發(fā)布時間：所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 為研究燃氣輪機燃燒室壁面溫度與火焰燃燒的關(guān)系，實驗研究了模型燃燒室壁面溫度發(fā)生改變前后火焰的燃燒特性。采用磷光測溫技術(shù)對壁面溫度進行測量，利用輻射層析技術(shù)結(jié)合雙色測溫法對火焰的三維結(jié)構(gòu)及溫度場進行了重建。實驗時壁面溫度在 200 ℃附近，火焰的溫
摘 要: 為研究燃氣輪機燃燒室壁面溫度與火焰燃燒的關(guān)系，實驗研究了模型燃燒室壁面溫度發(fā)生改變前后火焰的燃燒特性。采用磷光測溫技術(shù)對壁面溫度進行測量，利用輻射層析技術(shù)結(jié)合雙色測溫法對火焰的三維結(jié)構(gòu)及溫度場進行了重建。實驗時壁面溫度在 200 ℃附近，火焰的溫度范圍是 1 500 ～ 2 000 K。實驗結(jié)果表明: 當(dāng)氣流沖擊壁面時，壁面溫度發(fā)生局部變化，導(dǎo)致火焰與壁面的換熱條件改變，會直接影響火焰結(jié)構(gòu)及溫度分布，火焰會趨向于壁面溫度降低的部分發(fā)展。
關(guān) 鍵 詞: 磷光測溫; 燃燒診斷; 層析成像; 非接觸測量
引 言
航空發(fā)動機運行過程中，燃燒室壁面溫度對發(fā)動機的工作效率和穩(wěn)定性有重要影響，運行時不僅壁面溫度分布不均會影響燃燒效率，各部件的熱脹量不同也會引發(fā)振動等不良工況。因此，壁面溫度及其散熱條件對燃燒的影響是研發(fā)人員非常感興趣的問題[1 ～ 4]。燃氣發(fā)動機內(nèi)部運行環(huán)境非常復(fù)雜，具有高溫、高壓、強振動的特點，如熱電偶[5]這樣的傳統(tǒng)的測溫方法，由于其接觸式測量的特點以及需要布線，不適合復(fù)雜環(huán)境的測量。紅外熱像技術(shù)[6]雖然具有非接觸的特點，但對目標(biāo)表面的灰體發(fā)射系數(shù)有精確要求，而發(fā)射系數(shù)會受到波長、測量角度、表面性質(zhì)等參數(shù)的影響，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件或者有環(huán)境光干擾的測量環(huán)境，此種方法有一定的局限性。
磷光熱成像測溫技術(shù)( Thermographic Phosphor， TP) ，簡稱磷光測溫，通常是指利用摻雜過渡元素離子的陶瓷材料進行溫度測量。由于磷光的發(fā)光特性與其所處的溫度環(huán)境息息相關(guān)，因此可以用于對溫度進行非接觸式測量，且表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的性能[7 ～ 12]。根據(jù)響應(yīng)信號的不同，磷光熱成像測溫技術(shù)也有多種方法，目前應(yīng)用最為廣泛的是壽命衰減法[13]和強度比法[14]。其中，壽命衰減法利用磷光發(fā)射強度衰減曲線隨溫度變化的特性實現(xiàn)測溫的目的，具有更高的精度。
早期的磷光測溫多使用光電倍增管( Photo Multiplier Tube，PMT) 來探測磷光信號，但是光電倍增管只能獲得零維的測量信號，需要采用多點掃描測量的方式來獲得溫度分布信息[15]，空間分辨率不高。近年來，隨著高速相機技術(shù)的發(fā)展和進步，研究者逐漸開始大規(guī)模采用高速相機來獲取溫度分布信息[16]，且測量精度也在不斷提高。磷光測溫技術(shù)結(jié)合激光多普勒測速[17]和粒子圖像測速( Particle Image Velocity，PIV) [18]等先進測量技術(shù)，可以實現(xiàn)氣液兩相流動中溫度和速度的同步測量。
相關(guān)知識推薦：熱能工程師在哪些期刊發(fā)表職稱論文
本研究對磷光材料的光學(xué)性質(zhì)進行了分析，并將磷光熱成像測溫技術(shù)應(yīng)用到模型燃燒室的壁面溫度二維測量。同時，使用三維層析成像技術(shù)對火焰結(jié)構(gòu)進行了重建和分析。在對壁面進行氣流沖擊的條件下，模擬壁面換熱條件改變時的燃燒室環(huán)境，測量了壁面二維溫度的變化，并使用雙色測溫技術(shù)對內(nèi)部火焰等溫面進行了重建，分析了其變化趨勢。
1 實驗原理
1. 1 磷光熱成像測溫
不同的磷光材料在不同測溫范圍內(nèi)的效果也有所不同[19 ～ 23]，實驗中采用的磷光材料為Mg3F2GeO4 : Mn，簡稱 MFG。這種材料測溫范圍廣，覆蓋了從室溫到 1 000 K的測溫范圍; 靈敏度高，衰減時間隨溫度變化非常顯著，這對測溫精度的提高非常重要; 發(fā)光強度高，因為摻雜 Mn 元素，發(fā)射率較高，對激光反應(yīng)敏感，激發(fā)的信號信噪比高[24]。
2 實驗設(shè)置
2. 1 模型燃燒室
圖 1 為模型燃燒室的實物圖，底部為獨立分層旋流 燃 燒 器，包括內(nèi)旋流器和外旋流器，流 量 為 1 L /min的燃料 CH4通入內(nèi)旋流器，流量為 50 L /min 的空氣通入外旋流器，燃燒當(dāng)量比為 0. 19。在燃燒器的凹槽內(nèi)插入上端開口的石英管，該石英管高度為 300 mm，內(nèi)徑為 51 mm，外徑為 55 mm。在石英管的一側(cè)預(yù)先噴涂了黑色的納米陶瓷耐高溫涂料，該涂料可以避免火焰在石英管內(nèi)壁形成反光，同時還可以防止磷光透過石英管干擾火焰的成像，這些干擾可能影響火焰的重建。
2. 2 磷光光譜測量
使用 Q-switched Nd: YAG 脈沖激光器( Quantel， Qsmart-Twins 850) 對磷光材料進行激發(fā)，激光器的重復(fù)頻率為 10 Hz，波長為 266 nm，能量為 90 mJ。使用光譜儀( HR4000) 對激發(fā)光的光譜進行了測量，測量結(jié)果如圖 2 所示。光譜在 650 nm 附近出現(xiàn)了明顯的波峰，因此可以用中心波長為 650 nm，半高峰寬 25 nm 的帶通濾光片來過濾該波峰處的其他雜光。
2. 3 磷光衰減時間的標(biāo)定
標(biāo)定的過程在一臺背面嵌有 K 型熱電偶的加熱臺上進行，將加熱臺的溫度在 150 ～ 450 ℃范圍內(nèi)逐漸 升 高。等待溫度達到穩(wěn)定，同 時 保 持 周 圍環(huán)境無氣流等干擾因素。激發(fā)光的信號由 CMOS 高速相機( Photron FASTCAM Mini AX100) 進行收集，信號發(fā)生器( DG645) 發(fā)出同步信號控制激光脈沖和相機快門。相機光圈為 f 2. 8，曝光時間 1 /4 000 s，焦距為 55 mm，逐次調(diào)整激光脈沖與相機快門之間的延遲時間，對每個延遲時間下的發(fā)光強度進行 20 次重復(fù)拍攝，就可以得到磷光強度的完整衰減曲線。
對各個溫度下的磷光信號強度分別進行平均和歸一化，并根據(jù)式( 1) 對磷光的衰減常數(shù) τ 進行計算。對衰減時間常數(shù)與溫度的關(guān)系進行多項式擬合，得到如圖 3 所示的曲線。
2. 4 火焰溫度場測溫
如圖 4 所示，由信號發(fā)生器對相機 1 的快門和激光器脈沖進行控制，實現(xiàn)對壁面的溫度測量。相機 1 的快門速度為 1 /3 000 s，焦距為 55 mm，光圈為 f 2. 8。在另一側(cè) 180°的范圍內(nèi)均勻布置了 6 枚定焦鏡 頭，用于采集火焰的發(fā)光信號，鏡 頭 焦 距 為 50 mm，光圈為 f 2. 8。每一枚鏡頭的信號會經(jīng)由 5. 2 mm × 5. 2 mm，分辨率 355 × 420 的光纖束傳導(dǎo)匯總至分光鏡，相機 2 和相機 3 前分別安裝了中心波長為 425 nm 和 715 nm 的帶通濾波片，用于采集不同波長的火焰信號。
3 結(jié)果與分析
使用標(biāo)定獲得的數(shù)據(jù)對平板表面的溫度進行了測量，并將測量結(jié)果與熱電偶進行對比，溫度的測量誤差為 ± 5 ℃。圖 5 顯示了模型燃燒室外表面距離燃燒室出口 4. 5 cm 高度處 1. 78 cm2 面積內(nèi)的平均溫度從點火開始至溫度穩(wěn)定階段的變化曲線，其測量間隔為 0. 1 s，在 10 s 內(nèi)對模型燃燒室表面溫度進行了連續(xù)測量。可以看到自點火開始，壁面溫度在 2 ～ 10 s 內(nèi)迅速從室溫 25 ℃ 升高至 200 ℃，升溫速率達到了 21 ℃ / s，并且在此后趨于穩(wěn)定。這說明 10 s 后石英管壁面與火焰的換熱已經(jīng)達到動態(tài)平衡，火焰的燃燒處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖 6( a) 為模型燃燒室外表面的二維溫度分布。可以看到，在測量區(qū)域內(nèi)溫度近似為均勻分布，約為 204 ℃。為了探究火焰三維結(jié)構(gòu)與壁面溫度之間的關(guān)系，在火焰達到穩(wěn)定之后，使用壓力為 172 kPa 的氣泵持續(xù)對外壁噴射氣流。等待壁面溫度重新達到穩(wěn)定工況后，對壁面以及火焰的溫度再次進行測量。圖 6( b) 為氣流沖擊模型燃燒室外表面的工況下的表面溫度的變化。可以看到，在氣流沖擊壁面的情況下，以氣流沖擊點為中心，出現(xiàn)了局部低溫區(qū)域，比穩(wěn)定工況下的壁面溫度下降了 8 ～ 10 ℃。
圖 7( a) 為沒有氣流冷卻和有氣流冷卻時測得的火焰三維溫度分布，內(nèi)外的兩層分別代表 1 500 K 和 2 000 K 的等溫面。X、Y、Z 坐標(biāo)軸對應(yīng)空間中的前后、左右和上下 3 個方向。火焰的最高溫度在 2 000 K左右，遠高于壁面溫度，這是由于燃燒室內(nèi)的空氣吸收了大部分熱量。火焰整體呈錐形，只有火焰的根部與壁面接觸緊密。因此，壁面對火焰的影響也主要發(fā)生在根部位置。
火焰的右下角出現(xiàn)了不同程度的不對稱凸起，這是由于石英管外壁噴涂了涂料，導(dǎo)致該處區(qū)域的熱阻與其他地方不同，改變了局部邊界條件。由圖 7( b) 可知，相比于穩(wěn)定燃燒的工況，氣流冷卻條件下火焰右下角凸起更加明顯，而火焰的其他部分沒有出現(xiàn)明顯的變化。這是因為氣流沖擊帶走了部分壁面熱量，從而降低了壁面溫度，進一步增大了局部邊界條件之間的差異，改變了火焰與壁面的換熱。火焰更加向該區(qū)域傾斜，使得火焰變得更加不對稱。
圖 8 通過對火焰進行動力學(xué)模態(tài)分解，選取了能量最高的 6 組模態(tài)進行分析，圖 8( a) 、( c) 是模態(tài)能量的分布，圖 8( b) 、( d) 是每個模態(tài)對應(yīng)的增長率。其中圓點的大小代表能量的大小，頻率正數(shù)代表增長的趨勢，負數(shù)代表減弱的趨勢，0 代表穩(wěn)定。對比氣流沖擊壁面前后的模態(tài)可以看出，壁面溫度改變后，火焰的震蕩頻率增大，火焰模態(tài)的能量減小，這說明氣流對壁面的冷卻使得火焰燃燒變得更加不穩(wěn)定。
4 結(jié) 論
為了探究燃燒過程中燃燒室壁面溫度與火焰的關(guān)系，將磷光測溫技術(shù)與層析成像雙色測溫技術(shù)相結(jié)合，對模型燃燒室外表面點火后的溫度變化及受到氣流沖擊時的溫度變化進行了測量，同時，對模型燃燒室內(nèi)火焰的溫度分布進行了重建。實驗結(jié)果顯示:
( 1) 磷光測溫技術(shù)可以很好地對燃燒室壁面溫度進行非接觸測量，具有良好的時間和空間分辨率，旋流火焰在燃燒參數(shù)穩(wěn)定的條件下，火焰根部與燃燒室壁面換熱充分，壁面溫度分布均勻。
( 2) 在燃燒室壁面受到氣流沖擊時，壁面與火焰的換熱條件發(fā)生改變，會對火焰溫度分布的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，即使是小范圍內(nèi)的溫度變化，火焰的結(jié)構(gòu)也會隨之發(fā)生變化，使燃燒變得不穩(wěn)定。——論文作者：孫 彬1 ，韓 嘯2，3 ，蔡偉偉1 ，張 弛2，3
參考文獻:
[1] AHMED U，CHAKRABORTY N，KLEIN M. Scalar gradient and strain rate statistics in oblique premixed flame – wall interaction within turbulent channel flows[J]. Flow，Turbulence and Combustion，2021，106( 2) : 701 - 732.
[2] SANTOS MD，DIAS S，GONSALVES A P，et al. Thermoelectric power generation from biogas + H2 flames: influence of flame-wall interaction[J]. Experimental Thermal and Fluid Science ( EXP THERM FLUID SCI) ，2021，126: 110350.
[3] ARNDT C，NAU P，MEIER W. Characterization of wall temperature distributions in a gas turbine model combustor measured by 2D phosphor thermometry[C]/ /Proceedings of the Combustion Institute，2021: 1867 - 1875.
[4] 周 娜，熊元建，戴 斌，等. 固壁溫度對換熱系數(shù)計算影響的分析研究[J]. 東方汽輪機，2018，( 2) : 23 - 28. ZHOU Na，XIONG Yuan-jian，DAI Bin，et al. Effect of solid wall temperature on calculation of heat transfer coefficient[J]. Dangfang Turbine，2018，( 2) : 23 - 28.
[5] 陳 浩，鄧忠華，余紅梅. 熱電偶測溫系統(tǒng)原理及應(yīng)用[J]. 制造業(yè)自動化，2004，26( 9) : 68 - 71. CHEN Hao，DENG Zhong-hua，YU Hong-mei. Principle and application of thermocouple temperature measurement system[J]. Manufacturing Automation，2004，26( 9) : 68 - 71.
[6] 孫曉剛，李云紅. 紅外熱像儀測溫技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 激光與紅外，2008，38( 2) : 101 - 104. SUN Xiao-gang，LI Yun-hong. Review of the development of temperature measurement technology with infrared thermal imager[J]. Laser & Infrared，2008，38( 2) : 101 - 104.
[7] KOPF A，BADRI M，KOHLER E，et al. Survivability of the thermographic phosphors YAG: Pr and SMP: Sn in a premixed flame[J]. Measurement Science and Technology，2021，32( 7) : 074001.