实现单台相机单次拍摄同时获得两个不同波长下的火焰自发光信号．相机拍摄门宽为600μs，增益为250．采用已知单色辐射强度的标定光源(Ocean Optics HL-2000-CAL)来标定ICCD采集图像的光强与碳烟颗粒单色辐射强度的关系，火焰温度由公式(1)计算而得[18]，详细分析参考文献[19]．

表2 部分预混火焰撞壁实验条件

Tab.2 Experimental conditions of the partially premixed flame-wall interaction

参 数数 值 壁面距离燃烧器出口高度/mm10，15，20，25，30，35 壁面温度/℃30，60，120 燃料流量/(g·h-1)8.6 协流空气流量/(L·min-1)30

预混火焰中甲醛的分布采用激光诱导荧光法来定性测量，火焰撞壁的甲醛激光诊断实验装置如图2所示，Nd：YAG激光器(Spectra Physics，Pro-250，USA)产生频率为10Hz、每脉冲能量为36mJ、波长为355nm的激光，经过激光反射镜组改变方向，然后经过柱面镜组整形成高10～40mm、厚0.8mm的片状光源穿过火焰区域，片状光源的高度通过一个狭缝来调整．实验中采用ICCD探测器结合成像光谱仪(250is，Bruker，USA)采集火焰中甲醛的荧光光谱，根据光谱范围选择合适的带通滤镜，利用ICCD相机采集T20火焰中的甲醛荧光图像．拍摄门宽为50ns，增益为250．

图2 火焰撞壁的甲醛激光诊断实验装置

为了尽量减少壁面附着碳烟对拍摄信号的干扰，实验每个工况采集3组照片，每组50张，对光信号取平均值以减小实验误差．

2 结果与分析

2.1 双色法火焰温度及碳烟测量结果

图3为通过双色法测得的当量比为5时T20燃料预混火焰在不同壁面高度及无壁面条件下的温度分布结果．本实验的壁面温度通过冷却水循环机控制，为30℃．在壁面和协流空气的作用下，预混火焰处于稳定状态且关于燃烧器出口的中心轴对称，图中显示为火焰左侧部分．从火焰形态上可以看出，壁面的干扰使得原来细长的火焰前锋被压扁，呈现为梯形状．同时在壁面作用下，火焰的温度分布也表现出相似的规律，高温区域主要分布在火焰外侧，近壁面区域的温度则明显降低．这是由于当量比在5的情况下接近扩散燃烧，在火焰外侧，燃料与空气得到充分混合，剧烈的燃烧使得温度升高，而在近壁面区域，燃料与空气混合受到干扰，同时较低的壁面温度也使得化学反应速率降低，燃烧放热减少．

随着壁面高度的降低，火焰的高温区域范围减少，并且逐步向更外侧转移．图4根据双色法温度图像中每个像素点的温度计算获取了不同壁面高度下火焰温度最大值以及平均值．无壁面条件下火焰最高温度和平均温度分别为1903K和1732K．由于双色法测量温度是基于碳烟颗粒的热辐射，所以没有碳烟生成的低温区域无法测量，因此计算所得的平均温度相对较高．但从图中的温度曲线表现出来的趋势可以看出，随着壁面高度的不断降低，火焰温度也随之降低．尤其壁面高度降至10mm时，火焰平均温度相对于无壁面时低了约500K．当壁面离燃烧器出口越接近，壁面对于火焰温度的影响也越显著，燃料与空气得不到充分混合，加上较低的壁面温度，使得燃烧化学反应减缓，从而温度远远低于自由火焰．

图3 不同壁面高度下的火焰温度分布

为了探究壁面温度对于火焰温度分布的影响，将壁面高度固定在15mm，利用双色法分别测定了壁面温度为30℃、60℃和120℃时T20燃料在当量比为5的条件下火焰温度分布情况，结果如图5所示．3个工况下火焰的最高温度分别为1731K，1766K和1789K．从图像上可以看出，壁面温度升高时，火焰的高温区域明显增加，并且分布在火焰外侧以及中心轴附近．这种分布在壁面高度低的情况下较为明显，可能是由于燃烧器出口的燃料蒸气与载气空气混合燃烧，使得出口上方温度较高．图6选取了距离燃烧器出口10mm的典型高度，分析了不同火焰半径处的温度．定义燃烧器出口的中心轴处火焰半径为0，可以看出随着火焰半径的增大，温度曲线呈现出先降低后升高然后迅速降低的趋势．在火焰半径较大的地方，也就是靠近火焰外侧，燃料与空气混合较好，所以燃烧温度较高，而火焰半径继续增大时，混合气变得稀薄，燃烧放热率下降，温度也迅速降低．同时随着壁面温度的升高，火焰温度也明显增加，壁面温度120℃的火焰温度较壁面温度30℃时高出了约80K．

图5 不同壁面温度下的火焰温度分布

图6 燃烧器出口上方10mm处不同火焰半径的温度

图7、图8给出了不同壁面高度及不同壁面温度下的表征碳烟浓度的KL因子计算结果，从中可以推断碳烟的分布趋势．随着壁面高度不断降低，燃料所能接触的氧浓度不断减小，因而导致火焰温度的降低以及碳烟的明显减少．尤其是壁面高度为10mm时，火焰没有充足的空间发展，还未来得及生成碳烟就被壁面冷却淬熄，因此温度最低，碳烟最少．碳烟生成对火焰温度非常敏感[20]，火焰温度在1650～1750K 范围内更有利于碳烟生成，所以随着壁面温度的升高，火焰的高温区域变宽，碳烟也明显增加．

图7 不同壁面高度下的KL因子的计算结果

图8 不同壁面温度下的KL因子的计算结果

2.2 部分预混火焰甲醛激光测量结果

图9所示为当量比为5的正庚烷火焰甲醛的激光诱导荧光光谱，其中甲醛的荧光光谱范围主要在375～530nm，这与Brackmann等[21]、唐青龙等[22]的测量结果相符．实验过程选用400～480nm的带通滤镜消除激光散射及碳烟炽光的影响，采集范围如图9中虚线框所示．实验中每次拍摄均累加60次并取平均，同时减去激光照射下无火焰的背景信号强度．由于燃烧状态下被测物质的荧光标定较难实现，本文火焰中甲醛的LIF测量主要以定性测量为主．

图9 正庚烷火焰中的甲醛荧光光谱

图10所示为当量比为5的T20部分预混火焰的温度分布和甲醛分布的对比．从ICCD相机所拍摄得到的甲醛荧光图像上可以看出，甲醛主要分布在温度较低的近壁面区域，并且和左侧温度图像中低温区域，即白色虚线区域相吻合．由于壁面温度远低于火焰温度，传热损失引起燃烧过程反应速率降低甚至局部出现淬熄，因此甲醛会出现在温度较低的近壁面区域．作为低温反应的重要中间产物，研究火焰中甲醛的分布对于验证火焰模型、发展机理具有重要意义．

不同壁面高度下的T20部分预混火焰中的甲醛分布如图11所示(壁面温度30℃)．当壁面高度从25mm提高到35mm，可以看出近壁面区域的甲醛信号逐渐减少，但是由于壁面不断升高，燃料与空气混合地更充分，火焰受壁面的干扰也减少，整个T20火焰中甲醛分布区域更宽广，并从近壁面区域向火焰内部发展．而壁面高度从25mm降至10mm时，壁面对火焰形态有很大的干扰，燃料反应不充分，近壁面区域和火焰整体中的甲醛分布都减少．图12为壁面高度在15mm的条件下不同壁面温度时甲醛的分布图像，可以看出在当前壁面高度下，甲醛主要分布在近壁面区域，并且壁面温度的变化对于甲醛信号的影响较为显著．从图5的温度分布中可以发现，壁面温度升高时，火焰的温度整体也是升高的，结合甲醛LIF图像，近壁面区域温度的升高抑制了甲醛生成或者加速了其氧化，因此壁面温度从30℃升至120℃时甲醛明显变少．

图11 不同壁面高度下的甲醛激光诱导荧光图像

图12 不同壁面温度下的甲醛激光诱导荧光图像

3 结 语

本文建立了一套研究液体燃料部分预混火焰撞壁的光学诊断系统，运用双色法对火焰温度及表征碳烟的KL因子进行了测量，同时运用激光诱导荧光法对火焰中的甲醛信号进行了采集．实验采用T20燃料作为研究对象，部分预混燃空当量比为5，研究了不同壁面高度以及不同壁面温度条件下火焰的温度及甲醛分布．双色法和激光诱导荧光法的研究结果清晰地表明了近壁面区域壁面高度和温度对于火焰的影响，为验证和发展液体燃料浓预混条件下的火焰模型及燃烧机理提供了数据支撑，同时也对内燃机近壁面区域的燃烧具有一定的参考价值．

由于壁面的作用，火焰前锋面被压扁呈现梯形状；随着壁面高度增加，火焰温度逐渐升高，高温区域面积增大并由火焰外侧向中心轴附近转移，火焰前锋面也由宽变窄．当壁面温度升高时，火的温度上升，高温区在增加，并在壁面高度为15mm条件下出现在火焰外侧和中心轴附近．在距离燃烧器出口10mm高度上，从内向外火焰温度呈现出先降低，后升高然后迅速降低的趋势．KL因子结果表明，火焰中碳烟主要分布在靠近火焰外侧区域，壁面高度增加和壁面温度升高都促进了碳烟的生成．

甲醛LIF图像上的信号与温度分布中的低温区域基本吻合，随着壁面高度的增加，甲醛信号的峰值下降，并且甲醛浓区从近壁面区域向火焰中心轴附近转移，而火焰整体的甲醛分布范围变广．壁面高度较低时对火焰产生了一定的干扰，甲醛信号也大幅下降．当壁面温度升高时，甲醛信号下降，整体的分布范围也变小．

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Measurements of Temperature and Formaldehyde Distribution in Partially Premixed Flame-Wall Interaction

Yang Zhi，Liu Haifeng，Geng Chao，Feng Lei，Yao Mingfa

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

An optical diagnostic system of a partially premixed flame near the wall was designed with a McKenna burner. The two-color method and laser-induced fluorescence(LIF) were used to investigate the temperature and formaldehyde distribution of the flame. The effects of height and temperature of the wall were also analyzed in detail. The results showed that hot areas may be found close to the outside and central axis of the flame. With increasing height or wall temperature，the flame temperature also increased. The high-temperature area extended and shifted from the outside of the flame toward the center axis，and the signals on the formaldehyde LIF image were relatively consistent with those of the low-temperature region in the temperature distribution. As the height of the wall increased，the peak value of formaldehyde decreased and the overall distribution range of formaldehyde in the flame widened. When the wall temperature increased，the formaldehyde signal decreased and the overall distribution range narrowed.

partially premixed flame；two-color method；temperature distribution；laser-induced fluorescence (LIF)；formaldehyde

TK11

A

1006-8740(2019)02-0182-07

2018-08-28．

国家自然科学基金资助项目(91541111).

杨 智（1994—  ），男，硕士研究生，evanyoung@tju.edu.cn.

刘海峰，男，博士，副教授，haifengliu@tju.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201805022