基于OH-PLIF技术的全氟己酮抑制航空煤油燃烧试验研究.pdf
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1、消防理论研究Fire Science and Technology,October 2023,Vol.42,No.10基于 OH-PLIF技术的全氟己酮抑制航空煤油燃烧试验研究王林森1,2,车庆丰2,陈国柱2,周全2(1.中国人民解放军陆军勤务学院 油料系,重庆 401331;2.中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所,四川 绵阳 621000)摘要:为研究航空煤油全氟己酮燃烧抑制过程中 OH 自由基的变化规律,设计带有光学开窗的杯式燃烧器,以 OH-PLIF 技术为测量手段,利用 2种不同波长的“差分法”测量方法克服了航空煤油燃烧场中碳烟、煤油及燃烧裂解大分子化合物对 OH 自由
2、基荧光信号的干扰问题,获得了 12组不同全氟己酮体积分数条件下的 OH 基分布特征图,对研究全氟己酮的抑制机理具有重要的参考意义,为理论模型的建立提供了基础数据。试验结果表明:对于 OH 基分布的垂直高度值 H,在全氟己酮处于较低体积分数时(3.91%),H 值缓慢增长,但随着体积分数的持续增加,H 值会快速下降,随后逐渐趋于平缓;而对于 OH基分布带的厚度值 D和 OH 分布区域的占比 S,随着全氟己酮体积分数的增加,两者呈现明显下降趋势。关键词:航空煤油;全氟己酮;OH-PLIF;燃烧抑制;荧光信号;差分法;OH基分布中图分类号:X932;V237 文献标志码:A 文章编号:1009-00
3、29(2023)10-1344-06目前,RP-3 型航空煤油为常用燃料,根据 GB 500162014 建筑设计防火规范 中相关条文的规定,RP-3型航空煤油的危险性为乙类1-2,属于易燃易爆物品,在遭遇撞击时,极易发生火灾事故,甚至爆炸。传统的卤代烃灭火剂因其存在显著的温室效应被逐渐淘汰,全氟己酮(化学式为 C6F12O)作为新一类的氟代烃,具有初始分解温度低、分解速度快等优点,有望成长为能长期替代哈龙的含氟灭火剂3-5。为了深入研究全氟己酮对航空煤油燃烧的抑制作用且不破坏原有的燃烧流场结构,利用激光光谱诊断技术作为一种非侵入式的测量手段,通过分析燃烧中间产物(如 OH 自由基)的变化趋势
4、以表征全氟己酮对航煤燃烧的抑制效果。PLIF(Planar Laser-Induced Fluorescence,平面激光诱导荧光)技术作为一种较为成熟的激光光谱诊断技术,已经在国内外的多种燃烧器上得到了发展和应用6-10。KIDD F G 等11在超声速冲压喷气式发动机电弧加热试验设备上利用 NO-PLIF 测量不同工况下喷嘴下游处的流场结构,之后,该团队又在 UVaSCF 设备上利用 OH-PLIF 测量了超声速和亚声速燃烧条件下的双模运行12;ALLISION P 等13利用 CH2O/OH 双组分同步 PLIF 研究了双模态冲压发动机低温燃料分解预热区、火焰反应区和高温产物区的结构;叶
5、家伟等14利用 500 Hz 高频OH-PLIF 测量了氢燃料超声速燃烧室火焰结构,随后,该团队又利用 Acetone-PLIF 技术在某超燃冲压发动机燃烧室实现了燃料/空气掺混特性的研究15。当前,国内外对于 PLIF 技术的应用主要偏向于气态燃料(H2、CH4、C2H4等)的燃烧或掺混特性研究。从成分上看,航空煤油是多种大分子组成的复杂混合物16-18,如果直接利用激光激发航空煤油的燃烧中间产物,未燃的煤油蒸气及其裂解产物也会产生光谱范围较宽、信号较强的荧光信号19-20,强度值甚至会覆盖燃烧中间产物的荧光信号。目前,通常是选用几种典型组分(如正葵烷)作为航空煤油的“替代物”开展相关的理论
6、和试验研究21-22,而对于直接面向航空煤油的光谱测量试验,则多是采用煤油-PLIF 的方式对其荧光特性/燃料示踪进行测试,或是利 用 TDLAS 技 术(Tunable Diode-Laser Absorption Spectroscopy,可调谐激光二极管吸收光谱)对煤油燃烧的温度、速度、组分等参量进行测量。蒋安林等23利用OH/煤油-PLIF技术(选取 OH 的激发谱线 283.553 nm 作为激发光,但同时也会激发煤油)研究了先锋氢火焰的特性;王延胜等24利用煤油-PLIF(266 nm 激发)对直射式喷嘴喷射的航空煤油穿透深度进行了研究;符鹏飞等25利用近红外 DFB(Distri
7、buted Feed-Back,分布式反馈)激光器对煤油贫燃条件下不同燃烧工况的温度和含水量进行了测量;杨斌等26利用 TDLAS 技术对采用煤油燃烧加热方式的发动机来流系统模拟的流场速度进行了测量;蒋新生等27利用 OH-PLIF技术对受限空间内汽油油气爆炸燃烧过程中的 OH 自由基浓度变化进行了研究;张振荣等28利用自发振动拉曼散射技术(基于 355 nm 激光)测量了煤油燃烧场主要组分的摩尔分数。OH 自由基作为分析燃烧过程中重要的研究参量之一,如果能够得到航空煤油燃烧流场中全氟己酮介入时 OH 自由基的变化规律,对于研究全氟己酮的燃烧抑制机理具有重要的参考意义,可为其理论模型的建立提供
8、基础数据。本文选用杯式燃烧器作为测试全氟己酮灭火性能的研究对象29-32,以 OH-PLIF 技术作为测量手段,利用石英玻璃罩和步进电机定量控制全氟己酮的注入浓度,得到不同浓度条件下航空煤油燃烧火焰 OH 自由基的分布特征。基金项目:火灾与爆炸安全防护重庆市重点实验室开放基金项目(LQ21KFJJ05);国家重点研发计划项目(2020YFA0405700)1试验系统和方法1.1杯式燃烧器本文的试验对象为杯式燃烧器,利用灯芯(灯芯为可承受高达 1 000 的高温且导油性能良好的玻璃纤维)燃烧获得了较为稳定的扩散火焰。为实现全氟己酮在燃烧流场中能够较为均匀地分布,同时也为了避免外界环境对航煤火焰稳
9、定性的干扰,定制了 4块高品质的石英玻璃(能够透紫外光)保护罩环绕在四周,形成侧面封闭、顶部开口的燃烧室,单块石英玻璃的尺寸为 50 mm100 mm,玻璃厚度为 10 mm,如图 1 所示。此外,全氟己酮与空气经底部气路管路后注入燃烧器,燃烧器底部填充了大量的多孔材料以充分实现全氟己酮与空气的均匀掺混。顶部开口航空煤油火焰航空煤油石英玻璃保护罩玻璃纤维灯芯多孔材料气路管路图 1杯式燃烧器示意图Fig.1Sketch map of cup burner1.2激光器系统相对 CH、CH2O 等自由基,OH-PLIF 技术具有荧光信 号 较 强、荧 光 光 谱 较 窄 的 测 量 优 势,通 过
10、查 询LIFBASE数据库,选用 OH 在 A-X(1,0)带跃迁的 Q1(4)谱线,激发波长为 282.522 nm。试验用激光器系统由YAG(Yttrium Aluminum Garnet)激光器、染料激光器、倍频模块 3 部分组成。从 YAG 中产生的 532 nm 绿光作为泵浦光输入染料激光器;染料池中的罗丹明 590 染料受532 nm 绿光激发后,经调谐输出 565 nm 左右的可见光;最后,565 nm 激光经倍频模块调制后输出 282 nm 紫外光。由于 OH-PLIF 技术对于激发波长的精度要求较为苛刻(须达到 0.001 nm282 nm),因而需借助波长计反复调谐染料激光
11、器的光栅角度以控制激光器系统精确输出 282.522 nm 的激发光,OH-PLIF 技术激光器系统如图2所示。1.3试验系统试验系统主要由杯式燃烧器、气路及全氟己酮注入系统、激光器系统、光路系统、成像系统等组成。试验过程中全氟己酮的注入量利用步进电机匀速推进注射泵实现定量控制,通过减压阀和流量计实现空气流量的定量控制,随后利用三通头与空气混合输出,掺混有全氟己酮液滴的空气经水浴池加热至 70,而全氟己酮在常压下的沸点仅为 49.2,此时,掺混进空气中的全氟己酮液滴已全部汽化为蒸气形态,如图 3所示;另一方面,从激光器系统出射的 282.522 nm 激发光经片光系统(依次通过小孔光阑、扩束镜
12、、平行镜、压缩镜等)的光束整形后,输出长度约为 50 mm、厚度约为 0.5 mm 的平行光,以垂直于右侧面石英玻璃窗的角度入射燃烧室,从火焰的中心截面位置穿过;将 ICCD(Intensified CCD)相机布置在正面石英玻璃窗附近,聚焦平面为片光激发的待测平面,OH 基产生的荧光信号被 ICCD 相机采集后,在计算机上实时输出该时刻的瞬时 OH-PLIF荧光图像。1.4试验工况空气的流量恒定为 20 L/min,每次试验前提前 2 min打开空气阀门,以吹洗干净燃烧室里残留的碳烟、煤油蒸气、全氟己酮等,试验工况如表 1 所示。通过控制图 3 中注射泵的推进速度改变燃烧室中全氟己酮的浓度,
13、在前 7组工况,注射泵步进值设为 50 mL/h;而在后 5组工况,注射泵步进值设为 20 mL/h,全氟己酮流量超过 500 mL/h后,煤油火焰变得极不稳定,直至熄灭。1.5“差分法”测量方法从文献中调研可知,OH 基的激发谱线同样会激发煤油产生较强的荧光信号,为了能够从图像中提取 OH 基的荧光信号,对于杯式燃烧器的稳态火焰可以考虑采用“差分法”的测量方式对两组信号做差值,以获取 OH 基的荧光信号,具体的方法如图 4所示。激发光为 OH 基的激发谱线时(282.522 nm),得到的图像中包含了 OH 基、碳烟、YAG激光器染料激光器倍频模块283.522 nm激发光激光器系统时序控制
14、器高精度波长计图 2激光器系统示意图Fig.2Sketch map of laser system滤光片ICCD相机片光系统激光片光三通头282.522 nm激发光流量计电动注射泵空气气瓶水浴池气路管路C6F12O图 3试验系统示意图Fig.3Sketch map of experimental system1344消防科学与技术2023年 10 月第 42 卷第 10 期1试验系统和方法1.1杯式燃烧器本文的试验对象为杯式燃烧器,利用灯芯(灯芯为可承受高达 1 000 的高温且导油性能良好的玻璃纤维)燃烧获得了较为稳定的扩散火焰。为实现全氟己酮在燃烧流场中能够较为均匀地分布,同时也为了避免外
15、界环境对航煤火焰稳定性的干扰,定制了 4块高品质的石英玻璃(能够透紫外光)保护罩环绕在四周,形成侧面封闭、顶部开口的燃烧室,单块石英玻璃的尺寸为 50 mm100 mm,玻璃厚度为 10 mm,如图 1 所示。此外,全氟己酮与空气经底部气路管路后注入燃烧器,燃烧器底部填充了大量的多孔材料以充分实现全氟己酮与空气的均匀掺混。顶部开口航空煤油火焰航空煤油石英玻璃保护罩玻璃纤维灯芯多孔材料气路管路图 1杯式燃烧器示意图Fig.1Sketch map of cup burner1.2激光器系统相对 CH、CH2O 等自由基,OH-PLIF 技术具有荧光信 号 较 强、荧 光 光 谱 较 窄 的 测 量
16、 优 势,通 过 查 询LIFBASE数据库,选用 OH 在 A-X(1,0)带跃迁的 Q1(4)谱线,激发波长为 282.522 nm。试验用激光器系统由YAG(Yttrium Aluminum Garnet)激光器、染料激光器、倍频模块 3 部分组成。从 YAG 中产生的 532 nm 绿光作为泵浦光输入染料激光器;染料池中的罗丹明 590 染料受532 nm 绿光激发后,经调谐输出 565 nm 左右的可见光;最后,565 nm 激光经倍频模块调制后输出 282 nm 紫外光。由于 OH-PLIF 技术对于激发波长的精度要求较为苛刻(须达到 0.001 nm282 nm),因而需借助波长
17、计反复调谐染料激光器的光栅角度以控制激光器系统精确输出 282.522 nm 的激发光,OH-PLIF 技术激光器系统如图2所示。1.3试验系统试验系统主要由杯式燃烧器、气路及全氟己酮注入系统、激光器系统、光路系统、成像系统等组成。试验过程中全氟己酮的注入量利用步进电机匀速推进注射泵实现定量控制,通过减压阀和流量计实现空气流量的定量控制,随后利用三通头与空气混合输出,掺混有全氟己酮液滴的空气经水浴池加热至 70,而全氟己酮在常压下的沸点仅为 49.2,此时,掺混进空气中的全氟己酮液滴已全部汽化为蒸气形态,如图 3所示;另一方面,从激光器系统出射的 282.522 nm 激发光经片光系统(依次通
18、过小孔光阑、扩束镜、平行镜、压缩镜等)的光束整形后,输出长度约为 50 mm、厚度约为 0.5 mm 的平行光,以垂直于右侧面石英玻璃窗的角度入射燃烧室,从火焰的中心截面位置穿过;将 ICCD(Intensified CCD)相机布置在正面石英玻璃窗附近,聚焦平面为片光激发的待测平面,OH 基产生的荧光信号被 ICCD 相机采集后,在计算机上实时输出该时刻的瞬时 OH-PLIF荧光图像。1.4试验工况空气的流量恒定为 20 L/min,每次试验前提前 2 min打开空气阀门,以吹洗干净燃烧室里残留的碳烟、煤油蒸气、全氟己酮等,试验工况如表 1 所示。通过控制图 3 中注射泵的推进速度改变燃烧室
19、中全氟己酮的浓度,在前 7组工况,注射泵步进值设为 50 mL/h;而在后 5组工况,注射泵步进值设为 20 mL/h,全氟己酮流量超过 500 mL/h后,煤油火焰变得极不稳定,直至熄灭。1.5“差分法”测量方法从文献中调研可知,OH 基的激发谱线同样会激发煤油产生较强的荧光信号,为了能够从图像中提取 OH 基的荧光信号,对于杯式燃烧器的稳态火焰可以考虑采用“差分法”的测量方式对两组信号做差值,以获取 OH 基的荧光信号,具体的方法如图 4所示。激发光为 OH 基的激发谱线时(282.522 nm),得到的图像中包含了 OH 基、碳烟、YAG激光器染料激光器倍频模块283.522 nm激发光
20、激光器系统时序控制器高精度波长计图 2激光器系统示意图Fig.2Sketch map of laser system滤光片ICCD相机片光系统激光片光三通头282.522 nm激发光流量计电动注射泵空气气瓶水浴池气路管路C6F12O图 3试验系统示意图Fig.3Sketch map of experimental system1345Fire Science and Technology,October 2023,Vol.42,No.10煤油及燃烧裂解大分子化合物产生的荧光信号;而激发光 偏 离 OH 的 激 发 谱 线 时(282.510 nm,仅 偏 离 0.012 nm),得到的图像中仅
21、包含了碳烟、煤油及燃烧裂解大分子化合物产生的荧光信号。两种条件下的试验,除波长不同外,激光的能量、片光的形状等其余参量都保持不变。两种波长条件下获得的瞬时图像做差值计算,经时均处理后即可得到 OH 基的分布特征图(因为单张瞬时图像的差值计算误差比较大,做时均处理后可减少误差对 OH基信号的影响)。2试验结果与讨论灭火剂基本工作原理大体上分为物理抑制和化学抑制两类:物理抑制是指灭火剂通过本身的吸热能力和对燃料的稀释能力实现灭火;化学抑制是指灭火剂通过吸收燃烧反应过程中的自由基破坏链式反应实现灭火33。对于全氟己酮,较高的比热容使其能通过物理作用吸收热量,而化学作用则较为复杂:热解反应能够吸收大量
22、热量,且含氟基团能吸收消除 H、O、OH 等活性自由基而抑制燃烧。由于全氟己酮本身具有微燃性质,在生成 FH、CF2O 等基团时会释放额外的热量。有研究显示:全氟己酮对碳氢燃料火焰的作用受自由基消除反应、热解吸热反 应(抑 制 作 用)与 放 热 反 应(助 燃 作 用)的 竞 争 控制34-35,当添加的全氟己酮在较低浓度时放热反应占据优势,对火焰会起到一定的助燃作用,而浓度进一步升高时,自由基消除反应占据主导地位,对火焰的抑制作用将愈加强烈。全氟己酮的有效灭火体积分数约为 5%36。2.1未注入全氟己酮时的基准工况利用“差分法”得到试验工况 1的 OH 基分布特征图,如图 5所示,OH 基
23、代表了燃烧火焰的反应区。此时在没有全氟己酮的作用下,OH 基在结构上主体呈现为左右对称式分布,截取的画幅大小为 24 mm48 mm(对应像素约为 6051 360)。图 5中的彩色是代表信号强度值的伪彩色图像,每个像素点的强度值做了归一化处理,右侧的色标尺代表信号强度值与颜色的对应关系。为进一步分析处理数据结果,定义参量:H 为 OH 基分布的垂直高度,mm;D 为 OH 基分布带的厚度,mm;S 为 OH 基信号区域占总画幅面积的体积百分比。483624120 12 24H/mm10.80.60.40.20D/mmDHS图 5试验工况 1 OH基分布特征图Fig.5OH distribut
24、ion characteristic map of experimental condition 1图 5 所示的荧光图像是对其做了降噪去背景以及归一化处理后的伪彩色图像,颜色标尺代表信号的强度值,从蓝到红表示信号的强度由弱到强;荧光的强度(即图像中的颜色)与丙酮的浓度呈正相关关系,荧光信号的颜色越趋近于红色代表该区域富集的丙酮分子越多。2.2全部试验工况的 OH基分布特征图经过如图 4所示流程的预处理后,得到的时均图像中表 1试验工况表Table 1Table of experimental condition试验工况123456789101112全氟己酮流量/mL/h01002002503
25、00350400420440460480500全氟己酮体积分数0.00%0.96%1.90%2.37%2.83%3.28%3.73%3.91%4.09%4.27%4.45%4.62%激发光为 OH激光谱线282.510 nm激光能量、片光形状等参量保持不变激 发 光 调 偏OH激光谱线282.522 nm荧光信号的来源有:OH、碳烟、煤油及燃烧裂解大分子化合物荧光信号的来源有:碳烟、煤油及燃烧裂解大分子化合物做差值计算200张瞬时图像的时均结果mm0 12 24mm4836241210.80.60.40.20OH图 4“差分法”测量原理图Fig.4Schematic map of the di
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