基于OH PLIF激发线温度依赖性的空间分辨火焰锋面标记方法

《International Journal of Hydrogen Energy》：Spatially resolved flame front marker using the temperature dependence of OH PLIF excitation lines

　　

火焰锋面识别通常依赖于化学发光或平面激光诱导荧光（planar laser-induced fluorescence, PLIF）诊断技术。然而，现有方法往往受到视线积分、低信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）或对氢火焰适用性有限等问题的制约。本研究提出了一种基于OH PLIF的新型方法，该方法通过从两条具有不同温度依赖性的激发线获得的荧光信号进行相减，从而实现火焰锋面的分离。该方法使用LIFSIM结合一维自由传播火焰模拟进行验证，并在层流预混H₂-空气本生火焰中进行了实验验证。所得火焰锋面标记呈现出明确定义的峰值，平均位于热释放率（heat release rate, HRR）峰值0.56倍火焰厚度处，平均宽度为HRR宽度的1.57倍。这些数值与OH*化学发光和OH PLIF梯度获得的结果相当，同时提供了显著更高的SNR和空间分辨率。除了引入一种适用于氢火焰的新型火焰锋面标记外，本工作还对基于OH的HRR标记进行了数值和实验评估，评价其在氢火焰诊断中的性能。

本研究旨在解决氢（H₂）火焰诊断中的关键挑战。当前全球能源生产与消费仍高度依赖化石燃料燃烧，向碳中性燃料转型势在必行。氢因其高能量密度、宽可燃极限及无碳排放特性而成为理想替代燃料。然而，氢火焰具有更高的火焰传播速度和扩散系数，以及增强的自燃倾向，导致回火风险和热声不稳定性增加。精确获取火焰锋面行为及其热释放率（HRR）信息对于理解这些现象、设计稳定高效的氢燃烧系统至关重要。氢火焰不含碳的特性使得传统基于碳物种的诊断方法失效，现有OH*化学发光技术存在视线积分导致的低空间分辨率局限，而OH PLIF梯度方法则受限于低信噪比和空间非均匀性。为此，研究人员开发了一种基于OH PLIF的新型空间分辨火焰锋面标记方法，通过在两种具有不同温度依赖性的激发线之间进行荧光信号相减来提取火焰锋面，该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

本研究采用的关键技术方法包括：数值模拟方面，使用CANTERA结合GRI-3.0反应机理和Kathrotia等人的OH*反应机理进行一维自由传播预混H₂-空气层流火焰模拟，采用多组分输运模型并考虑索雷特效应；利用LIFSIM软件计算OH A-X(1,0)带荧光激发光谱，通过OH数密度加权分析确定温度依赖性最大和最小的激发线对；实验方面，在4 mm内径本生燃烧器上建立预混H₂-空气层流火焰，使用Nd:YAG泵浦的可调谐染料激光器产生282-284 nm范围的激光，经片光整形后形成56.3 mm×167 μm的激光片，采用增强型CMOS相机配合320 nm中心波长的窄带带通滤波器捕获荧光信号，对16种当量比（?=0.50-1.30）条件下的火焰进行测量，并结合Abel反演处理OH*化学发光图像。

研究结果部分如下：

**激发线的温度依赖性分析**：通过LIFSIM模拟获得了1100-2400 K范围内OH A²Σ⁺-X²Π(1,0)带的荧光激发光谱。分析发现，Q₁(4)线在1100 K至2400 K范围内强度降低52%，而Q₁(8)线仅降低13%，表现出最弱的温度依赖性。经OH数密度加权分析，在?=0.55-1.30范围内Q₁(8)为温度依赖性最小的激发线，Q₁(4)在?=0.75-1.30范围内为温度依赖性最大的激发线。最终选定283.636 nm处的Q₁(8)和282.522 nm处的Q₁(4)作为激发线对。

**标记方法的数值验证**：将一维火焰模拟与LIFSIM耦合，计算了两种激发线在不同温度和OH数密度下的荧光强度分布。归一化相减后得到的(-)OH标记在火焰锋面处形成显著峰值。数值结果显示，(-)OH标记峰值相对于HRR峰值的位置在0.15-0.65 δ_L⁰范围内（δ_L⁰为层流火焰厚度），OH*位于0.34-0.60 δ_L⁰，而?OH最近（0.10-0.21 δ_L⁰）。峰值宽度方面，(-)OH随当量比增加而变宽，从1.3倍至高可达5.6倍HRR宽度；OH*宽度在0.90-2.3倍之间；?OH则始终窄于HRR，为0.65-0.74倍。

**实验验证与图像分析**：实验获得了?=0.50-1.30范围内的OH PLIF图像。在贫燃条件下（?≤1.00）观察到OH耗尽的火焰后区；在富燃条件下（?≥1.05）出现外层扩散火焰。各标记方法的对比显示：(-)OH能有效区分主反应区与扩散层；OH*因视线积分特性显得更宽；?OH在反应区内呈现斑点状噪声特征。实验测得的归一化峰峰距与数值趋势总体一致，(-)OH从靠近HRR逐渐过渡到偏离HRR；但?OH表现出与模拟不同的行为，实验中为距HRR最远的标记（0.16-1.12 δ_L⁰），这可能与忽略碰撞猝灭的简化假设及有限的空间分辨率有关。峰值宽度方面，OH*平均为2.29倍HRR宽度，?OH为1.02-1.53倍，(-)OH为1.57倍，但(-)OH存在较明显的点间波动，归因于单激光系统 sequential 采集引入的时间差。

**数值与实验结果的对比**：通过线性回归分析数值与实验结果的相关性。归一化峰峰距表现出较好的一致性，斜率为0.7170，平均残差0.0758；而归一化峰值宽度的相关性较差，斜率0.9780但平均残差高达2.2081，表明当前模拟未能完全捕捉标记的物理特性，需要进一步改进LIF建模。

研究结论部分，研究人员指出：通过相减两条具有不同温度依赖性的OH PLIF激发线荧光信号，可以创建可靠的火焰锋面标记；该方法优于OH*化学发光和OH PLIF梯度方法，提供了空间分辨的标记、更高的信噪比，且更靠近HRR峰值，特别适用于无法使用CH₂O PLIF的氢火焰；数值与实验在峰峰距方面吻合良好，但峰值宽度的差异揭示了实验效应和数值建模假设的影响。展望未来，研究人员建议采用双激光同步系统以消除sequential采集的时间差，并将方法拓展至湍流火焰；同时在LIFSIM中纳入OH碰撞猝灭模型以提高模拟精度，从而为非轴对称和湍流氢火焰的时间分辨火焰锋面诊断提供途径。