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摘 要： 摘 要: 為研究燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室壁面溫度與火焰燃燒的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)研究了模型燃燒室壁面溫度發(fā)生改變前后火焰的燃燒特性。采用磷光測(cè)溫技術(shù)對(duì)壁面溫度進(jìn)行測(cè)量，利用輻射層析技術(shù)結(jié)合雙色測(cè)溫法對(duì)火焰的三維結(jié)構(gòu)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了重建。實(shí)驗(yàn)時(shí)壁面溫度在 200 ℃附近，火焰的溫
摘 要: 為研究燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室壁面溫度與火焰燃燒的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)研究了模型燃燒室壁面溫度發(fā)生改變前后火焰的燃燒特性。采用磷光測(cè)溫技術(shù)對(duì)壁面溫度進(jìn)行測(cè)量，利用輻射層析技術(shù)結(jié)合雙色測(cè)溫法對(duì)火焰的三維結(jié)構(gòu)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了重建。實(shí)驗(yàn)時(shí)壁面溫度在 200 ℃附近，火焰的溫度范圍是 1 500 ～ 2 000 K。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 當(dāng)氣流沖擊壁面時(shí)，壁面溫度發(fā)生局部變化，導(dǎo)致火焰與壁面的換熱條件改變，會(huì)直接影響火焰結(jié)構(gòu)及溫度分布，火焰會(huì)趨向于壁面溫度降低的部分發(fā)展。
關(guān) 鍵 詞: 磷光測(cè)溫; 燃燒診斷; 層析成像; 非接觸測(cè)量
引 言
航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，燃燒室壁面溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性有重要影響，運(yùn)行時(shí)不僅壁面溫度分布不均會(huì)影響燃燒效率，各部件的熱脹量不同也會(huì)引發(fā)振動(dòng)等不良工況。因此，壁面溫度及其散熱條件對(duì)燃燒的影響是研發(fā)人員非常感興趣的問(wèn)題[1 ～ 4]。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，具有高溫、高壓、強(qiáng)振動(dòng)的特點(diǎn)，如熱電偶[5]這樣的傳統(tǒng)的測(cè)溫方法，由于其接觸式測(cè)量的特點(diǎn)以及需要布線，不適合復(fù)雜環(huán)境的測(cè)量。紅外熱像技術(shù)[6]雖然具有非接觸的特點(diǎn)，但對(duì)目標(biāo)表面的灰體發(fā)射系數(shù)有精確要求，而發(fā)射系數(shù)會(huì)受到波長(zhǎng)、測(cè)量角度、表面性質(zhì)等參數(shù)的影響，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件或者有環(huán)境光干擾的測(cè)量環(huán)境，此種方法有一定的局限性。
磷光熱成像測(cè)溫技術(shù)( Thermographic Phosphor， TP) ，簡(jiǎn)稱磷光測(cè)溫，通常是指利用摻雜過(guò)渡元素離子的陶瓷材料進(jìn)行溫度測(cè)量。由于磷光的發(fā)光特性與其所處的溫度環(huán)境息息相關(guān)，因此可以用于對(duì)溫度進(jìn)行非接觸式測(cè)量，且表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的性能[7 ～ 12]。根據(jù)響應(yīng)信號(hào)的不同，磷光熱成像測(cè)溫技術(shù)也有多種方法，目前應(yīng)用最為廣泛的是壽命衰減法[13]和強(qiáng)度比法[14]。其中，壽命衰減法利用磷光發(fā)射強(qiáng)度衰減曲線隨溫度變化的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的目的，具有更高的精度。
早期的磷光測(cè)溫多使用光電倍增管( Photo Multiplier Tube，PMT) 來(lái)探測(cè)磷光信號(hào)，但是光電倍增管只能獲得零維的測(cè)量信號(hào)，需要采用多點(diǎn)掃描測(cè)量的方式來(lái)獲得溫度分布信息[15]，空間分辨率不高。近年來(lái)，隨著高速相機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，研究者逐漸開(kāi)始大規(guī)模采用高速相機(jī)來(lái)獲取溫度分布信息[16]，且測(cè)量精度也在不斷提高。磷光測(cè)溫技術(shù)結(jié)合激光多普勒測(cè)速[17]和粒子圖像測(cè)速( Particle Image Velocity，PIV) [18]等先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)氣液兩相流動(dòng)中溫度和速度的同步測(cè)量。
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本研究對(duì)磷光材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析，并將磷光熱成像測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用到模型燃燒室的壁面溫度二維測(cè)量。同時(shí)，使用三維層析成像技術(shù)對(duì)火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重建和分析。在對(duì)壁面進(jìn)行氣流沖擊的條件下，模擬壁面換熱條件改變時(shí)的燃燒室環(huán)境，測(cè)量了壁面二維溫度的變化，并使用雙色測(cè)溫技術(shù)對(duì)內(nèi)部火焰等溫面進(jìn)行了重建，分析了其變化趨勢(shì)。
1 實(shí)驗(yàn)原理
1. 1 磷光熱成像測(cè)溫
不同的磷光材料在不同測(cè)溫范圍內(nèi)的效果也有所不同[19 ～ 23]，實(shí)驗(yàn)中采用的磷光材料為Mg3F2GeO4 : Mn，簡(jiǎn)稱 MFG。這種材料測(cè)溫范圍廣，覆蓋了從室溫到 1 000 K的測(cè)溫范圍; 靈敏度高，衰減時(shí)間隨溫度變化非常顯著，這對(duì)測(cè)溫精度的提高非常重要; 發(fā)光強(qiáng)度高，因?yàn)閾诫s Mn 元素，發(fā)射率較高，對(duì)激光反應(yīng)敏感，激發(fā)的信號(hào)信噪比高[24]。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
2. 1 模型燃燒室
圖 1 為模型燃燒室的實(shí)物圖，底部為獨(dú)立分層旋流 燃 燒 器，包括內(nèi)旋流器和外旋流器，流 量 為 1 L /min的燃料 CH4通入內(nèi)旋流器，流量為 50 L /min 的空氣通入外旋流器，燃燒當(dāng)量比為 0. 19。在燃燒器的凹槽內(nèi)插入上端開(kāi)口的石英管，該石英管高度為 300 mm，內(nèi)徑為 51 mm，外徑為 55 mm。在石英管的一側(cè)預(yù)先噴涂了黑色的納米陶瓷耐高溫涂料，該涂料可以避免火焰在石英管內(nèi)壁形成反光，同時(shí)還可以防止磷光透過(guò)石英管干擾火焰的成像，這些干擾可能影響火焰的重建。
2. 2 磷光光譜測(cè)量
使用 Q-switched Nd: YAG 脈沖激光器( Quantel， Qsmart-Twins 850) 對(duì)磷光材料進(jìn)行激發(fā)，激光器的重復(fù)頻率為 10 Hz，波長(zhǎng)為 266 nm，能量為 90 mJ。使用光譜儀( HR4000) 對(duì)激發(fā)光的光譜進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖 2 所示。光譜在 650 nm 附近出現(xiàn)了明顯的波峰，因此可以用中心波長(zhǎng)為 650 nm，半高峰寬 25 nm 的帶通濾光片來(lái)過(guò)濾該波峰處的其他雜光。
2. 3 磷光衰減時(shí)間的標(biāo)定
標(biāo)定的過(guò)程在一臺(tái)背面嵌有 K 型熱電偶的加熱臺(tái)上進(jìn)行，將加熱臺(tái)的溫度在 150 ～ 450 ℃范圍內(nèi)逐漸 升 高。等待溫度達(dá)到穩(wěn)定，同 時(shí) 保 持 周 圍環(huán)境無(wú)氣流等干擾因素。激發(fā)光的信號(hào)由 CMOS 高速相機(jī)( Photron FASTCAM Mini AX100) 進(jìn)行收集，信號(hào)發(fā)生器( DG645) 發(fā)出同步信號(hào)控制激光脈沖和相機(jī)快門(mén)。相機(jī)光圈為 f 2. 8，曝光時(shí)間 1 /4 000 s，焦距為 55 mm，逐次調(diào)整激光脈沖與相機(jī)快門(mén)之間的延遲時(shí)間，對(duì)每個(gè)延遲時(shí)間下的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行 20 次重復(fù)拍攝，就可以得到磷光強(qiáng)度的完整衰減曲線。
對(duì)各個(gè)溫度下的磷光信號(hào)強(qiáng)度分別進(jìn)行平均和歸一化，并根據(jù)式( 1) 對(duì)磷光的衰減常數(shù) τ 進(jìn)行計(jì)算。對(duì)衰減時(shí)間常數(shù)與溫度的關(guān)系進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到如圖 3 所示的曲線。
2. 4 火焰溫度場(chǎng)測(cè)溫
如圖 4 所示，由信號(hào)發(fā)生器對(duì)相機(jī) 1 的快門(mén)和激光器脈沖進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的溫度測(cè)量。相機(jī) 1 的快門(mén)速度為 1 /3 000 s，焦距為 55 mm，光圈為 f 2. 8。在另一側(cè) 180°的范圍內(nèi)均勻布置了 6 枚定焦鏡 頭，用于采集火焰的發(fā)光信號(hào)，鏡 頭 焦 距 為 50 mm，光圈為 f 2. 8。每一枚鏡頭的信號(hào)會(huì)經(jīng)由 5. 2 mm × 5. 2 mm，分辨率 355 × 420 的光纖束傳導(dǎo)匯總至分光鏡，相機(jī) 2 和相機(jī) 3 前分別安裝了中心波長(zhǎng)為 425 nm 和 715 nm 的帶通濾波片，用于采集不同波長(zhǎng)的火焰信號(hào)。
3 結(jié)果與分析
使用標(biāo)定獲得的數(shù)據(jù)對(duì)平板表面的溫度進(jìn)行了測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與熱電偶進(jìn)行對(duì)比，溫度的測(cè)量誤差為 ± 5 ℃。圖 5 顯示了模型燃燒室外表面距離燃燒室出口 4. 5 cm 高度處 1. 78 cm2 面積內(nèi)的平均溫度從點(diǎn)火開(kāi)始至溫度穩(wěn)定階段的變化曲線，其測(cè)量間隔為 0. 1 s，在 10 s 內(nèi)對(duì)模型燃燒室表面溫度進(jìn)行了連續(xù)測(cè)量。可以看到自點(diǎn)火開(kāi)始，壁面溫度在 2 ～ 10 s 內(nèi)迅速?gòu)氖覝?25 ℃ 升高至 200 ℃，升溫速率達(dá)到了 21 ℃ / s，并且在此后趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明 10 s 后石英管壁面與火焰的換熱已經(jīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，火焰的燃燒處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖 6( a) 為模型燃燒室外表面的二維溫度分布。可以看到，在測(cè)量區(qū)域內(nèi)溫度近似為均勻分布，約為 204 ℃。為了探究火焰三維結(jié)構(gòu)與壁面溫度之間的關(guān)系，在火焰達(dá)到穩(wěn)定之后，使用壓力為 172 kPa 的氣泵持續(xù)對(duì)外壁噴射氣流。等待壁面溫度重新達(dá)到穩(wěn)定工況后，對(duì)壁面以及火焰的溫度再次進(jìn)行測(cè)量。圖 6( b) 為氣流沖擊模型燃燒室外表面的工況下的表面溫度的變化。可以看到，在氣流沖擊壁面的情況下，以氣流沖擊點(diǎn)為中心，出現(xiàn)了局部低溫區(qū)域，比穩(wěn)定工況下的壁面溫度下降了 8 ～ 10 ℃。
圖 7( a) 為沒(méi)有氣流冷卻和有氣流冷卻時(shí)測(cè)得的火焰三維溫度分布，內(nèi)外的兩層分別代表 1 500 K 和 2 000 K 的等溫面。X、Y、Z 坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)空間中的前后、左右和上下 3 個(gè)方向。火焰的最高溫度在 2 000 K左右，遠(yuǎn)高于壁面溫度，這是由于燃燒室內(nèi)的空氣吸收了大部分熱量。火焰整體呈錐形，只有火焰的根部與壁面接觸緊密。因此，壁面對(duì)火焰的影響也主要發(fā)生在根部位置。
火焰的右下角出現(xiàn)了不同程度的不對(duì)稱凸起，這是由于石英管外壁噴涂了涂料，導(dǎo)致該處區(qū)域的熱阻與其他地方不同，改變了局部邊界條件。由圖 7( b) 可知，相比于穩(wěn)定燃燒的工況，氣流冷卻條件下火焰右下角凸起更加明顯，而火焰的其他部分沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化。這是因?yàn)闅饬鳑_擊帶走了部分壁面熱量，從而降低了壁面溫度，進(jìn)一步增大了局部邊界條件之間的差異，改變了火焰與壁面的換熱。火焰更加向該區(qū)域傾斜，使得火焰變得更加不對(duì)稱。
圖 8 通過(guò)對(duì)火焰進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模態(tài)分解，選取了能量最高的 6 組模態(tài)進(jìn)行分析，圖 8( a) 、( c) 是模態(tài)能量的分布，圖 8( b) 、( d) 是每個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)的增長(zhǎng)率。其中圓點(diǎn)的大小代表能量的大小，頻率正數(shù)代表增長(zhǎng)的趨勢(shì)，負(fù)數(shù)代表減弱的趨勢(shì)，0 代表穩(wěn)定。對(duì)比氣流沖擊壁面前后的模態(tài)可以看出，壁面溫度改變后，火焰的震蕩頻率增大，火焰模態(tài)的能量減小，這說(shuō)明氣流對(duì)壁面的冷卻使得火焰燃燒變得更加不穩(wěn)定。
4 結(jié) 論
為了探究燃燒過(guò)程中燃燒室壁面溫度與火焰的關(guān)系，將磷光測(cè)溫技術(shù)與層析成像雙色測(cè)溫技術(shù)相結(jié)合，對(duì)模型燃燒室外表面點(diǎn)火后的溫度變化及受到氣流沖擊時(shí)的溫度變化進(jìn)行了測(cè)量，同時(shí)，對(duì)模型燃燒室內(nèi)火焰的溫度分布進(jìn)行了重建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:
( 1) 磷光測(cè)溫技術(shù)可以很好地對(duì)燃燒室壁面溫度進(jìn)行非接觸測(cè)量，具有良好的時(shí)間和空間分辨率，旋流火焰在燃燒參數(shù)穩(wěn)定的條件下，火焰根部與燃燒室壁面換熱充分，壁面溫度分布均勻。
( 2) 在燃燒室壁面受到氣流沖擊時(shí)，壁面與火焰的換熱條件發(fā)生改變，會(huì)對(duì)火焰溫度分布的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，即使是小范圍內(nèi)的溫度變化，火焰的結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生變化，使燃燒變得不穩(wěn)定。——論文作者：孫 彬1 ，韓 嘯2，3 ，蔡偉偉1 ，張 弛2，3
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