CN113125038A - 一种基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法，涉及火焰温度测量方法技术领域，其包括：根据火焰燃烧的中间产物的二维分布将火焰划分为不同的组分，其中，所述组分至少包括已燃区和未燃区，所述已燃区以OH自由基分布表征，所述未燃区以CH2O分布表征；通过对OH、CH2O荧光信号的乘积获得发热率分布图，通过提取发热率外边界获得发热率轮廓，其中，位于所述发热率轮廓上方为所述已燃区，位于所述发热率轮廓下方为所述未燃区；计算不同的组分的散射截面系数并求取总的散射截面系数；根据总的散射截面系数、总的瑞利散射光强度、参考的散射截面系数和参考的瑞利散射光强度和参考的已知参考的温度，求取待测的火焰燃烧的温度。

Description

一种基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法

技术领域

本发明涉及火焰温度测量方法技术领域，具体涉及一种基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法。

背景技术

火焰温度场分布测量是燃烧过程研究和实现高效低污染清洁燃烧技术研发的关键技术，目前有众多的接触式和非接触式光学火焰温度场测量方法，其中基于激光的瑞利散射测温方法是典型代表技术之一，根据激光光源形状可以分别实现火焰的一维、二维或三维温度测量。瑞利散射测温原理是通过在线监测激光与火焰气相分子间的弹性碰撞产生的波长不变散射光信号，通常散射信号强度正比于待测火焰中激光光源作用区域总的分子数密度，再根据理想气体状态方程计算出待测火焰温度场。由于瑞利散射测温技术具有的信号强度高、实验系统相对简单、高时空分辨率、不干扰火焰和光源波长选择范围广(紫外至可见光波段的激光均可)等优点，特别适用于洁净火焰的温度场测量。

在实际火焰温度场测量中，为进行激光瑞利散射测温技术反演温度场，需要知道待测区域气体散射截面系数，而截面散射系数是一个与火焰内气体组分密切相关的量，通过火焰中各种组分分布及其对应散射截面系数的加权计算，可实现待测空间内每个像素点的温度测量。鉴于火焰组分非常复杂且难以实现组分分布精确测量问题，现有基于激光瑞利散射测温方法在处理散射截面系数时，通常采用均匀散射截面系数的方法，该方法中将整个火焰区当量为一个有效散射截面系数，这对于燃烧后稳定成份区域温度测量是可以接受的，但对于包含未燃混合气区域，将存在较大偏差。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于发热率分割火焰区域分别计算散射截面系数的瑞利散射火焰温度测量新方法，通过发热率分布测量作为火焰面轮廓位置，并以发热率为界限将火焰散射信号图像分成两部分来进行散射截面系数求取和测温计算，实现火焰温度场测量中组分分布的精确测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法，其包括：

根据燃烧特征以发热率为界线将预混火焰分为已燃区和未燃区两个区域，其中，所述未燃区和已燃区气体对应不同的组分分布特性，瑞利散射温度测量计算依据上述两个区域分别进行；

火焰的发射率界线是以燃烧场中间产物OH自由基和CH₂O分布来确定，依据对火焰中产生的OH、CH₂O激光诱导荧光信号测试结果，由OH、CH₂O荧光信号的乘积获得发热率分布，从而提取发热率边界线；其中，根据燃烧化学反应进行情况对整体火焰进行分区，位于所述发热率边界线侧的上游来流低温未燃气体来流区为所述未燃区，而位于所述发热率界线侧的下游去流高温气流区为所述未燃区；

根据火焰分区确定未燃区和已燃区组分类别及对应的分子散射截面系数，并分别求两个区内各自总的散射截面系数；

根据总的散射截面系数、总的瑞利散射光强度、参考的散射截面系数和参考的瑞利散射光强度和参考的已知参考的温度，求取待测分区的火焰燃烧的温度。

如上所述的基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法，进一步地，通过平面激光诱导荧光获得火焰中主要中间产物。

如上所述的基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法，进一步地，对于碳氢燃料在空气氧化剂下燃烧，

当燃料/空气摩尔数比值等于理论化学计量比时，即燃料当量比Φ＝1，燃料在与氧化剂在火焰面区完全反应，未燃区组份比例按初始预混气计算，已燃区为燃烧完全产物，根据已有稳定物种的散热截面系数分别进行分区瑞利散射截面系数加权计算。

如上所述的基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法，进一步地，在燃料当燃料/空气摩尔数比值不等于理论化学计量比时，需要考虑已燃区物种差别，其中

在Φ<1时，气过量，燃烧完全，已燃区需要考虑残留空气比例对散射截面系数加权的贡献；

在Φ>1时，燃料过量，燃烧不完全，已燃区组分按两步反应，考虑CO的影响。

如上所述的基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法，进一步地，求取待测的火焰燃烧的温度，具体为：

式中，T为待测的火焰燃烧的温度，σ_Ray为总的散射截面系数，σ_ref为参考的散射截面系数，I_ref为参考的瑞利散射光强度，I_Ray为待测的瑞利散射光强度，T_ref为已知参考的温度；其中，

当紫外或可见波长激光作用于火焰时，产生的瑞利散射强度I_ref为：

式中，C₀为标定常数，I₀为激光能量；N为总的分子数密度；dσ_Ray/dΩ为瑞利散射截面对立体角的微分；Ω为探测系统的采集立体角；L为探测体积的长度；

总的散射截面系数σ_Ray为不同组分根据其摩尔分数的加权平均：

式中，x_i为第i种组分的摩尔分数；σ_i为第i种组分的瑞利散射截面系数；

分子数密度N的计算根据理想气体状态方程得到：

式中，P是总压强，N_A是阿伏伽德罗常数，R是理想气体常量，T是绝对温度，则总的瑞利散射光强度I_Ray表示为：

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明专利对复杂火焰燃烧区组分分布进行简化处理，假定火焰为可以通过发热率曲线轮廓分为两个区域，在发热率曲线上游气体来流侧全部是未燃区域，而在发热率曲线下游气体流动侧全部是已燃区域。在被发热率轮廓线分开的区域，不再考虑化学反应及成分变化，因此，可以根据简单化学反应平衡分别计算两个区域的散射截面系数值，实现瑞利温度场快速测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为碳氢火焰瑞利散射测温的流程图；

图2为激光诱导荧光拍摄的OH基的成像图；

图3为激光诱导荧光拍摄的CH₂O的成像图；

图4为火焰发热率分布计算图像；

图5为基于发热率图像分割后的燃后区和未燃区的瑞利测温示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

参见图1至图5，图1为碳氢火焰瑞利散射测温的流程图；图2为激光诱导荧光拍摄的OH基的成像图；图3为激光诱导荧光拍摄的CH₂O的成像图；图4为火焰发热率分布计算图像；图5为基于发热率图像分割后的燃后区和未燃区的瑞利测温示意图。

本发明是提供一种基于发热率分割火焰区域分别计算散射截面系数的瑞利散射火焰温度测量新方法，通过发热率分布测量作为火焰面轮廓位置，并以发热率为界限将火焰散射信号图像分成两部分来进行散射截面系数求取和测温计算。在发热率曲线下游气体流动侧区域是已燃区(高温区)，上游气体流动侧区域是未燃区(预热区)，并认为在这两个区域内气体成份是稳定不变的，然后分别计算已燃区和未然区的散射截面系数，最后依据瑞利散射信号值分别求出两个区域的温度值。本发明中发热率分布测量是采用激光诱导荧光测量火焰中的OH自由基团和CH2O分布来实现的。

测量原理与方法

当紫外或可见波长激光作用于火焰时，产生的瑞利散射信号表达式为：

式(1)中，C₀为标定常数，主要包括探测系统的采集效率和探测器的量子效率；I₀为激光能量；N为总的分子数密度；dσ_Ray/dΩ为瑞利散射截面对立体角的微分；Ω为探测系统的采集立体角；L为探测体积的长度。对于特定的光学检测系统，I₀、Ω、L和C₀是固定不变的，瑞利散射光强度的变化是混合气体分子数密度或者组分变动或两者同时变动所导致的结果。

从式(1)可以看出，若探测对象为单一组分且瑞利散射截面恒定，则瑞利散射法测温原理相对简单直观。若探测对象由多种组分组成，则瑞利散射截面为不同组分根据其摩尔分数的加权平均，即：

式(2)中，x_i为第i种组分的摩尔分数；σ_i为第i种组分的瑞利散射截面。

式(1)中分子数密度N的计算根据理想气体状态方程得到：

式(3)中，P是总压强，N_A是阿伏伽德罗常数，R是理想气体常量，T是绝对温度。

根据式(1)，式(2)和式(3)，总的瑞利散射光强度可以表示为：

用下标_ref表示参考的标准状况，温度和压强根据环境温度设置成常温常压，通过测量信号与参考信号之间的比值来获取温度信息，其中参考信号为在已知温度及组分浓度的情况下测量的瑞利散射信号：

式(5)中σ_ref为未反应混合气的散射截面系数，通过燃料与氧化剂的配比关系可以计算得到，而σ_Ray的计算需要根据实际燃烧状况火焰组分分布来计算得到。本发明专利对复杂火焰燃烧区组分分布进行简化处理，假定火焰为可以通过发热率曲线轮廓分为两个区域，在发热率曲线上游气体来流侧全部是未燃区域，而在发热率曲线下游气体流动侧全部是已燃区域。在被发热率轮廓线分开的区域，不再考虑化学反应及成分变化，因此，可以根据简单化学反应平衡分别计算两个区域的散射截面系数值，实现瑞利温度场测量。

为确定发热率的轮廓分布，本发明采用发热率分布间接测量的方法来实现。通过激光诱导荧光(LIF)测试方法分别测量火焰中OH基团和CH₂O(甲醛)的分布，然后根据OH浓度分布与CH2O浓度分布的乘积得到发热率分布。其测试原理为在碳氢火焰的燃烧过程中，HCO自由基的浓度和发热率高度相关，HCO代表主要的热释放来源。然而，由于HCO的低浓度和短暂的存在时间，很难用LIF成像，所以采用瞬时OH、CH₂O的LIF成像间接测量HCO浓度的方法，获取整体发热率图像。下面显示的是这两个组分生成HCO的反应式：

CH₂O+OH→HCO+H₂O (6)

因此，OH和CH₂O浓度的乘积可用作热释放率(HRR)的指标。

实施例：

本实施例以二维火焰瑞利散射测温为对象来补充说明专利技术路线的实现过程，上述测试原理的实施流程图如下所示。

1.基于PLIF技术分别对火焰OH和CH₂O进行成像

平面激光诱导荧光(Planar Laser-Induced Fluorescence,PLIF)技术能够获得火焰中主要中间产物(如OH、CH₂O等)的二维分布，其中的OH自由基分布可以被用来表征火焰的燃后区(反应区)，而CH₂O的分布则被用来显示火焰未燃区(预热区)。本实施例以同轴射流碳氢火焰为对象，测量得到的轴对称截面上火焰OH，CH₂O分布如图2、3所示。

2.获取发热率图像

通过对OH、CH₂O荧光信号的乘积[OH]╳[CH₂O]获得发热率分布图，通过提取发热率外边界，获得发热率轮廓，如图4所示。

3.进行激光瑞利散射测温

通过激光瑞利散射测温开展火焰散射信号分布测量，获得瑞利测温信号图，如图5所示，同时进行已知单一成份进行瑞利散射参考信号测量。

4.基于发热率火焰图像分区计算散射截面系数和火焰温度

对于碳氢燃料在空气氧化剂下燃烧，当燃料/空气摩尔数比值等于理论化学计量比时(燃料当量比Φ＝1)，燃料在与氧化剂在火焰面区完全反应，未燃区组份比例按初始预混气计算，已燃区为燃烧完全产物，根据已有稳定物种的散热截面系数分别进行分区瑞利散射截面系数加权计算。在燃料当燃料/空气摩尔数比值不等于理论化学计量比时，需要考虑已燃区物种差别：(1)在Φ<1时，气过量，燃烧完全，已燃区需要考虑残留空气比例对散射截面系数加权的贡献；在Φ>1时，燃料过量，燃烧不完全，已燃区组分按两步反应，考虑CO的影响。根据发热率轮廓对火焰的瑞利散射信号分区，如图5，进行瑞利测温计算，可实现对火焰温度的二维测量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法，其特征在于，包括：

根据燃烧特征以发热率为界线将预混火焰分为已燃区和未燃区两个区域，其中，所述未燃区和已燃区气体对应不同的组分分布特性，瑞利散射温度测量计算依据上述两个区域分别进行；

火焰的发射率界线是以燃烧场中间产物OH自由基和CH₂O分布来确定，依据对火焰中产生的OH、CH₂O激光诱导荧光信号测试结果，由OH、CH₂O荧光信号的乘积获得发热率分布，从而提取发热率边界线；其中，根据燃烧化学反应进行情况对整体火焰进行分区，位于所述发热率边界线侧的上游来流低温未燃气体来流区为所述未燃区，而位于所述发热率界线侧的下游去流高温气流区为所述未燃区；

根据火焰分区确定未燃区和已燃区组分类别及对应的分子散射截面系数，并分别求两个区内各自总的散射截面系数；

根据总的散射截面系数、总的瑞利散射光强度、参考的散射截面系数和参考的瑞利散射光强度和参考的已知参考的温度，求取待测分区的火焰燃烧的温度。

2.根据权利要求1所述的基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法，其特征在于，通过平面激光诱导荧光获得火焰中主要中间产物。

3.根据权利要求1所述的基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法，其特征在于，对于碳氢燃料在空气氧化剂下燃烧，

当燃料/空气摩尔数比值等于理论化学计量比时，即燃料当量比Φ＝1，燃料在与氧化剂在火焰面区完全反应，未燃区组份比例按初始预混气计算，已燃区为燃烧完全产物，根据已有稳定物种的散热截面系数分别进行分区瑞利散射截面系数加权计算。

4.根据权利要求3所述的基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法，其特征在于，在燃料当燃料/空气摩尔数比值不等于理论化学计量比时，需要考虑已燃区物种差别，其中

在Φ<1时，空气过量，燃烧完全，已燃区需要考虑残留空气比例对散射截面系数加权的贡献；

在Φ>1时，燃料过量，燃烧不完全，已燃区组分按两步反应，考虑CO的影响。

5.根据权利要求1所述的基于发热率分区火焰的瑞利散射温度测量方法，其特征在于，求取待测的火焰燃烧的温度，具体为：

式中，T为待测的火焰燃烧的温度，σ_Ray为总的散射截面系数，σ_ref为参考的散射截面系数，I_ref为参考的瑞利散射光强度，I_Ray为待测的瑞利散射光强度，T_ref为已知参考的温度；其中，

当紫外或可见波长激光作用于火焰时，产生的瑞利散射强度I_ref为：

式中，C₀为标定常数，I₀为激光能量；N为总的分子数密度；dσ_Ray/dΩ为瑞利散射截面对立体角的微分；Ω为探测系统的采集立体角；L为探测体积的长度；

总的散射截面系数σ_Ray为不同组分根据其摩尔分数的加权平均：

式中，x_i为第i种组分的摩尔分数；σ_i为第i种组分的瑞利散射截面系数；

分子数密度N的计算根据理想气体状态方程得到：

式中，P是总压强，N_A是阿伏伽德罗常数，R是理想气体常量，T是绝对温度，则总的瑞利散射光强度I_Ray表示为：

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