清華大學(xué)聯(lián)手北京安洲科技有限公司，利用其美國SOC710高光譜成像裝置進(jìn)行乙烯火焰測(cè)量和研究。乙烯層流擴(kuò)散火焰是通過一套同流層流擴(kuò)散火焰燃燒器產(chǎn)生的。火焰的輻射圖像通過一套高光譜成像設(shè)備(型號(hào)：SOC710VP)拍攝。圖(a)給出了由一套同流擴(kuò)散火焰燃燒器、一臺(tái)高光譜成像設(shè)備和一臺(tái)筆記本計(jì)算機(jī)組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。圖(b)是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的照片。
(a) 原理圖 (b) 照片
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖和照片
對(duì)于軸對(duì)稱的乙烯層流擴(kuò)散火焰，火焰的成像機(jī)理如下圖所示：
圖2 火焰斷面網(wǎng)格劃分和成像機(jī)理
圖中路徑l的成像方程可以表示為：
(1)
式中，к表示吸收系數(shù)，Δlj,i表示路徑j(luò)關(guān)于網(wǎng)格i的積分路徑，H是局部光譜輻射源項(xiàng)。采用如下圖所示的迭代過程計(jì)算火焰溫度和煙黑顆粒吸收系數(shù)和體積分?jǐn)?shù)分布：
圖3 迭代流程圖
本實(shí)驗(yàn)研究針對(duì)三種不同氣氛，即空氣、富氧空氣、氧氣/二氧化碳富氧空氣，共十個(gè)工況的火焰進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如下：
1) 空氣工況
表1 空氣工況設(shè)定
針對(duì)以上四種工況分別截取了半邊乙烯層流火焰圖像，并計(jì)算了火焰溫度、煙黑顆粒體積分?jǐn)?shù)和吸收系數(shù)。
工況1
工況2
工況3
工況4
2)空氣/氧氣工況
表2 空氣/氧氣富氧工況設(shè)定
工況5
工況6
工況7
3)氧氣/二氧化碳工況
表3 氧氣/二氧化碳富氧工況設(shè)定
工況8
工況9
工況10
主要結(jié)論：
1)煙灰體積分?jǐn)?shù)的峰值位于溫度峰值位置的內(nèi)部，表明煙灰形成是由不完全燃燒反應(yīng)引起的。
2)在空氣工作條件下，最高溫度位于火焰邊緣和火焰根附近的區(qū)域。乙烯流量的減少將導(dǎo)致煙灰體積分?jǐn)?shù)降低。
3)在富氧空氣的工作條件下，火焰的頂部為火山狀，火焰邊緣附近的火焰根部附近區(qū)域和火焰根部的上部分別有兩個(gè)溫度峰。前者來自燃燒器特性，后者歸因于氧化劑特性。較高的氧含量將產(chǎn)生較高的溫度峰值，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較低的煙灰體積分?jǐn)?shù)峰值。
