0 引言
通常情况下,为减少测量误差,在使用热电偶进行火焰温度场测量时需要进行热平衡修正。特别是在炭烟火焰温度测量中,当热电偶介入火焰时,炭烟颗粒将沉积在偶头,改变了热电偶发射率。同时,随着热电偶在火焰中停留时间的增加,不断沉积的炭烟使得偶头直径增大,从而导致热电偶辐射损失增加,会增大测量温度值与实际值之间的偏差。为此,在热电偶粒子密度测定法（thermocouple particle densitometry, TPD）[9]中,MCENALLY等[10]给出了炭烟火焰热电偶温度测量详细修正方法,可以实现炭烟火焰温度的准确测量。然而,现有基于TPD法的炭烟火焰温度测量仍然是单点测量,对火焰温度场分布数据采集效率低的问题不能有效解决。
本文提出将热电偶扫描测温系统应用于炭烟火焰温度场测量,并结合TPD方法中热电偶辐射损失修正方法,以平面炭烟火焰为对象,进行测量方法可行性与准确性的验证,期望实现炭烟火焰温度场的快速测量目的。同时,基于所开发的测量方法,考察了燃料当量比和预混气流速两个主要因素对乙烯/空气平面炭烟火焰温度场分布的影响。
1 实验系统
1.1 实验装置及火焰工况
实验装置包括McKenna平面火焰燃烧器、供气和热电偶扫描测温三个子系统,如图1。McKenna燃烧器中心出口为烧结多孔板,直径60 mm,中心多孔板被金属环隔开,外侧是一个宽度为5 mm的圆环烧结多孔板,用于提供保护气流。在离燃烧器出口高HAB = 24.5 mm位置布置有一块直径60 mm、厚度5 mm的不锈钢圆板,用来稳定炭烟火焰。如图所示,HAB为高度方向距离燃烧器出口平面的距离。供气子系统中分别采用气体质量流量计控制乙烯、空气以及伴流氮气的流量,所有流量计均经过湿式流量计标定,流量计误差在0.1%以内。乙烯和空气经过管路混合后在McKenna燃烧器上形成平面炭烟火焰,实验测量了富燃料炭烟火焰在不同当量比和预混气流速下的温度分布特征,具体火焰工况如表1所示。
Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup图1 实验系统简图 |
Table 1 Cases of C2H4/air flat flames表1 实验火焰工况 |
| 工况 | 燃料当量比 Φ | 混合气流速 Umix / (m/s) | 流量Q / (L/min) | |
|---|---|---|---|---|
| C2H4 | 空气 | |||
| 火焰 1 | 2.20 | 0.07 | 1.59 | 10.29 |
| 火焰 2 | 2.25 | 0.07 | 1.62 | 10.26 |
| 火焰 3 | 2.30 | 0.07 | 1.65 | 10.23 |
| 火焰 4 | 2.35 | 0.07 | 1.68 | 10.20 |
| 火焰 5 | 2.40 | 0.05 | 1.22 | 7.26 |
| 火焰 6 | 2.40 | 0.06 | 1.46 | 8.71 |
| 火焰 7 | 2.40 | 0.07 | 1.71 | 10.17 |
| 火焰 8 | 2.50 | 0.05 | 1.26 | 7.22 |
| 火焰 9 | 2.50 | 0.06 | 1.52 | 8.66 |
| 火焰 10 | 2.50 | 0.07 | 1.77 | 10.11 |
| 火焰 11 | 2.60 | 0.05 | 1.31 | 7.18 |
| 火焰 12 | 2.60 | 0.06 | 1.57 | 8.60 |
| 火焰 13 | 2.60 | 0.07 | 1.83 | 10.05 |
1.2 热电偶扫描子系统
热电偶扫描子系统包括R型热电偶、热电偶支架、自动往复移动机构和高速数据采集仪。R型热电偶型号为OMEGA公司（美国）P13R-005,正极为13%铑/87%铂合金材料,负极为100%的纯铂金属,短期使用最高测量温度可达1 600℃。热电偶的偶头直径为0.373 mm,偶丝直径为0.125 mm,如图2电镜照片所示。热电偶布置在一个“U”形支架上,该支架直接固定在一个可调整高度的电机驱动往复移动自动装置上,使得热电偶扫描移动时实现空间位置在高度和水平方向可控调节。高度位置由千分尺手动调整,精度为0.01 mm。水平方向分辨率精度由电机驱动速度与数据采集频率共同确定,设定一定移动速度后,热电偶便可在火焰中均匀移动,实现火焰温度场的二维测量。实验中热电偶匀速移动速度为3 mm/s,在该速度下热电偶测量数据响应误差可忽略[8]。热电偶测量数据由高速数据采集器收集,实验中设置的数据采集间隔时间为10 ms,因此,水平方向上空间分辨率为0.03 mm。
Fig. 2 SEM photograph of R-type thermocouple图2 R型热电偶扫描电镜照片 |
需要注意的是,由于测量对象是炭烟火焰,在热电偶扫过火焰时,炭烟颗粒会不断附着在热电偶上,因此,在每完成一次水平高度扫描测量后,通过调节平面火焰燃料/空气配比得到的无炭烟高温火焰进行热电偶上沉积炭烟的氧化清除,待热电偶上的炭烟完全消除并冷却后,再进行下一高度位置的炭烟火焰温度数据采集。为减小测量误差,实验中每个高度位置温度数据均扫描3遍,然后取平均值作为最终测量结果。
2 热电偶测温修正
2.1 炭烟火焰的热电偶测温特性
Fig. 3 Temperature curve measured by thermocouple in C2H4/air flat soot flames (at HAB = 14.5 mm with Φ = 2.3 and Umix = 0.07 m/s)图3 平面炭烟火焰中热电偶测量温度特性 |
第一阶段为瞬态响应阶段（t = 0 ~ 0.15 s）,其中t = 0 s时刻为热电偶偶头达到预定测量位置的时间点,偶头从常温环境移动到高温炭烟火焰边缘,受非热平衡效应影响,其表面温度Tj随时间不断升高,内置的局部放大图更清晰地显示了这一瞬态升温过程。
第二阶段为发射率变化阶段（t = 0.15 ~ 4 s）,这一阶段炭烟颗粒由开始附着到完全包裹住偶头,其发射率由洁净铂铑合金材料的0.2逐渐增大至炭烟的0.95[10],但这一时间内的炭烟沉积对偶头直径无影响。由于发射率增大导致辐射热损失迅速增加,该段时间内偶头温度快速下降,表明偶头发射率是影响节点温度值的主要因素。
第三阶段是偶头直径变化阶段（t > 4 s）,这一阶段内偶头发射率保持0.95不变,炭烟的持续沉积导致偶头直径dj增大。在图3中显示为这一阶段温度下降速度的变缓,表明偶头表面积增大所导致的辐射损失增加相对缓慢。
2.2 温度测量修正方法
为准确测量炭烟火焰温度,需要根据上述热电偶在炭烟火焰中经历的不同阶段进行热平衡修正处理。首先,需要考虑贵金属热电偶的催化放热效应,由于实验火焰内部的炭烟区域中活性自由基浓度较低,同时,炭烟的沉积逐渐覆盖裸露的热电偶,因此,热电偶的催化效应可忽略不计。其次,需要考虑偶丝与偶头之间导热的影响,在热电偶扫描测量实验中,热电偶偶丝被拉直固定在U型水平支架上,偶丝导线长度与偶头结点直径之比大于300,偶头在轴截面上沿径向移动,两侧导线呈水平对称布置使得导线温度与偶头温差较小,从而在测量中产生的导热传热误差也很小,小于5 K。因此,测量中因偶头热辐射损失修正是本文主要考虑的问题。
${{\varepsilon }_{\text{j}}}\sigma {{T}_{\text{j}}}^{4}=\frac{{{k}_{\text{g}0}}N{{u}_{\text{j}}}}{2{{d}_{\text{j}}}}\left( {{T}_{\text{g}}}^{2}-T_{\text{j}}^{\text{2}} \right)$ (1)
其中：εj为偶头表面发射率;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数;Nuj为偶头结点处努赛尔特征数;dj为偶头直径;Tg为真实火焰温度;Tj为热电偶测量的温度;kg0 = kg/Tg,kg是气体的导热系数,此处假设kg与Tg呈线性关系,因此kg0为常数。
$\begin{align} & Nu=2+\frac{1}{2}Pe+\frac{1}{4}P{{e}^{2}}\ln Pe+0.03404P{{e}^{2}}+ \\ & \frac{1}{16}P{{e}^{3}}\ln Pe+\ldots \end{align}$ (2)
其中：Pe为热电偶偶头的普朗克特征数。随后根据公式（1）便可完成发射率变化阶段的温度测量误差修正。
在第三阶段偶头直径变化中,偶头发射率不变 εj = 0.95[14]。由于偶头直径的增大引起的辐射换热变化导致了测量温度值的下降,将公式（1）中左右两部分同时对时间t求导,便可得到偶头直径的变化速率与测量温度的变化速率的关系：
$\frac{\text{d}{{d}_{\text{j}}}}{\text{d}t}=\frac{{{k}_{\text{g0}}}N{{u}_{\text{j}}}}{{{\varepsilon }_{\text{j}}}\sigma }\times \left( T_{\text{j}}^{-3}-2T_{\text{g}}^{\text{2}}T_{\text{j}}^{-5} \right)\frac{\text{d}{{T}_{\text{j}}}}{\text{d}t}$ (3)
Fig. 4 R-type thermocouple coated by soot particles图4 被炭烟包裹的R型热电偶 |
2.3 温度测量修正结果
如图5所示,分别以火焰3、7、10和13工况的测量实验数据为例,将经过热辐射修正的温度曲线与原始温度曲线分析对比,图中均选择距燃烧器出口高度HAB = 14.5 mm平面内的测量数据。固定预混气体出口流速Umix = 0.07 m/s,在当量比Φ = 2.3时,修正后的火焰温度分布在1 485 ~ 1 675 K,测量误差修正值大约为200 ~ 230 K;Φ = 2.4时,修正后的火焰温度分布在1 520 ~ 1 700 K,修正偏差约为210 ~ 240 K;Φ = 2.5时,修正后的火焰温度分布在1 490 ~ 1 680 K,由修正偏差大约为200 ~ 225 K;Φ = 2.6,修正后的火焰温度分布在1 440 ~ 1 670 K,修正偏差大约为200 ~ 230 K。由此可以推断,在实验条件下的乙烯/空气平面炭烟火焰中,火焰温度为1 450 ~ 1 700 K时,其测量过程中由于炭烟颗粒沉积带来的测量偏差大约为200 ~ 240 K。
Fig. 5 Corrected and uncorrected temperature measured by thermocouple in soot flames图5 热电偶测量炭烟火焰的原始温度与修正温度 |
2.4 与文献测量结果的对比
Fig. 6 Comparisons of measured temperature by different methods图6 不同测量方法的温度测量结果对比 |
此外,也与CHOI[16]使用三波长光学探针测量技术测量的乙烯/空气预混火焰温度、HARRIS等[17]使用热电偶测量的乙烯/空气炭烟火焰进行了比较。在Φ = 2.3和固定Umix = 0.07 m/s时,乙烯/空气炭烟火焰使用不同测量方法所得到的温度分别为：使用本文方法测量温度为1 587 K,双色调制吸收/发射技术测量温度为1 580 K[15],三波长光学探针方法测量温度为1 610 K[16],HARRIS等使用热电偶测量温度为1 603 K[17],表明不同的测量方法测得的炭烟火焰温度十分接近。同等火焰对象中前人的研究表明,当平面炭烟火焰温度在1 500 K左右时,修正后的热电偶测量误差大约为60 K[11]。
3 平面炭烟火焰温度场测量
3.1 火焰中心区域温度特性
如图7a,当预混气出口流速固定Umix = 0.07 m/s时,当量比Φ由2.2变化至2.6时,乙烯/空气平面炭烟火焰中心轴线上温度随高度变化特征为先上升后下降。在距离燃烧器出口HAB = 0 ~ 7 mm高度内,火焰温度随着轴向高度增加迅速上升,由500 K升高至1 800 K。该高度范围靠近燃烧器出口,火焰中炭烟浓度低。在HAB > 7 mm后,火焰中炭烟浓度显著增加,火焰温度随着HAB增加而下降,温度分布由1 800 K降至1 100 K左右。在HAB = 7 ~ 24 mm范围内,当预混气体出口流速保持不变时,炭烟火焰温度随当量比的增大而下降。
Fig. 7 (a) Temperature distribution along axial direction under different equivalence ratios; (b) temperature distribution along radial direction under different equivalence ratios at HAB = 14.5 mm; (c) temperature distribution along radial direction under different mixture velocities at HAB = 14.5 mm图7 （a）不同当量比条件下火焰轴线上温度分布;（b）HAB = 14.5 mm处不同当量比条件下火焰沿半径方向的温度分布;（c）HAB = 14.5 mm处不同出口流速时火焰沿半径方向的温度分布 |
不同当量比条件下火焰温度沿半径方向的变化如图7b。从总体分布趋势来看,温度沿半径方向的径向分布并不是完全“平坦”,火焰中心位置处温度最低,随着半径的增大,温度也缓慢升高,该温度变化趋势与MIGLIORINI等[18]的实验结果一致。此外,当预混气体出口流速不变时,随当量比增加,整体温度下降,与图6结果一致。图7c为流速对径向的温度分布的影响,整体上也是火焰温度沿半径方向逐渐增大。由于火焰整体是富燃料工况,在平面炭烟火焰径向边缘会与周围空气形成二次火焰,该边缘区域温度值高于火焰中心温度,从而形成温度梯度。而在0.05 m/s流速下,火焰边缘半径小,因此边缘高温区位置相应靠近中心,且在HAB = 14.5 mm位置火焰中心温度也低,导致径向温度梯度增加。
3.2 火焰边缘温度波动特性
在热电偶扫描测量各工况炭烟火焰温度的过程中,当热电偶偶头缓慢介入火焰内部时,火焰温度会经过一个明显的振荡波动过程,如图8a。温度第一次达到峰值后下降,再上升完成响应后,各流速下温度的分布规律保持一致。因此,边缘位置处的温度波动并不影响炭烟火焰中心区域的测量结果。图8b为炭烟火焰边缘温度变化放大图,当燃烧器出口预混气流速保持一定时,当量比由2.2增大至2.6,测得火焰边缘温度波动随着当量比的增加而减小。当量比2.2时振荡非常明显,覆盖温度范围从室温到火焰温度,高当量比时,振荡行为明显减弱,且振荡区域在1 000 K到火焰温度。其主要原因可能是火焰边缘处空气与炭烟火焰不完全燃烧产物反应形成二次火焰受空气的浮力影响导致的。由于没有采用环绕同轴射流空气,环境空气条件下的自然对流不稳定性导致局部火焰振荡,具体特性还需要后续进一步的火焰结构成像诊断来阐述。
Fig. 8 Raw temperature data measured by thermocouple under different equivalence ratios at HAB = 14.5 mm: (a) temperature fluctuation characteristics in the outside edges of soot flat flames; (b) local fluctuating temperature图8 HAB = 14.5 mm处热电偶测量的不同当量比时火焰的原始温度：（a）平面炭烟火焰边缘处的温度振荡特性;（b）局部温度振荡 |
类似地,图9展示不同流速下的火焰边缘温度也存在温度振荡特征。当量比保持为2.4时,流速由0.05 m/s增大至0.07 m/s,火焰边缘的温度波动则随着流速的增大而减小。
Fig. 9 Raw temperature data measured by thermocouple under different premixed gas velocities at HAB = 14.5 mm: (a) flame temperature fluctuation characteristics; (b) local fluctuating temperature图9 HAB = 14.5 mm处热电偶测量的不同流速火焰的原始温度：（a）火焰的温度振荡特性;（b）局部温度振荡 |
4 结论
提出一种利用热电偶扫描进行炭烟火焰温度测量的方法,在对测量获得温度数据进行热辐射损失修正基础上,开展了常压下当量比Φ = 2.2 ~ 2.6和燃烧器出口流速Umix = 0.05 ~ 0.07 m/s时McKenna燃烧器形成的乙烯/空气平面炭烟火焰温度场的测量。获得如下结论：
（2）实验条件下,平面炭烟火焰温度在轴线方向上先升高后降低,炭烟在温度峰值区域开始形成。径向方向温度随半径增大而略微升高。随当量比增大,火焰温度降低,随出口流速增加,火焰温度升高。
（3）平面炭烟火焰外围火焰区温度存在明显的振荡特性,但对火焰中心区域温度影响很小。在实验工况范围内,随当量比增加和预混气流速增大,振荡减弱。
（4）实验验证了采用热电偶扫描进行炭烟火焰温度快速测量的可行性与准确性,该方法具有较好的应用前景。