清华大学联合安洲科技开展基于高光谱的乙烯层流火焰研究

清华大学联手北京安洲科技有限公司，利用其美国SOC710高光谱成像装置进行乙烯火焰测量和研究。乙烯层流扩散火焰是通过一套同流层流扩散火焰燃烧器产生的。火焰的辐射图像通过一套高光谱成像设备(型号：SOC710VP)拍摄。图(a)给出了由一套同流扩散火焰燃烧器、一台高光谱成像设备和一台笔记本计算机组成的实验系统原理图。图(b)是实验系统的照片。

图1 实验装置的原理图和照片

对于轴对称的乙烯层流扩散火焰，火焰的成像机理如下图所示：

图2 火焰断面网格划分和成像机理

图中路径l的成像方程可以表示为：

（1）

式中，к表示吸收系数，Δlj,i表示路径j关于网格i 的积分路径，H是局部光谱辐射源项。采用如下图所示的迭代过程计算火焰温度和烟黑颗粒吸收系数和体积分数分布：

图3 迭代流程图

本实验研究针对三种不同气氛，即空气、富氧空气、氧气/二氧化碳富氧空气，共十个工况的火焰进行测量，结果如下：

1） 空气工况

表1 空气工况设定

针对以上四种工况分别截取了半边乙烯层流火焰图像，并计算了火焰温度、烟黑颗粒体积分数和吸收系数。

工况1
工况2
工况3
工况4

2）空气/氧气工况

表2  空气/氧气富氧工况设定

工况5
工况6
工况7

3）氧气/二氧化碳工况

表3  氧气/二氧化碳富氧工况设定

工况8
工况9
工况10

主要结论：

1）烟灰体积分数的峰值位于温度峰值位置的内部，表明烟灰形成是由不完全燃烧反应引起的。

2）在空气工作条件下，最高温度位于火焰边缘和火焰根附近的区域。乙烯流量的减少将导致烟灰体积分数降低。

3）在富氧空气的工作条件下，火焰的顶部为火山状，火焰边缘附近的火焰根部附近区域和火焰根部的上部分别有两个温度峰。前者来自燃烧器特性，后者归因于氧化剂特性。较高的氧含量将产生较高的温度峰值，但同时会产生较低的烟灰体积分数峰值。