甲烷/氢气扩散火焰中局部燃烧特性与化学发光（Chemiluminescence）的关联机制及其定量表征研究

本文通过数值模拟结合实验验证，系统研究了CH4/H2扩散火焰中激发态自由基（OH、CH、C2、CO2）的化学发光（Chemiluminescence）与局部燃烧参数（如热释放率、当量比、温度）的时空关联性，为燃烧过程实时监测与优化提供了理论依据和技术路径。

　　

Section snippets

Experimental platform

实验平台如图1所示。采用双通道燃烧器形成扩散火焰，燃料（预混CH₄/H₂）通入中心通道，氧气（O₂）通入环形通道。通过质量流量计（Bronkhorst F-201CB）分别控制燃料与氧化剂流量。火焰化学发光信号由搭载滤光片的CCD相机（FLI e2v CCD 47-10）捕获，相机配备UV镜头（焦距105 mm）以提升紫外波段灵敏度。滤光片中心波长分别为310 nm（OH）、431 nm（CH）、515 nm（C₂）、350 nm（CO₂）及650 nm（背景参考）。所有图像均经过阿贝尔反卷积与背景扣除处理。

Chemical reaction mechanism

化学发光物种的详细反应机理已被广泛研究，其包含形成反应与淬灭反应。OH、CH、C₂和CO₂的形成反应子机理列于表3。既往研究表明该机理可有效预测化学发光的空间分布。不同激发态自由基的淬灭反应具有高度相似性，主要通过与常见分子（如H₂O、CO₂、N₂）碰撞失活。

Model validation

通过比较模拟与实验获得的激发态自由基摩尔分数和化学发光强度（经各自由基最大值归一化），验证了燃烧模型的可靠性。结果表明，CH₄/H₂燃烧系统的数值模拟与实验数据高度吻合，证实了模型在预测化学发光分布与局部燃烧参数关联方面的准确性。

Conclusions

本研究通过CH₄/H₂扩散火焰的化学发光化学动力学模拟，揭示了其与局部燃烧参数的内在联系。化学发光物种空间分布与局部热释放率及当量比的对比表明：OH与CO₂可指示放热区，CH与C₂可指示燃料侧吸热区；OH与CO₂的峰值摩尔浓度位于当量比1.0处，且其归一化浓度与当量比呈正相关；OH*峰值浓度与温度峰值呈比例关系，实现了对温度变化的定量表征与峰值定位。