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消光辐射联合法表征喷雾火焰的碳烟温度
Tiemin Xuan, Jose M. Desantes, Jose V. Pastor, Jose M. Garcia-Oliver
（School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China
CMT-Motores Teacute;rmicos, Universitauml;t Politegrave;cnica de Valegrave;ncia, Valencia 46022, Spain
CSSC Marine Power Co, LTD, Zhenjiang 212002, China）
摘要
近些年来国际发动机燃烧合作组织（ECN）应用了不同的光学技术对Spray A喷射火焰中碳烟进行定量研究，但对于碳烟温度测量却很少有信息。本文提出了一种不同波长下消光辐射联合的方法并将其应用于准稳态柴油机火焰中，在考虑到自吸收问题的同时，获得碳烟数量及温度分布。所有的测量在恒压燃烧室内进行，燃料及工况、喷油器均由根据ECN的标准指南选择，由波长选择引起的不确定度也进行了评定。此外，通过将测量结果与一维喷雾模型相结合，建立起了等温图。准稳态燃烧阶段的温度场显示了辐射场边界附近的峰值温度，符合典型的扩散火焰结构。本文还研究了不同工作参数下对碳烟形成及温度的影响。结果显示碳烟温度随氧浓度的增加而显著升高，但其对环境温度及喷射压力的敏感度较低。环境温度及喷射压力从另一方面碳烟的生成有显著影响。
关键词：碳烟温度；Spray A；消光法；辐射法
Abstract
Even though different optical techniques have been applied on lsquo;Spray Arsquo; in-flame soot quantification within Engine Combustion Network in recent years, little information can be found for soot temperature measurement. In this study, a combined extinction and radiation methodology has been developed with different wavelengths and applied on quasi-steady Diesel flame to obtain the soot amount and temperature distribution simultaneously by considering self-absorption issues. All the measurements were conducted in a constant pressure combustion chamber. The fuel as well as the operating conditions and the injector used were chosen following the guidelines of the Engine Combustion Network. Uncertainty caused by wavelength selection was evaluated. Additionally, temperature-equivalence ratio maps were constructed by combining the measurements with a 1D spray model.
Temperature fields during the quasi-steady combustion phase show peak temperatures around the limit of the radiation field, in agreement with a typical diffusion flame structure. Effects of different operating parameters on soot formation and temperature were investigated. Soot temperature increases dramatically with oxygen concentration, but it shows much less sensitivity with ambient temperature and injection pressure, which on the other hand have significant effects on soot production.
Keywords: Soot Temperature; Spray A; Extinction; Radiation
目录
引言
柴油机燃烧过程中产生的碳烟已经被公认对人类健康及环境产生负面影响。面对日趋严格的排放法规，有必要对火焰中碳烟生成过程进行详细了解和准确预测。然而由于涉及到大量复杂的物理现象及化学动力学机制，火焰内碳烟相关的认知仍然有限，对计算流体力学来说模拟得到量化的碳烟数量仍是一个很大的挑战。
近年来光学诊断被广泛应用于各种环境以更好地了解柴油机燃烧中的碳烟形成过程。基于碳烟热辐射测量，双色法被研究应用于碳烟分布演变的时间及二位空间的定量研究。然而由于信号的自吸问题，碳烟光学厚度存在很大的不确定性，尤其对于高碳烟浓度的条件。此外得到的碳烟温度也是沿光学路径的假定平均温度。激光诱导炽光法（LII）是另一种主要的碳烟光学诊断方式，它可以通过记录碳烟辐射对激光能量的吸收来定性可视化碳烟的空间分布。然而由于传统LII测量系统的硬件限制，通常每次喷射只能记录一个图像，除非使用高度复杂的激光源和成像系统。激光消光法（LEM）是一种典型的碳烟测量方法，它基于碳烟颗粒自吸引起的激光消光。它使用一个连续的点激光作为光源，能够有效测量碳烟浓度随时间的演化，但它在空间上受限于光束的尺寸。随着高速摄像机和光源的改进，一种二维扩散背景光（DBI）消光成像技术被开发并应用于发动机燃烧网络（ECN）中。在DBI安装中，光源由一束能覆盖全部的火焰扩散射线提供，采集部分采用高速摄像机，最终实现良好的时间和空间分辨率。
目前的工作是在ECN的框架下进行的，它是一个世界范围的研究机构团体，目的是通过合作来为碳烟生成模型提供高质量的数据和一致的结果。虽然在这一团体中对通过不同的光学诊断方式对柴油机碳烟数量进行了量化研究，详细的碳烟温度测量信息仍然有限。Skeen等人通过光谱成像得到了轴向的碳烟温度；Bolla等人通过CFD的方法研究了辐射换热对Spray A火焰温度和碳烟形成的影响，但仍需进一步的实验验证。
本文旨在建立一种考虑自吸收影响下的消光法与辐射法相结合的能够同时定量计算三维碳烟量及温度的方法，研究了不同工况下碳烟量与碳烟温度的相互作用机理，编制了详细的碳烟温度数据库进行建模验证。本研究的实验是在装有Spary A喷射系统的定压流体设备及静态环境下进行的，采用了一维喷雾模型。
研究方法
本方法同时测量碳烟火焰的光辐射和热辐射过程。虽然消光程度取决于碳烟的分布，但热辐射与温度相关。因此，消光法用以求出火焰中的碳烟分布，随后碳烟辐射用来计算碳烟温度。Legros等人在稳定的层流轴对称非预混乙烯火焰上采用了类似的方法
消光和辐射测量都是基于沿视线光路的路径积分（投影数据），因此需要考虑喷雾轴对称性的反演方法。该方法将准稳态碳烟区域沿喷雾轴分为两部分，每半部分为轴对称结构，如图2-1所示。然后按照相同的过程处理每个部分。
图2-1
距喷油器端部一定距离处半碳烟云分布截面消光和辐射光路示意图。代表背景光入射强度，代表局部光谱消光系数，代表背景光透射强度，代表黑体辐射强度，代表投影方向辐射强度，S表示由同一像素提供的投影线，其从喷雾轴到碳烟边界的碳烟云半径N（此处N为6）。
光谱辐射强度沿光路y沿给定方向的传播可以表示为:
(2.1)
根据普朗克定律，是光谱黑体辐射强度，它是当地温度的函数，如下：
(2.2)
式中和为常数，；.
对于一个给定的波长，从投影线S（如图2-1所示）获得的总辐射强度（）是发射辐射（）和自吸收过程相累积的结果。通过对公式（2.1）沿光路积分，沿剩余光路自吸收后一个位置的透射黑体辐射强度可表示如下：
(2.3)
由此，在每个像素位置处的投影辐射强度（如图2-1中下图所示）可由如下公式获得：
(2.4)
当地区域消光系数（k）如图2-1中上图所示，可通过从消光图像获得的总光学厚度（KL）层析重构来获得。在后面的分析中将讨论两种用于此重构的分析方法（剥洋葱法和逆Radon变换）。获得此KL值的详细方法见参考文献。此外，碳烟体积分数（）可由小颗粒Mie理论获得：
(2.5)
式中为无量纲消光系数，可由Rayleigh-Debye-Gans（RDG）理论推导得出，详见参考文献。
当碳烟的体积分数由消光图像得出，就可以对每个像素处测量的辐射记录进行反演计算，由此得出当地光谱发射率（）及温度T，如图2-1中下图所示。
实验设备及光学装置
所有的测量都是在一个新的高压高温实验容器中进行的，该容器可以模拟柴油机上止点（TDC）位置时缸内的热动力学条件。此套设备是一个恒压流动实验台，气压和温度分别可以达到15MPa和1100K，与文献中的试验台十分相近。安装有两个直径为181mm的光学通路，从而可以在喷雾时看到较大视野。该种容器的细节信息可在文献中查询。
实验装置的俯视图如图3-1所示。采用峰值波长为460nm，脉冲宽度2的高能蓝光LED作为光源进行消光测量。在光学视窗旁放置一个光学散射片以构建一个Lambertian漫射强度的剖面。在燃烧器另一侧使用球面透镜（f=800）来减少光束转向的影响。LED光和火焰光在透过分光器（50%/50%）后被一个配备有带通滤光片（460nm, 10 FWHM）的高速CMOS相机（Photron SA-5，记录频率25KHz）捕捉。相机的曝光时间设定为1.91，图像分辨率为704*384像素，像素/毫米比为6.48。
图3-1 碳烟测试台架的装置布局（俯视图）
同时，碳烟辐射通过两个分光器引入另外两个装有带通滤光片（中心波长分别为550nm及660nm，FWHM 10nm）的高速CMOS相机（Photron SA-5 记录频率25KHz）中。两台相机的曝光时间设定为6.64，图像分辨率为704*384像素，像素毫米比为6.54。为了将灰度值转化为辐射值，利用位于燃烧室内喷雾相同位置的钨带标定灯（Osram Wi17G）获得了标定曲线。
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