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成分分布对漫射火焰的全息温度测量
S M Tieng, C C Lin, Y C Wang and T Fujiwara
国立成功大学航空航天研究所, 台湾
名古屋大学航空工程系，日本
国立成功大学, 台湾
1995年7月25日收到, 最后一章为 1995年11月1日, 1995年11月17日接受出版
摘要 应用相移全息干涉法对层流，轴对称，丙烷扩散火焰的非侵入式温度测量进行了研究。在我们之前的工作中, 实验研究了组合物变化对反应流全息温度测量的影响,研究了轴对称、丙烷、层流预混精益火焰(PLFs)和部分预混火焰(PPFs)的情况。为了进一步研究这一效应, 本文研究了漫反射火焰(DF)的影响。结果表明,对于DF来说,组合分布最复杂,成分效应比 PLF和PPF更严重。为了获得准确、满意的全息结果,有必要在较低的火焰高度测量物种浓度, 并采用线性插值的摩尔在较高的测试部分的折射率。
1.绪论
激光全息干涉测量法在测量反应流场（如火焰）中的温度方面显示出比任何其他技术更大的潜力，特别是考虑到其非侵入式和全场测量的能力(Fisher and Fitzgerald 1974, Trolinger 1976, South and Hayward 1976, Reuss 1983, Reuss and Schultz 1987, Tieng and Lai 1992, Tieng et al 1992a,b). 众所周知，反应流的温度分布是根据密度分布使用完美气体定律计算的（Tieng and Lai 1992）：
（1）
其中，和分别代表物种i的摩尔分数，Gladstone-Dale常数和摩尔折射率;RG0是环境空气的Gladstone-Dale常数;RL是摩尔折射率，可以通过计算;大多数燃烧气体的可以在已发表的参考文献中找到（Gardiner et al 1981）;T0是环境温度（300K），环境空气的折射率是; = 0.151，其表示环境空气的摩尔折射率，并且基于空气组成分布计算。
在火焰的干涉温度测量中，根据干涉相位数据计算折射率;因此，从等式（1）可以清楚地看出，温度T取决于火焰内的成分分布，并且测量精度也受成分分布的影响。
在以前的应用中, 全息干涉测量中的成分变化对反应流的温度测量的影响通常被忽略（Grob and Wakil 1969, Dandliker and Thalmann 1985）或由更简单的关系（例如，均匀分布）表示，因为缺乏气体成分的分布信息。由于火焰内部的组成变化复杂，这在火焰温度测量中引入了显着的误差。因此，在火焰全息温度测量中，组成对数据精度的影响不容忽视。虽然结合双波长技术的干涉测量法已经成功地解决了二元组分问题中的这种困难(Ross and Waki 1960, Mutoh et al 1978),但该技术在诸如火焰所呈现的多组分问题中变得不切实际。
最近,实验研究了对于具有轴对称，丙烷，层状预混合贫火（PLF）和部分预混火焰（PPF）的情况（Tieng et al 1992a）。已经表明，在预混燃料贫燃火焰的情况下，组成效果不如富火和扩散火焰那么重要。
图1 燃烧器的原理图
为简化起见，可以通过理想的化学反应方法简单地重建干涉温度，而不会引入显着的误差，但不测量任何局部物质浓度。还已经表明，对于部分预混火焰的情况，在较高的火焰部分（后燃烧区），干涉温度可以通过理想的化学反应方法简单地重建。但是，在下部火焰部分，为简化起见，应使用线性插值。因此，应测量轴和热边界处的两个成分数据。为了进一步检验这种效果，对于扩散火焰（DF）的情况进行了该实验研究，因为预期DF的组成分布非常复杂。
在该研究中，通过使用气相色谱仪测量物种组成的分布信息。基于组成分布，根据不同方法计算不同的摩尔折射率值和不同的全息温度分布。通过将这些数据与热电偶数据进行比较，评估了效果。
此外，由于轴对称火焰的干涉条纹多为宽且不明显，特别是在火焰的中心区域，通过数字相移全息干涉测量法测量轴对称漫射火焰的温度分布。数字相移全息干涉技术(Dandliker and Thalmann 1985)是一种自动条纹计数方法，可以提供高精度的相位数据，并可以很好地克服插值难度。
选择不同火焰高度的三条水平测试线进行温度重建。第一条线通过预混气体燃烧区;第二个通过扩散区;第三个通过重组区。然后比较全息温度分布和热电偶数据以分析组成对全息测量的影响。
研究得出的结论是,DF的组成分布最为复杂;与PLF和PPF相比, 成分效应最为严重。在低火焰高度下,无法采用简单的方法来准确地重建全息温度。为了准确地重建干涉测量温度,有必要在每一点测量物种的浓度。当然,对于较高的试验截面,通过重组区,根据火焰轴和边界上测量的成分数据,对磨牙折射率进行线性插值,就足以产生令人满意的结果。
2.技术和仪器仪表
2.1测试燃烧器和火焰
使用由中空圆柱形管和内径为27mm，高度为160mm的中空圆柱形管组成的轴对称本生灯，作为试验装置（见图1）。将蜂窝状基质和若干层金属网（每英寸52目）设置在燃烧器的顶部以稳定火焰。使用99％纯度的实验室级丙烷（C3H8）作为气态燃料。它从燃料箱直接流到燃烧器。通过浮子流量计计量气体流速，其通过气泡流量计校准，精度为约5％。
在该实验中，选择丙烷（C3H8）作为气体燃料，因为它具有相对大的摩尔折射率值，以及火焰中高度复杂的组成分布。这些特性使我们能够研究成分对测量精度的影响。稳定在燃烧器顶部边缘上的火焰在大气压下在开放的静止空气中静止。室温保持在20℃。在燃烧器点火后15分钟进行测量以达到热平衡。在测试过程中非常小心地产生完美的轴对称火焰。
燃烧器安装在一个X-Y-Z平移台上，精度为0.5mm，分辨率为1mm，用于热电偶测量和气体成分分析。火焰的试验条件列于表1。
表1。df 的测试条件。
|
燃料 |
丙烷纯度99% |
|
内径, d (m) |
0.01 |
|
内部速度,micro;0(m sminus;1) |
0.016 |
|
内部温度, T (k) |
663 |
|
内部密度,rho;0(kg mminus;3) |
0.8 |
|
环境密度,rho;infin;(kg mminus;3) 火焰高度, L (m) |
1.177 0.03 |
|
雷诺数, Re =rho;0u0d/micro;0 (micro;0粘度) |
7 |
图2 光学系统
图3 轴对称场的水平横截面示意图
图4 气体采样系统原理图
2.2相移全息干涉测量
本研究通过数字相测量轴对称漫射火焰的温度分布
移位全息干涉测量法。数字干涉测量的目的是从干涉图的强度分布图像精确且自动地产生相位分布图。该图对图像缺陷，噪声，背景辐照度和条纹对比不敏感或独立。
在相移之后，条纹图案的强度分布由下式给出(Watt and Vest 1987):
（2）
其中是人工产生的偏置阶段。未知相位可以从测量数据和精确确定 (Watt and Vest 1987)
（3）
其中是从0到2pi;的偏置阶跃相位，N是步数。很明显，术语现在独立于背景强度和条纹对比度。由于和可以精确确定，借助CCD相机和图像处理系统，该算法可应用于整个条纹图案，自动产生高精度和空间分辨率的相位分布（即每个像素的相位数据））。光学系统在图2（a）和（b）中示意性地表示。有关光学系统的详细信息，请参阅以前的出版物 (Tieng and Lai 1992, Tieng et al 1992b).
图5 气相色谱原理图
图6 气相色谱取样探针原理图
2.3轴对称火焰的温度重建
用干涉条纹法确定轴对称温度场, 与利用干涉值的测量投影重建折射率场有关;也就是说, 相位数据射线, 由 Abel 变换重建 (vest 1979)
（4）
其中表示从相移全息干涉图获得的相位数据;r和x在图3中定义; 和分别表示r处的折射率和参考折射率。目的是从已知相位数据确定。Abel变换的逆变换是 (vest 1979)
（5）
Abel 反演通常基于不同的数值近似值 (vest 1979), 但由于相移全息干涉法产生大量准确的相位数据,因此可以将快速傅立叶变换合并到Abel反演中以提高计算速度和数据的准确性。该方法的反演方案是对数据进行傅立叶展开，并计算每个空间频率分量的Abel反演。
为了分析这种方法，假设是连续的，关于x=0对称并且在流动边界处和外部具有零值
( = 0 for x ge; R or x le; minus;R).
在这些假设下可写成余弦展开:
（6）
（7）
将方程 (6) 替换为阿贝尔反演 (方程 (5)), 我们得到了
（8）
让
（9）
方程 (8) 可以写成
(10)
得到
它在区间[-1,1]中定义。因此，的Abel反演可以扩展为正交基函数与扩展系数之和，可以根据方程从的傅里叶系数简单计算得到 (7)。
如果使用上述Abel反演从干涉相位数据计算折射率分布（），则通过使用等式（1）重建温度分布。
图7 DF 的全息干涉图 (a) 0O (b) 120O (c) 240O 相移。
2.4.气相色谱法
为了检查组合物效果，使用气相色谱（GC）测量物质浓度。GC可以分离气体混合物的组分，同时提供关于每种组分的定性和定量分析信息。GC基于以下事实：每种组分对所谓的固定相材料和流动相材料的相对吸引力是不同的。
图8 显示相位步骤的相位分布映射
使用气体取样探针从火焰中取出气体样品。将探测技术应用于火焰实验时，必须考虑两个要求。应设计第一个样品探针，以便在火焰中产生最小的干扰。这种干扰源于取样和大部分探针本身。其次，探头应允许快速减压并将样品抽出到火焰外的冷却区域进行气体分析。在某种程度上，通过使用具有小声波入口的锥形石英微探针，可以实现这两个要求。微探针（见图6）由内径为1毫米，外径为3毫米的石英管制成，该石英管逐渐变细到孔口（孔喉直径约0.075毫米）（见图6）。将微探针沿着流动流线插入火焰中以进行取样，以避免在感兴趣的区域中产生干扰。在取样过程中，燃烧气体被吸入微探针中，然后储存在0.25升样品瓶中。为了确保在孔喉处发生声波流动，允许样品瓶中的绝对压力从接近真空升高到20.3KPa（152Torr，或0.2atm）的上限。热导检测器（TCD）和火焰离子化检测器（FID）用于不同物种的研究。TCD用于测量五种物质（O2，N2，CO，CO2，H2）和用于测量烃组分的FID，例如C2H2，C2H4，C2H6，C3H8，C3H6，C3H4，CH4。
2.5.热电偶测量
为了检验所提出的技术的干涉测量结果的可靠性，还通过由Pt-10％Rh线焊接的Pt线组成的微热电偶探针逐点测量温度分布。焊接接头是直径约0.08-0.1mm的球形焊道。尽管导线未涂覆，但探针在数小时内仍未受催化效应的影响。热电偶信号由模数转换器（ADC），放大器，数据扫描电路和基于80286的计算机进行处理和平均。通过在0.7s的采样时间（即140s的总积分时间）上平均200个信号来获得每个数据点，以确保可靠性。由于该热电偶的热惯性特征时间常数（约10 ms）远小于信号采样时间（0.7 s）;时间反应可以合理地被忽视。
3结果
3.1相移全息图
图7（a），（b）和（c）分别显示了对应于120°，240°，360°相移且具有轻微强度变化的测试火焰的三个步移全息图。在火焰的中心区域，条纹非常宽且不明显，使得难以通过使用传统全息干涉测量法的插值来精确地确定相位分布。根据阶段评估程序：
(12)
因此，条纹图案的强度分布可以转换成相位分布图（mod2pi;），如图8所示，其中每个条纹现在由2pi;相表示
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