利用CH C-X PLIF技术对双模态超燃冲压发动机中乙烯-空气火焰的反应区进行可视化观测

《Combustion and Flame》：Reaction zone visualization of an ethylene-air flame in a dual-mode scramjet using CH C-X PLIF

　　摘要：采用甲基炔（CH）C-X平面激光诱导荧光技术，对带有腔体火焰保持器的双模式超燃冲压发动机燃烧器中的乙烯-空气火焰反应区进行了可视化研究。研究结果表明，不同燃料供给条件下的火焰保持机制存在差异，这很可能是由于局部当量比的不同所致。与羟基（OH）PLIF技术的比较凸显了在诸如腔体火焰保持器这样的复杂流场中使用CH PLIF技术的重要性，因为在OH PLIF图像中，腔体内的反应层可能会被循环产生的物质所掩盖。而这有助于弄清腔体火焰保持的机制。所采用的C-X激发方案相较于A-X或B-X CH PLIF方案能够更高效地实现激发，同时还能最大程度减少其他物质的干扰。这使得该诊断技术成为研究湍流超音速燃烧的有效工具，而此前使用A-X或B-X CH PLIF技术很难对这类环境进行研究。文中还介绍了火焰结构的分析结果，包括反应区宽度测量的空间分布情况，并提出了未来研究的建议。

创新性与意义：本文首次对超燃冲压发动机燃烧器中的CH C-X PLIF技术进行了深入研究。该诊断技术能够区分不同的火焰保持模式，其清晰度远高于传统使用的OH PLIF技术。通过即时CH可视化，我们首次获得了反应区平均宽度的空间分布数据。据作者所知，目前仅有三篇关于此类环境中CH PLIF应用的文献报道。第一篇采用了B-X激发方式，且图像仅限于腔体内部；第二篇同样使用B-X激发方式，还需要第二台相机来消除燃烧器本身的发光干扰；第三篇则在一篇装置设计论文中展示了C-X激发技术，仅提供了四张用于展示点火过程的单次成像图像。我们的这项扩展研究证明了在超音速燃烧器中应用统计性CH C-X PLIF成像技术的实用性和可行性，而且由于其受多环芳烃干扰较小，优势更为明显。较低的脉冲能量也有望为未来的高速成像研究提供可能。

引言：超燃冲压发动机因其无需携带氧化剂、可利用空气作为氧化源，从而具备更高的比冲，因此被视作高超音速飞行系统的理想推进方式[1]。然而，在飞行器进行机动操作或发动机在冲压发动机模式与超燃冲压发动机模式之间切换时，燃烧器内的流动处于跨音速状态，此时要实现火焰稳定及发动机可靠运行十分困难。那些能够在两种模式下运行的双模式超燃冲压发动机，可能会因燃烧不稳定性以及进气条件变化而出现火焰熄灭现象；这些问题可能导致推力突然变化或发动机控制失效[1]、[2]、[3]。在过渡模式下火焰的稳定性目前尚未被充分理解，为了设计出可靠的发动机，必须对此展开研究。光学诊断技术因其非侵入性以及较高的空间和时间分辨率，特别适用于研究高速反应流。平面激光诱导荧光技术可用于可视化目标物质的分布。与传统的化学发光成像技术相比，该技术具有明显优势，因为要清晰呈现高速流的瞬时结构，通常需要亚微秒级的曝光时间。此外，化学发光成像还会包含路径积分信息。而使用聚焦激光束则可以减小成像系统的有效景深，从而能够在高度湍流且流动方向垂直于成像平面的环境中分辨出火焰结构。PLIF技术常用于识别反应层的两种目标物质是甲基炔自由基和羟基自由基。由于甲基炔的自由基结合时间较短，因此能够反映燃烧过程中燃料的消耗情况，有助于在湍流环境中识别反应层。而羟基自由基的结合时间较长，更多反映了反应后的区域[4]，对于观察超燃冲压发动机腔体火焰保持器中的产物循环现象很有用。不过，由于甲基炔在碳氢化合物燃烧过程中的浓度仅为百万分比级别[5]，远低于羟基自由基的浓度[4]，因此利用CH PLIF技术识别反应层颇具挑战性。此外，在贫燃条件下，甲基炔的浓度会显著下降[6]，这就使得对贫燃预混火焰的成像更加困难。Miller等人[5]曾使用光学参量振荡器，通过激发并检测431纳米处的A-X（0,0）谱线，对湍流扩散火焰进行了10千赫兹频率下的成像研究。他们获得了较高的信噪比（约15），但同时也存在来自多环芳烃化学发光的更高信号强度，其信噪比约为60。而通过激发390纳米处的B-X（0,0）谱线，则可以通过光谱滤波来阻挡散射的激光光，从而在接近430纳米处实现检测。不过，多环芳烃的干扰仍然可能较为严重[7]，而且所需的较高脉冲能量（约20毫焦耳）[6]也限制了在高重复频率下进行饱和成像的可能性。由于只有大约三分之一的发射光位于430纳米附近，因此检测效率较低[6]。相比之下，CH C-X PLIF技术通过在314纳米附近进行激发和检测，已被证明是一种可行的替代方案。尽管在该波长附近也存在羟基自由基的吸收谱线，但该方案的优势在于其受多环芳烃干扰的程度低于A-X或B-X方案[9]，而且其吸收谱线的强度更高，因此只需使用毫焦级甚至更低能量的脉冲即可实现信号饱和[10]。这样一来，该技术就能够高效地对开放式燃烧器中的湍流燃烧过程进行高速成像[10]；不过，在封闭式燃烧环境中，激光会被燃烧器壁面反射，从而导致荧光信号被过度淹没。Hammack等人[11]通过使用具有陡峭边缘的定制长波通滤光片，成功在甲烷-空气火焰中实现了CH C-X PLIF成像，他们通过激发311.180纳米处的R1(11)和R2(11)谱线，并在314纳米处的Q支峰位置进行检测。虽然该谱线的吸收强度约为314纳米处峰值吸收强度的五分之一，但他们仍能够获得平均信噪比在3.4至6.5之间的CH PLIF图像。仅需两个滤光片即可有效阻挡激光散射，这使得在封闭式燃烧环境中也有可能实现C-X激发和检测。已有众多PLIF研究被用于观察模型超燃冲压发动机燃烧器中的火焰保持现象。Geipel等人[12]在弗吉尼亚大学超音速燃烧试验装置——也就是本研究中所使用的装置——中采用了高分辨率的OH PLIF技术，旨在研究产物层中最微小的火焰结构，并将间歇性、曲率以及火焰表面密度等指标与直接数值模拟结果进行对比[13]。与本研究相关的其他工作，主要是探讨不同燃料供给方案对火焰局部特性的影响，其中包括利用OH PLIF技术研究腔体内的产物分布情况[14]，以及结合相干反斯托克斯拉曼散射温度测量技术进行OH PLIF成像研究[15]。此外，还有研究尝试通过激发并检测甲醛分子来观察超音速燃烧环境中的预热层现象[16]、[17]。Micka和Driscoll[18]在冲压发动机工作模式下，同时使用了甲醛PLIF技术和羟基PLIF技术，以此来明确预热层与产物层之间的相互关系。经过放大的甲醛PLIF信号表明，在火焰底部上游存在由高温来流引发的分布式自燃反应所产生的火焰，但由于反应层上游的甲醛已被完全消耗，这一信号无法用于精确定位反应层的位置。相比之下，关于双模式超燃冲压发动机环境中CH PLIF技术的应用报道则相对较少。Micka和Driscoll[19]首次在双模式腔体超燃冲压发动机中展示了CH B-X PLIF技术，成功可视化了乙烯-氢气-空气火焰在喷流尾流作用下的稳定燃烧以及腔体作用下的稳定燃烧现象。不过，这种成像方式需要在第二台相机上设置与激光器几乎同步的触发装置，以便在每次拍摄时都能消除强烈的火焰发光干扰。他们后来又重复使用了同样的实验装置，以便与之前报道的同步甲醛PLIF和羟基PLIF成像结果进行对比[18]。Rasmussen[20]也使用CH B-X PLIF技术，对超音速来流作用下局限于腔体内部的火焰中的反应层进行了成像研究。Baccarella等人[21]则给出了双模式燃烧器腔体内部火花点火过程的CH C-X PLIF初步成像结果，但据作者所知，至今尚未有进一步的分析结果或新的研究报道出现，也还没有看到将CH C-X PLIF技术与主流燃烧过程相结合以研究火焰保持机制的实验成果。因此，由于多种因素，超燃冲压发动机环境给CH PLIF成像带来了特殊挑战。首先，由于燃烧器内的压力通常仅为1个标准大气压或更低，因此甲基炔的总浓度可能非常低。此外，根据燃料喷射方式以及当量比的不同，信号强度还会进一步降低，因为在贫燃预混火焰中，甲基炔的浓度会显著下降[6]。而超燃模式下的运行通常伴随着较低的总体当量比，因为更大的总热量释放会导致来流的马赫数降低。目前仅有的一篇采用CH B-X PLIF技术的详细研究报道，也需要使用第二台相机来消除火焰发光带来的干扰[18]、[19]，这与B-X技术在其他非超燃冲压发动机应用中的使用方式有所不同。对于那些需要长时间运行的燃烧试验装置，其窗口材料的透光率降低也可能进一步减少进入装置的光线强度[15]。尤其是就C-X激发方案而言，迄今为止，只有极少数的研究[21]探讨了在带壁燃烧装置中运用振动内转谱线过滤技术的方法。虽然该技术已被成功用于分离PIV粒子产生的散射信号[22]，但据作者所知，目前还没有其他研究能够证明该技术足以有效分离CH PLIF信号与金属壁面反射的激光光。本研究展示了在带有腔体火焰保持器的双模式超燃冲压发动机流动系统中，针对四种不同的燃料供给条件所获得的CH PLIF图像。以往使用B-X激发方案的研究，都需要第二台高灵敏度CCD相机，以便在每次拍摄时都能消除背景火焰发光带来的干扰[19]。而C-X激发方案在其检测范围内几乎不受火焰发光的干扰：在与B-X方案相同的测试条件下，仅使用一台相机就能获得合格的CH PLIF图像，这大大简化了实验装置的搭建流程。此外，由于该激发方案所需的脉冲能量较低，未来也有可能在这种环境中开展高速成像研究。本报告证明了C-X激发方案所辅助的CH PLIF技术在超音速燃烧器研究中的实用价值，它不仅能够帮助研究腔体火焰保持机制，还能识别出那些使用OH PLIF技术无法清晰辨别的反应层位置，同时还可以计算反应区的宽度统计数值。

章节节选：弗吉尼亚大学超音速燃烧试验装置
弗吉尼亚大学超音速燃烧试验装置（UVASCF）是一种电加热式的连续流燃烧试验隧道，能够模拟马赫5级别的飞行条件，并且可持续运行数小时。图1展示了该装置的流动路径；关于本次测试所采用的特定几何结构——即改良型E结构——的更多细节，可参考Rockwell等人的研究[23]。简而言之，测试段首先是一个马赫2级别的喷嘴，其后是一个等面积隔离段、一个渐扩壁结构的腔体火焰保持器，再接着是一个等面积段。

分辨率
该系统的分辨率极限通过使用USAF-1951标准分辨率靶标进行测试，最终确定为140微米，该数值可用于衡量一对谱线的50%调制极限。图3展示了在B1B2测试条件下，经过背景减除处理后的CH PLIF图像，这些图像是由三个不同的视野拼接而成的。尽管最薄的反应层厚度约为100微米，很可能已经低于该成像系统的分辨率极限[16]，但由于背景发光强度较高，即便只有2到3个像素大小（相当于140到210微米）的细小区域也能被清晰区分出来。

信号分离
对于每个隔离段以及渐扩壁结构中的喷射器（全局相位值为0.40），图5展示了A条件以及B1B2条件下的单次拍摄图像和平均图像。此外，还有一些具有代表性的单次拍摄图像被作为补充数据提供。需要注意的是，这些图像是由三个彼此不同、并非同时获取的视野拼接而成的，在平均图像中可以区分出这些不同视野的范围。燃烧器几何结构中未被拍摄到的部分则显示为白色。由于激光光束高度方向上存在一定的不均匀性，因此各个视野边缘处的信号强度会有所下降。

总结
研究表明，CH C-X PLIF技术是一种极具潜力的诊断技术，可用于观察超燃冲压发动机装置中的高度湍流超音速燃烧现象。与以往在该类环境中进行的研究相比，C-X激发方案大大简化了实验装置的搭建流程。尽管火焰周围存在较强的背景干扰，但反应层依然可以被清晰识别。CH PLIF技术所提供的信息，是传统OH PLIF技术无法在超燃冲压发动机环境中实现的，比如就可以测量反应层的宽度。德迪克：写作——审稿与编辑、监督、方法论、资金筹措、概念构建。利益冲突声明作者声明自己没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。致谢作者感谢空军研究实验室的坎贝尔·卡特博士在实验设置和数据分析方面提供的建议，以及出借了本研究所使用的AFRL-0002过滤器。同时，作者也感谢弗吉尼亚大学反应流实验室的马克斯·切尔恩、尼古拉斯·古舒、欧文·佩蒂托、史蒂文·斯坦、尼基塔·乔伊和扎卡里·莫里斯的协助。本研究得到了国防高级研究计划局授予的资助，编号为HR00112010014。安德鲁·J·梅特罗|罗伯特·D·洛克威尔|安德鲁·D·卡特勒|克洛伊·E·德迪克