对化学发光作为湍流、分层丙烷/空气和正庚烷/空气钝体火焰中热释放率标记方法的适用性进行数值研究

《Fuel》：Numerical investigation of the adequacy of chemiluminescence as a heat release rate marker in turbulent, stratified propane/air and n-heptane/air bluff body flames

本研究通过大涡模拟和动态增厚火焰模型，评估了OH*, CH*和CO2*作为分层丙烷/空气和庚烷/空气火焰中热释放率拓扑标记的适用性。采用准稳态假设和Pearson相关系数分析，发现这些化学发光物种仍能有效指示HRR分布，但需考虑信号积分效应对空间分辨率的影响。

　　这项研究聚焦于在湍流分层的丙烷/空气和正庚烷/空气火焰中，评估化学发光物种（如OH*、CH*和CO?*）作为热释放率（HRR）拓扑标记的有效性。化学发光是一种广泛应用于燃烧研究的非侵入式诊断工具，其原理是基于化学激发物种在从高能态回到基态时发出特定波长的光。这种现象在燃烧过程中具有重要的应用价值，因为它可以揭示火焰的结构和动态行为，同时还能提供关于燃烧过程的实时信息。

然而，化学发光在火焰传播过程中，尤其是在反应物混合不均匀的情况下，其作为HRR标记的可靠性仍存在争议。为了更深入地理解这一问题，研究者采用了大涡模拟（LES）和动态增厚火焰燃烧模型（DTF），并结合简化的化学动力学方案，对丙烷/空气和正庚烷/空气的氧化过程进行数值模拟。通过这些方法，研究者能够捕捉到火焰中化学发光物种的浓度分布，并在准稳态假设（QSSA）下进行后处理，利用代数模型提取相关数据。

研究的重点在于分析化学发光信号与HRR之间的空间相关性，使用皮尔逊相关系数（PCC）来量化这种相关性，并将其与已知的HRR标记进行比较，如HCO的平面激光诱导荧光（PLIF）信号以及OH和CH?O PLIF信号的乘积。这些方法被广泛用于实验研究中，以评估不同燃料和操作条件下的HRR特性。尽管HCO的浓度被认为是HRR的最准确标记，但由于实验获取HCO PLIF信号的复杂性，OH和CH?O的组合信号在许多研究中仍被用作HRR的替代方法。

此外，为了进一步揭示混合梯度对HRR趋势的影响，研究者采用了火焰指数（FI）方法，用于识别局部火焰状态并分析其对整体预测能力的贡献。这种方法有助于理解在不同混合条件下，化学发光作为HRR标记的适用性。研究者认为，通过三维模拟获得的空间信息，可以为化学发光作为HRR预测工具的有效性提供最佳评估，同时排除了光学设备可能带来的影响。

研究的背景是，在现代燃烧设备中，分层燃烧是一种常见的现象，其设计可能出于提高火焰稳定性或受限于混合时间和尺度的考虑。在这种情况下，火焰会穿过具有时空变化的当量比混合物，这会影响火焰的速度和可燃性极限。因此，对分层燃烧的深入研究不仅具有理论意义，也对实际工程应用至关重要。研究者选取了丙烷（C?H?）和正庚烷（n-C?H??）作为研究对象，因为它们代表了广泛使用的蜡族燃料，具有重要的实际应用价值。丙烷因其分子量较低、易于气化，常用于研究轻质燃料的燃烧特性，而正庚烷则常用于模拟高分子量的液态燃料燃烧行为。

在研究过程中，采用了LES和DTF模型，以考虑湍流与化学反应之间的相互作用。通过这种模型，研究者能够模拟出火焰中化学发光物种的浓度分布，并结合简化的化学动力学方案，以减少计算复杂度。此外，研究者还利用了准稳态假设（QSSA）进行后处理，以提取更精确的化学发光数据。这种方法在燃烧研究中被广泛采用，因为它能够有效减少计算资源的需求，同时保持对燃烧过程的准确描述。

研究结果表明，在低湍流（u′/S?O(1)）和特定雷诺数（Re?=150）的分层火焰中，化学发光物种仍然能够作为HRR的可靠标记，即使在存在混合梯度的情况下，其对燃料类型也表现出较弱的依赖性。这一发现为化学发光在燃烧诊断中的应用提供了新的视角，同时也为在复杂混合条件下如何更准确地评估HRR提供了理论支持。

然而，研究者也指出，在评估化学发光作为HRR标记的可行性时，必须考虑到实验中信号的视线积分（LoS integration）对结果的影响。视线积分可能会导致空间信息的丢失，因此在进行相关分析时，需要特别注意这一因素。此外，实验中获取的信号可能会受到光学设备的影响，因此在实际应用中，需要对这些因素进行校正，以确保化学发光数据的准确性。

为了进一步验证这些发现，研究者采用了多种实验和数值方法进行对比分析。这些方法包括传统的PLIF技术以及更先进的化学发光断层扫描（CT）和深度学习技术。这些方法各有优劣，传统PLIF技术虽然能够提供高精度的数据，但其操作复杂度较高，而深度学习和CT技术则能够在减少复杂度的同时保持较高的数据准确性。因此，研究者认为，在实际应用中，需要根据具体条件选择合适的诊断方法。

此外，研究者还指出，在某些情况下，使用OH和CH?O PLIF信号的乘积作为HRR标记，可能比单独使用HCO PLIF信号更可靠。这是因为OH和CH?O的组合信号能够在更广泛的燃料和操作条件下提供一致的结果，而HCO的浓度则可能受到某些实验条件的限制。因此，在评估HRR标记的有效性时，需要综合考虑各种因素，以确保选择最合适的诊断方法。

研究的结论是，化学发光物种在低湍流分层火焰中仍然是HRR的可靠标记，其对燃料类型表现出较弱的依赖性。这一发现为化学发光在燃烧研究中的应用提供了新的支持，同时也为在复杂混合条件下如何更准确地评估HRR提供了理论依据。然而，研究者也指出，在实际应用中，必须考虑到视线积分对结果的影响，以及实验中获取的信号可能受到光学设备的限制。因此，在进行相关分析时，需要采用更精确的后处理算法，以确保化学发光数据的准确性。

此外，研究者还强调，化学发光作为HRR标记的有效性可能因不同的实验条件而有所不同。因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的诊断方法，并进行详细的校正和验证。研究者认为，化学发光在燃烧研究中仍然具有重要的应用价值，特别是在需要非侵入式诊断的情况下。然而，在某些特定条件下，如高湍流或复杂的混合梯度，化学发光的可靠性可能会受到影响，因此需要进一步研究以确定其适用范围。

总的来说，这项研究为化学发光在燃烧研究中的应用提供了新的视角，并揭示了其在不同条件下的可靠性。研究者认为，化学发光物种在低湍流分层火焰中仍然是HRR的可靠标记，但其在高湍流或复杂混合条件下的适用性仍需进一步研究。此外，研究者还指出，在实际应用中，需要采用更精确的后处理算法，以确保化学发光数据的准确性。这些发现不仅对燃烧研究具有重要的理论意义，也为实际工程应用提供了指导。