甲烷層流和湍流預混火焰OH*和CH*的化學發光特性

劉 瑤，譚建國，高政旺

國防科技大學空天科學學院，湖南 長沙 410073

引 言

燃燒中的化學發光，是指受化學反應激發而產生的激發態自由基，向基態躍遷時輻射出特定頻率光子的現象。 在甲烷火焰中，激發態自由基主要輻射波長為308 nm(OH*)和431 nm(CH*)。 OH*的形成主要有R1—R3三條途徑，Gaydon等[1]提出碳氫火焰中R1是產生OH*的主要化學途徑； 氫氣火焰中OH*的產生途徑則主要為三體碰撞反應R2[2]。 何磊等[3]發現，OH*在甲烷擴散火焰中有兩個分布區，分別由R1和R2產生，且氧化劑中O2含量低時(如空氣)，R1是主要途徑； 含量高時，R2起主導作用。 另外，火焰溫度高于2 800 K時，熱激發反應R3成為主導途徑[4]。 對于CH*，R4一般被認為是主導反應[5-6]。 Elsamra等[7]研究表明，在貧燃的高溫火焰中，R5的貢獻更大，并一定程度上抑制了R4反應的進行。 在CH*的生成中熱激發途徑R6也同樣存在[8]。

CH+O2→CO+OH*

R1

H+O+M→OH*+M

R2

OH+M→OH*+M

R3

C2H+O→CO+CH*

R4

C2H+O2→CO2+CH*

R5

CH+M→CH*+M

R6

當量比φ是燃燒過程中的重要參數，在預混火焰中利用OH*和CH*的峰值比來對其進行表征已有了不少研究[9-10]，Hardalupas等的工作[11-12]尤為突出，他們通過不同機理的數值模擬表明OH*和CH*的濃度比φ與始終保持單調關系。 但是，大部分研究都是圍繞層流火焰來進行，且未研究速度的影響，關于湍流火焰中化學發光特性的研究還相對較少。

以甲烷/空氣射流預混火焰為研究對象，分析了不同射流速度(u)時，火焰分別處于層流和湍流狀態時OH*和CH*的化學發光特性，考察了對二者輻射分布的影響，得到了火焰流動狀態的判斷依據，提出了考慮利用u的化學發光定量表征φ的關系式，為后續湍流火焰的化學發光研究提供有效的參考。……