利用重叠的H?O和CO?发射谱带对透明火焰进行红外多谱带测温

《Infrared Physics & Technology》：Mid-infrared multiband thermometry of transparent flames using overlapping H 2O and CO 2 emission bands

　　

摘要
为了减少碳氢燃料火焰主要气态产物之间的辐射干扰，传统的积分光谱带比值（ISBR）方法通常避开强H?O发射区域（在该区域间组分光谱耦合效应显著），转而选择在弱H?O发射区域中的相对窄波段。这种做法限制了可用光谱波段并降低了测量信号强度。针对这一问题，本研究提出了一种多波段积分光谱带比值（MB-ISBR）方法，并建立了多组分耦合光谱辐射条件下中红外多波段气体温度反演模型，实现了不同气体组分辐射贡献的分离和气体温度的确定。在此基础上，通过引入轴对称火焰的正向辐射传输模型，将MB-ISBR方法进一步扩展到轴对称火焰温度场的反演。模拟和实验结果表明，所提出的方法能够重构具有代表性的轴对称温度分布。对于丁烷透明火焰，反演温度与热电偶测量结果基本一致。在两个代表性轴向截面上，所有对比点的最大相对偏差为6.3%，高温区域内为3.7%。所提出的方法目前基于火焰轴对称性和近似光学薄假设，其适用范围主要限于满足这些条件的小型透明火焰。

引言
燃烧温度场是表征燃烧效率、热负荷分布和传热特性的重要指标。准确测量温度场有助于识别燃烧反应区域，并为燃烧化学模型[1]、流动与传热模型[2]以及辐射传输模型[3]的开发和验证提供依据。目前，依赖火焰中固体烟尘颗粒辐射的非接触测温方法已发展形成相对成熟的技术框架[4, 5]。然而，在透明火焰场景下，基于固体烟尘辐射的测温方法无法直接应用。因此，透明火焰中高温气体的温度场测量仍然极具挑战性。

透明火焰场景下的非接触高温气体测量方案通常可分为主动式和被动式两类。主动式气体测温方法，如可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）和相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS），通过分析激光诱导的吸收或散射信号来获取温度，凭借其高时间分辨率和多参数测量能力，已被广泛应用于燃烧诊断[6, 7, 8, 9]。然而，主动式气体测温方法通常依赖复杂的光学路径和精密的对准系统。在温度场测量中，有限的测量路径数量和扫描需求会增加系统复杂性，限制温度场重构的空间分辨率和工程适用性。

被动式气体测温方法以气体的自发辐射为测量量。凭借其无需外部光源和强环境适应性等优势，这些方法在近红外和中红外光谱范围内的气体温度场重构方面显示出巨大的潜力。全球各地的研究人员开发了利用超光谱成像系统[10]和光场相机[11]等仪器获取和重构目标气体三维温度场的方法。自Ellis等人提出ISBR[12]以来，该方法在瞬态火焰温度测量中表现出良好的性能，因为它所需的测量数据量较小、适用于弱辐射目标，且实验配置简单。因此，该方法逐渐引起了越来越多的研究兴趣。Tobiasson等人[13]和Egbert等人[14]利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）实现了ISBR，并将其应用于测量被辐射壁面包围或在气体与颗粒混合物中的燃烧产物气体，以及高压燃气轮机发动机中转子入口温度测量。Schmidt等人基于两个近红外水蒸气波段的发射比值实现了高速测温[15]，展示了ISBR在监测动态透明火焰方面的优势。然而，单路径测量仅提供路径平均温度，因此无法充分表征实际温度分布。

后续研究逐渐从单路径测量发展为温度场反演，进一步探索该方法在温度场重构中的适用性。在这些研究中，利用有限的数量光谱积分辐射度测量值来反演温度场。Nakaya等人首先在近红外光谱区域采用ISBR方法，基于H?O发射光谱重构了三维温度场[16]。Cheng等人从理论上阐明了ISBR算法的原理，并将其应用于三维温度场重构[17]。他们使用多台相机重构了三维温度场和H?O浓度场。随后，他们在层流无颗粒火焰中实验测量了二维温度场[18]。该研究表明，传统的路径平均结果显著低估了峰值温度，证明了将ISBR从路径平均温度测量发展到温度场反演的必要性。现有的ISBR方法要求选择由单一气体组分辐射主导的光谱波段，以减少碳氢燃料火焰燃烧产物中各气体组分之间的辐射干扰。然而，在中红外区域，H?O和CO?的发射波段显著重叠，使得可用光谱波段通常位于弱H?O发射区域。因此，传统ISBR所选波段中的辐射度相对较弱，这可能降低基于成像的测量系统的信噪比，并使在短积分时间内保持足够的测量信号变得更加困难，从而在一定程度上限制了其对快速变化的瞬态燃烧过程进行温度场测量的能力。

基于上述考虑，本研究提出了一种用于气体组分光谱重叠条件下透明火焰多波段测温的MB-ISBR方法，从而将ISBR的适用光谱范围扩展到辐射更强、组分间光谱重叠更显著的波段。该方法从多波段辐射度数据中分离H?O和CO?的辐射贡献，并与轴对称正向辐射模型相结合以重构径向温度分布。首先通过数值模拟评估所提方法的可行性，然后使用中红外多波段共光路同步成像平台进行实验验证。

气体辐射特性
在波数ν下，辐射沿路径方向s穿过长度为L的气体层的过程可以通过辐射传输方程（RTE）[19]来描述。如果气体内的热力学参数均匀且气体温度为T，则从气体发出的光谱辐射度????可表示为：
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