在全球变暖和碳中和的背景下, 开发清洁可再生能源以实现低碳或零碳排放已成为当务之急。其中, 氢能作为高效、 环保的清洁能源受到广泛关注。氢气作为氢能的理想载体之一, 通过与空气混合燃烧可以实现氢能向其他类型能量如动能、 电能等的高效转换^[1]。氢能作为一种优质的火箭推进剂被广泛应用于航空航天领域。氢燃料火箭因其高比冲、 清洁环保等特点, 常被用于航天器发射和太空探测任务中。氢能还可以用于直接驱动飞机和航天器的动力系统。使用氢能作为燃料, 可以减少飞机的排放量, 降低对环境的影响, 并且提高航空器的飞行效率。此外, 氢燃料在燃气轮机等领域也有广阔的应用前景。因此, 深入研究氢气-空气混合系统的燃烧反应具有重要的科学意义和应用前景。

氢气/空气燃烧过程会受到诸多因素的影响, 例如燃烧压力^[2]、 湍流度^{[3, 4]}和当量比^{[5, 6]}等等。其中, 当量比是决定燃烧过程中燃料与氧化剂混合程度的重要参数, 直接影响燃烧的开始、 自持以及燃烧化学反应的活跃程度。因此, 有大量学者对于不同燃料的当量比对燃烧过程的影响开展了详尽的研究^{[5, 7, 8, 9]}。然而, 以氢气作为燃料的燃烧过程还存在诸多问题^{[10, 11]}。Berger等^[12]研究了在常压下, 贫燃的氢气/空气混合物的燃烧速度受到热扩散不稳定性的影响, 其燃烧速度会提升四倍。Frouzakis等^[13]利用详细的化学机制对大气条件下不同当量比(0.5< φ < 2.0)的氢气/空气火焰的扩散关系进行了数值研究。在φ ≥ 0.75的情况下, 数值和理论预测的弥散关系非常吻合, 但在当量比更低的情况下, 热扩散机制成为主导, 两者之间存在很大差异。因此对氢气燃烧过程中的局部当量比实时在线监测, 对于改善燃烧效率、 控制燃烧过程具有重要意义。先进的当量比测量技术能够为氢气/空气火焰的研究提供数据基础。

当量比测量可以通过多种方式实现, 例如气相色谱法^{[14, 15, 16]}、 热量测定法^[17]及光谱学方法^{[18, 19]}等。相较于气相色谱法和热量测定法, 光谱学方法具有非接触、 实时在线等特点, 而被广泛应用于燃烧过程中的当量比测量。其中, 激光诱导击穿光谱技术(LIBS)因其所具有的无接触式、 快速、 原位、 远程分析、 多元素同时在线监测等优点, 是测量当量比最常用的技术。

LIBS技术根据激光光源脉宽不同, 可以分为纳秒LIBS(ns-LIBS)以及飞秒LIBS(fs-LIBS)。其中, ns-LIBS因为激光器成本低、 实验装置简单等特点应用最为广泛。ns-LIBS技术存在的主要问题是轫致辐射, 最常用的解决办法是通过将探测器进行一定量的延迟来避免干扰, 进而提高测量的信噪比^[20]。Dilecce等^[21]基于延迟检测, 将重叠的Fe Ⅱ 线和Si的LIBS光谱信号分离, 从而消除光谱的干扰, 将硅的检测极限拓展测量到0.1%; Michalakou等^[22]利用ns-LIBS测量了甲烷/空气、 乙烯/空气和丙烷/空气燃烧过程中的当量比, 他们通过测量H 656.3 nm/O 777 nm和C 833.5 nm/O 844.6 nm, 确定了LIBS光谱与当量比之间的关系, 证明了LIBS技术在燃空当量比测量方面的可行性; Badawy等^[23]利用H/N、 H/O和C/N+O的发射谱线比来预测天然气和液化石油气的火焰当量比, 证明了LIBS技术同样可用于预混湍流火焰; Liu等^[24]将非预混火焰中空燃比的LIBS测量结果与fluent模拟进行了比较, 证明了LIBS准确测量空燃比空间梯度的能力。

综上可知, ns-LIBS已经在多种燃气的燃烧当量比测量中得到应用, 并取得了成功, 但LIBS技术在目前最具前景的氢气/空气混合燃烧中尚未获得应用。氢气火焰温度高, 燃烧速度快, 测量环境极端, 同时存在回火危险, 需要设计专用的燃烧器, 并在特定的工况下才能测量。导致在该方面研究的测试技术发展较慢, 实验数据缺乏。因此开展基于氢气燃料的燃空当量比测量技术开发研究具有重要意义。

在本工作中, 采用以纳秒激光作为光源的ns-LIBS技术对氢气/空气混合气的燃空当量比进行研究。通过光谱测量, 建立了光谱参量与燃空当量比的标定曲线, 进而可以测量非反应流场以及燃烧场中不同区域的局部燃空当量比, 实验结果与fluent模拟结果进行了对比验证, 证明了该方法的可行性。该测试方法可以为氢气燃烧研究提供新的诊断技术支持。

首先, 分别测量了纯氢气扩散火焰和空气的LIBS光谱, 为了防止回火, 流场速度设置为20 m· s^-1, 测量位置为射流出口正上方2 mm处, 所测量区域为未燃区。光谱如图3所示, 光谱范围为450~800 nm。图3(a)中可以看到, 当气体为纯氢气扩散火焰时, 光谱主要成分为H486(n=4→ n=2)和H656(n=3→ n=2)无其他光谱成分, 说明流场在该区域没有混入其他干扰气体。二者均来自于氢原子的发光, 其中H 656 nm光谱强度较强, 该谱线可以用来标识流场中氢气的含量, 其精细的光谱如图3(b)所示。

图3

Fig.3

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	图3 (a)不同气体中的纳秒激光诱导击穿光谱; (b) H 656 nm精细光谱; (c) O 777 nm精细光谱Fig.3 (a) Nanosecond laser-induced breakdown spectra in different gases; (b) H 656 nm fine spectrum; (c) O 777 nm fine spectrum

蓝色谱线为空气中的发射光谱, 实验中, 为了消除空气中水蒸气中氢的干扰, 使用的空气均经过干燥处理。从图中可以看出, 空气的LIBS光谱主要包含O原子和N原子的谱线, O 777 nm处的谱线发射光谱较强, 可以标识流场中氧气的含量, 其精细的光谱如图3(c)所示。

当氢气和空气以一定比例混合并燃烧时, 其光谱中同时含有H 656 nm和O 777 nm信息, 其谱线的峰值强度与氢气和空气中氧气的浓度有关, 此外还有来源于N原子的746 nm波长, 实验中只提取H 656 nm和O 777 nm的光谱信息。如图4(a, b)所示, 通过控制流量计的供气比例, 燃空当量比分别设置为1.2、 1.0、 0.8、 0.6、 0.5、 0.4, H 656 nm和O 777 nm光谱强度呈现单调增加和单调降低的规律。为了便于观察, 将H 656 nm和O 777 nm峰值提出来, 如图4(c)所示, 在当量比小于0.6时, 燃烧场无法稳定燃烧, 出现熄火, 此时测量的光谱为非反应流场的光谱, 从图中可以看出, 在非反应流场情况下, H 656 nm和O 777 nm的光谱发射强度都有所提高。其原因在于, 在非反应流场中, 测量区域的温度相比燃烧场有所下降, 其测量区域内的绝对粒子数密度增加, 因此发射光谱增强。为了消除温度变化带来的影响, 我们将H 656 nm与O 777 nm的光谱强度比值作为光学测量参考量与燃空当量比建立关系曲线。如图4(d)所示, H 656 nm与O 777 nm的比值与燃空当量比具有很好的线性关系, 说明比值的方法可以很好地消除温度的影响, 且基于比值方法建立的标定曲线对非反应流场和燃烧场同样适用。

图4

Fig.4

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	图4 (a) H 656 nm光谱; (b) O 777 nm光谱; (c) H 656 nm和O 777 nm强度随燃空当量比的变化; (d) H 656 nm与O 777 nm的比值随燃空当量比的变化Fig.4 (a) Spectra of H 656 nm; (b) Spectra of O 777 nm; (c) Variation of H 656 nm and O 777 nm intensities as a function of fuel-air equivalence ratio; (d) Variation of the ratio of H 656 nm to O 777 nm as a function of the fuel-air equivalence ratio

激光能量是影响等离子体状态的重要参数, 因此, 在进行标定实验之前, 需要确定合适的激光能量。图5展示了不同激光能量下的氢气/空气混合气中, H 656 nm与O 777 nm谱线强度峰值的比值随当量比的变化关系。燃空当量比范围从0.4~1.2, 每隔0.2采集一个点, 每个点连续测量10次, 并给出不确定度。从图5可以看出, 不同激光能量下, H 656 nm/O 777 nm呈现出相同的变化趋势。由于燃烧场的温度和速度都存在一定的波动, 激光在燃烧场中击穿的时间, 空间位置以及等离子体的大小也会受到一定影响, 从图中的误差棒也可以看出, 在当量比为0.4的非反应流场中, 其不确定度要比燃烧场中小。当激光能量变化时, 等离子体的体积也会随之变化。等离子体中氢原子和氧原子发射的光子可能会被二次吸收。由于不同激光能量产生的等离子体体积不同, 二次吸收的强弱也不同。这可能是导致斜率出现微小变化的主要原因。因此在激光能量选择上, 主要根据曲线的线性度以及不确定度来选择。当激光能量为70 mJ时, 测量不确定性在5%以内, 且H 656 nm/O 777 nm与燃空当量比的线性度最好R²=0.999, 因此后续实验激光能量都采用70 mJ。

图5

Fig.5

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	图5 激光能量对H 656 nm/O 777 nm强度比值的影响Fig.5 Effect of laser energy on the intensity ratio of H 656 nm/O 777 nm

激光能量确定后, 开始建立标定曲线, 测量区域为燃烧器出口正上方2 mm处, 该区域处于未燃区, 且不会混入其他气体。均匀混合气速度为20 m· s^-1, 由于标定曲线对非反应流场和燃烧场都适用, 因此, 将当量比进一步降低至0, 建立从0~1.2的宽工况标定曲线。如图6所示, 为了提高标定曲线的精度, 每一个点都经过了10次平均, 图中蓝色圆圈为10次采集结果的平均值, 黑色误差棒为10次测量的标准差, 最大误差不超过1%, 红色曲线为多项式拟合结果(y=0.147+2.517x-0.540x²), 调和后R²为0.999。通过实时测量H 656 nm/O 777 nm值即可获得流场中燃空当量比的信息。

图6

Fig.6

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	图6 H 656 nm与O 777 nm谱线强度峰值的比值与当量比的关系Fig.6 Ratio of peak intensity of H 656 nm to O 777 nm spectral lines versus equivalence ratio

下面根据标定曲线来测量燃烧器出口不同高度位置的燃空当量比, 随着高度的升高, 周围的空气会卷吸到流场中, 因此其燃空当量比会发生变化。在测量之前, 我们采用fluent软件对氢气/空气混合气在燃烧器中的燃烧过程进行模拟, 均匀混合气速度为20 m· s^-1, 燃空当量比设置为1.0, 图7(a, b)分别为氧气和氢气沿射流方向的浓度分布, 图7(c)为射流方向的燃空当量比分布, 将图7(c)中轴线位置的强度信息取出, 获得燃空当量比在中心位置变化情况, 如图7(d)所示。从图7(a)和(b)中可以清楚看到管内的预混气具有较强的整体对流特性, 先整体射离喷口一段距离, 再进入反应区与外界空气进行混合, 因此燃空当量比在喷口上方未燃区时与喷嘴内部当量比相同, 先保持不变, 由未燃区进入反应区时, 外界空气进入进行混合, 造成当量比迅速下降, 完全进入反应区后, 预混气与空气混合均匀, 当量比再次进入比较平稳的阶段。

图7

Fig.7

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	图7 (a)氧气沿射流方向的分布; (b)氢气沿射流方向的分布; (c)射流方向当量比分布; (d)射流方向当量比拟合曲线Fig.7 (a) Distribution of oxygen along the jet direction; (b) Distribution of hydrogen along the jet direction; (c) Equivalent ratio distribution in the jet direction; (d) Equivalent ratio fitting curve in the jet direction

针对模拟结果, 我们进行了相应的实验测量, 测量范围从出口位置到出口上方30 mm处, 共测量7个点, 每个点测量10次, 根据标定曲线, 给出燃空当量比的值, 并给出不确定度。图8为模拟值与实验值测量的结果, 从图中可以明显看出测量结果与模拟结果相比整体偏小, 但二者趋势吻合较好, 离开出口后当量比先趋于平稳, 然后迅速下降, 20 mm后下降速度再次变缓, 距离射流孔越远, 混合的效应越明显, 当量比越低。此外, 可以看到实验误差在出口高度10~20 mm之间较大, 这主要是因为该位置等离子体位于未燃区和反应区的交界处, 射流与空气的混合作用使得当量比波动较大。这也说明, 即使在均匀混合的预混火焰流场中, 某些特殊位置的局部当量比也会发生很大变化, 而该技术可以实时在线完成局部燃空当量比测量, 对氢气燃烧的研究及氢气燃烧装置的设计具有重要的意义。

图8

Fig.8

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	图8 数值模拟和实验中沿射流方向的当量比分布Fig.8 Distribution of equivalence ratios along the jet direction in numerical simulations and experiments

将纳秒激光诱导击穿光谱技术(ns-LIBS)应用到氢气/空气预混火焰当量比测量中, 通过测量等离子光谱发现H 656 nm和O 777 nm谱线具有较强的光谱发射强度, 并且可以用来作为燃料和氧化剂的标识物。实验发现, H 656 nm和O 777 nm的光谱发射强度与氢气和氧气浓度具有较好的规律性关系, 因此我们将H 656 nm和O 777 nm比值作为表示混合分数的光学参量, 并在标准的混合气体流场中建立了标定曲线, 发现标定曲线与燃空当量比具有很好的线性关系且对燃烧场和非燃烧场同样适用。根据标定曲线, 测量了氢气/空气混合射流流场中从上游到下游的当量比分布情况并利用fluent对燃烧场进行数值模拟, 实验测量结果和fluent的模拟结果中当量比分布趋势吻合较好, 证明了该技术对氢气流场燃空当量比测量的可行性。