基于EMCCD的激波管点火后自由基光谱演化原位观测

《Experimental Thermal and Fluid Science》：In-situ observation of free radical spectral evolution via EMCCD during shock tube post ignition

　　

摘要 为研究激发态 CH* 和 OH* 的辐射分布是否适用于反应机理验证，本研究采用电子倍增型电荷耦合器件（EMCCD）捕捉激波管点火过程中自由基的高时间分辨率光谱结构。结合利用光电倍增管（PMT）配合特定光学滤波器获得的传统点火延迟测量结果，研究发现点火后期阶段的 CH* 和 OH* 发射分布不仅包含这些激发态自由基的化学发光，还包括 CO? 和 H?O 等强辐射体的连续辐射。因此，点火后期 CH* 和 OH* 的完整发射分布不适用于机理验证，但发射峰值强度之前的段可以用于此目的。此外，在整个点火过程中，CH* 的持续发射时间显著短于 OH*。EMCCD 检测到的 CH* 发射仅持续约 100 μs，而 OH* 的发射在单个脉冲周期内持续约 20 ms。这种差异在机理分析和验证研究中值得考虑。同时，建议机理验证覆盖从点火前到点火后的时间范围，以提高预测性能。

引言 激波管是燃烧诊断中的有效工具 [1]。为获取温度和浓度分布，可视化技术——通常通过侧壁或端壁光学访问结合高速摄影实现——常作为非侵入式诊断手段被采用。例如，Fieweger 等人 [2] 利用侧壁可视化和高频相机研究了发动机燃料的负温度系数（NTC）行为。Vermeer 等人 [3] 也采用了类似技术，并观察到两种不同的点火模式。Brown 等人 [4] 利用火花阴影摄影研究了乙烯和丙烷混合物的爆轰转换过程。超越标准相机设置，一些研究采用了专用诊断技术。例如，Gamba 等人 [5] 和 Miller 等人 [6] 在激波管中应用平面激光诱导荧光（PLIF）进行流场可视化，而 Troutman 等人 [7] 通过端壁成像获取了径向 OH* 浓度分布。这些研究表明，激波管非常适合燃烧诊断，并且可以与高速相机和 PLIF 等多种光学设备集成使用。

激波管实验中点火延迟时间的测量通常依赖于通过光电倍增管（PMT）检测电子激发态 OH* 和 CH* 自由基作为点火前指标 [8]、[9]。在详细反应动力学研究 [10]、[11] 中，这些信号通过以 307 nm 为中心针对 OH* 和以 431 nm 为中心针对 CH* 的光学滤波器进行光谱隔离。实验获得的点火延迟数据常被用于动力学模型验证。例如，Healy 等人 [12] 测量了正丁烷的点火延迟以验证由 1328 个反应组成的化学动力学模型，而 Saxena 等人 [13] 对乙烯进行了类似测量以测试 USC Mech II 模型的优化版本。此类研究通常侧重于阐明点火前阶段发生的化学过程。然而，由于温度和压力大幅波动违反了一维均匀假设，点火后阶段在激波管中很少被研究。

理论上，点火完成后自由基发射信号应回归初始基线。然而，Saxena 等人 [13] 观察到主要点火事件后 CH* 信号出现二次上升。这一现象在我们自己的激波管实验中也得到了验证，特别是在高温条件下。这些观察表明，点火后阶段可能包含关于后续燃烧过程的重要信息。Rickard 等人 [14] 和 Vries 等人 [15] 利用时间分辨的激发态自由基信号验证反应机理。然而，这引发了一个问题：通过传统 PMT 和滤波器方法捕捉的点火后阶段发射信号是否仍然可靠地代表激发态自由基信号。为解决这一问题，光谱技术最为理想，因为它可以识别产生发射的具体化学物种。例如，Cadman 等人 [16] 使用 intensified 电荷耦合器件（ICCD）捕捉了点火过程中自由基（OH*、CH* 和 C?*）的光谱图像。与 ICCD 相比，电子倍增型电荷耦合器件（EMCCD）具有更优越的超高时间分辨率。因此，本研究采用 EMCCD 技术以实现两个主要目标：首先，识别点火后阶段的光谱组成；其次，收集整个点火过程中自由基的超高时间分辨率光谱图像。通过使用 EMCCD，点火事件的可观测时间尺度可以从几毫秒扩展到近 20 ms。这使得我们能够追踪激发态自由基信号从点火前到点火后的演化过程，从而为激波管中燃料完整点火动力学提供见解。

实验部分的片段 本工作的实验装置如图 1 所示。激波管由驱动段、双层铝隔膜段和被驱动段组成，长度分别为 2.5、0.11 和 5.4 m。所有段的内径均为 69 mm，壁厚为 10 mm。侧壁上安装了两对向的光学窗口，距被驱动段端壁 2 cm 处。其中一个窗口通过光纤连接到三光栅光谱仪。

激波管中点火延迟时间测量的定义 在点火事件中，CH* 和 OH* 等中间自由基的信号首先急剧上升，然后迅速下降至基线水平。以 CH* 或 OH* 信号的峰值作为分界点，我们将 CH* 或 OH* 信号峰值之前的阶段定义为点火前阶段，峰值之后的阶段定义为点火后阶段（图 2）。关于点火延迟时间的定义，时间零点通常由侧壁或端壁压力阶跃信号设定。

CH* 光谱演化 为监测 CH*（A2Δ→X2Π），选择了 430 nm 的中心波长，检测范围从 371.4 到 488.5 nm。图 3、图 4、图 5、图 6 展示了一个低温乙烷点火案例。图 3 提供了整个过程的概览，而图 4、图 5、图 6 呈现了相同激波管条件下特定时间帧对应的子图。同样，图 7、图 8、图 9 和图 10、图 11、图 12 之间的关系遵循相同的规律。

结论 本研究使用 EMCCD 设备研究了激波管点火过程中自由基的高时间分辨率光谱演化。结果表明，点火后 CH* 和 OH* 的发射分布不仅包含这些激发态自由基本身的化学发光，还包括 CO? 和 H?O 等强辐射体的连续辐射。虽然点火后 CH* 和 OH* 的完整发射分布不适合作为详细动力学机理验证的依据，但在机理分析研究中应考虑这一差异。

CRediT 作者贡献声明 Xiaohe Xiong：撰写——原始草稿。Aicheng Gao：数据整理。Zhimin Peng：软件、资源、方法论。Yanjun Ding：资源。Houzhang Tan：监督指导。

利益冲突声明 作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢 本研究得到国家自然科学基金（22008192）的资助。

Xiaohe Xiong | Aicheng Gao | Zhimin Peng | Yanjun Ding | Houzhang Tan

教育部热流科学与工程重点实验室，西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安，710049，中国