基于OH-PLIF的狹長(zhǎng)受限空間油氣爆炸中間基團(tuán)濃度分布研究

蔣新生，余彬彬，徐建楠，王文和，姜俊澤，趙亞?wèn)|

（1 中國(guó)人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶401331； 2 中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院，北京100036；3重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶401331）

引 言

油料是軍事領(lǐng)域和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中重要的戰(zhàn)略能源物資，但油氣的易燃易爆性質(zhì)往往造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。受限空間油氣爆炸是典型的油料安全事故之一，具有爆炸傳播快、強(qiáng)度大、衰減慢的特點(diǎn)[2]。油料中汽油輕質(zhì)組分多、熱值高、極易揮發(fā)，受限空間汽油蒸氣爆炸危險(xiǎn)性尤其高[3]。因而，探究受限空間汽油蒸氣爆炸的中間基團(tuán)分布對(duì)于分析爆炸的產(chǎn)生和發(fā)展，進(jìn)而研究受限空間汽油蒸氣爆炸防控技術(shù)尤為重要。

傳統(tǒng)的流場(chǎng)診斷技術(shù)，如傳感器測(cè)壓、熱電偶測(cè)溫、皮托管測(cè)速等方法，都對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾作用，從而限制了可燃介質(zhì)燃燒爆炸測(cè)量過(guò)程中一些細(xì)節(jié)參數(shù)如火焰精細(xì)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵組分分布、流場(chǎng)演變特征的獲取。隨著片激光和光譜成像技術(shù)的進(jìn)步，高分辨率自由基熒光譜及其成像技術(shù)逐漸成為可燃物著火燃燒研究的重要手段[4]，從而為獲取上述細(xì)節(jié)參數(shù)提供了良好的技術(shù)支撐。利用平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）系統(tǒng)，國(guó)外加州理工學(xué)院[5-7]、首爾大學(xué)[8]、密歇根大學(xué)[9]，國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院[10-11]、國(guó)防科技大學(xué)[12]、天津大學(xué)[13-14]、北京航空航天大學(xué)[15-16]、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)[17-18]、西安交通大學(xué)[19-20]、中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心[21-23]等研究機(jī)構(gòu)的相關(guān)學(xué)者開展了一系列可燃物著火燃燒流場(chǎng)研究。PLIF 通過(guò)激光激發(fā)分子、自由基使其產(chǎn)生能級(jí)躍遷發(fā)出熒光，根據(jù)發(fā)光信號(hào)得到基團(tuán)的時(shí)空分布信息，可實(shí)現(xiàn)燃燒流場(chǎng)的無(wú)干擾診斷。

當(dāng)前研究中，PLIF 技術(shù)較多應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)火焰的燃燒場(chǎng)診斷，如蘇鐵等[21-25]都是針對(duì)穩(wěn)態(tài)燃燒火焰進(jìn)行研究，很多研究對(duì)象是甲烷、丙烷、氫氣等單分子氣態(tài)燃料。然而，汽油蒸氣爆炸過(guò)程是典型的復(fù)雜混合可燃介質(zhì)預(yù)混燃燒傳播過(guò)程，無(wú)論是可燃介質(zhì)的類別和還是燃燒過(guò)程的特征均與穩(wěn)態(tài)工況存在差別[26-27]。有必要通過(guò)PLIF 技術(shù)精準(zhǔn)測(cè)量油料著火爆炸過(guò)程中的關(guān)鍵自由基團(tuán)，從而獲取爆炸過(guò)程中流場(chǎng)演變特征和自由基團(tuán)分布，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸流場(chǎng)、火焰?zhèn)鞑サ木_分析。

本文基于先進(jìn)的平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)量技術(shù)（PLIF），設(shè)計(jì)構(gòu)建了油氣爆炸PLIF 測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)不同工況下狹長(zhǎng)受限空間汽油-空氣混合氣爆炸中OH基團(tuán)濃度分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

本文設(shè)計(jì)了狹長(zhǎng)受限空間油氣爆炸PLIF 測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體如圖1所示。

圖1 油氣爆炸PLIF測(cè)量系統(tǒng)總圖Fig.1 General experimental setup of PLIF testing system for oil and gas explosion flow field

矩形管道模擬實(shí)際場(chǎng)景中的充滿油氣的場(chǎng)所；壓力采集系統(tǒng)測(cè)量管道內(nèi)三個(gè)位置處的油氣爆炸壓力變化；濃度測(cè)量系統(tǒng)與管道形成閉合回路，用于測(cè)試管道內(nèi)油氣濃度；循環(huán)配氣系統(tǒng)也與管道形成回路，用于向管道充入油氣；激光器系統(tǒng)發(fā)出能夠激發(fā)OH 的脈沖激光，使OH 基發(fā)光；時(shí)序控制器在接收到觸發(fā)信號(hào)之后，會(huì)同時(shí)完成激光器開啟、點(diǎn)火器點(diǎn)火、ICCD 采集三個(gè)測(cè)量過(guò)程中的關(guān)鍵操作；高速相機(jī)對(duì)火焰圖像進(jìn)行拍攝記錄，此外也用于脈沖激光發(fā)射時(shí)刻與ICCD 采集時(shí)刻的同步較準(zhǔn)輔助，高速相機(jī)的啟動(dòng)通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。

本實(shí)驗(yàn)所采用的汽油為國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的中石化92號(hào)車用汽油，其組成成分的體積分?jǐn)?shù)如表1 所示[28]，油氣濃度（體積分?jǐn)?shù)）1.8%在當(dāng)量比濃度附近。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過(guò)本課題組設(shè)計(jì)的循環(huán)配氣系統(tǒng)[29-30]向管道內(nèi)充入油氣，而后通過(guò)濃度測(cè)試儀實(shí)時(shí)測(cè)量油氣濃度值，待達(dá)到需求的濃度后停止充油，經(jīng)過(guò)繼續(xù)循環(huán)一段時(shí)間油氣濃度達(dá)到穩(wěn)定；然后手動(dòng)觸發(fā)信號(hào)源，由時(shí)序控制器分別控制激光器開啟時(shí)刻、高速相機(jī)拍攝開始時(shí)刻、ICCD拍攝開始時(shí)刻、點(diǎn)火器點(diǎn)火時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)在燃燒流場(chǎng)某個(gè)位置處，脈沖激光出現(xiàn)、ICCD 拍攝、高速相機(jī)拍攝三者的時(shí)刻同步，具體時(shí)序控制設(shè)計(jì)見下文；壓力采集系統(tǒng)由手動(dòng)控制開始與否，實(shí)驗(yàn)中在點(diǎn)火前預(yù)先采集，在爆炸完之后停止采集，以保證采集到全時(shí)段的壓力信號(hào)。

表1 油氣組分構(gòu)成Table 1 Components of the fuel

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中濃度測(cè)試儀采用北京均方理化科技研究所生產(chǎn)的GXH-1050 型紅外線分析儀，通過(guò)紅外吸收原理測(cè)量碳?xì)浠衔锏捏w積分?jǐn)?shù)，精度0.01%。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，循環(huán)配氣系統(tǒng)向管道內(nèi)充油穩(wěn)定后的油氣濃度有很高的重復(fù)性，重復(fù)性試驗(yàn)油氣濃度值如表2所示。

1.2 油氣點(diǎn)火與PLIF測(cè)量的同步觸發(fā)控制研究

激光器發(fā)出的脈沖激光脈寬約為10 ns，脈沖頻率為10 Hz，寬約為4 cm；而ICCD 拍攝的頻率為1 Hz；不同于穩(wěn)態(tài)燃燒，在本文所構(gòu)建的長(zhǎng)1 m的管道腔體中，爆炸火焰的傳播是動(dòng)態(tài)的，其傳播速度可達(dá)10 m/s，油氣濃度1.8%時(shí)的傳播過(guò)程持續(xù)約200 ms；但受實(shí)驗(yàn)條件限制，激光所穿過(guò)的玻璃窗寬度僅為6 cm。由此可見，要想準(zhǔn)確捕捉到爆炸火焰中的OH 基，需要在火焰鋒面經(jīng)過(guò)玻璃窗的時(shí)間段內(nèi)（約8～12 ms），恰好使脈寬10 ns 的脈沖激光出現(xiàn)一個(gè)脈沖，穿過(guò)火焰區(qū)，并使ICCD 在激光出現(xiàn)的10 ns內(nèi)拍攝一張圖像。另外，激光器發(fā)出的前20個(gè)脈沖由于能量不穩(wěn)定，故不能被使用。在開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，點(diǎn)火器的點(diǎn)火時(shí)刻直接影響火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，激光器的開啟時(shí)刻直接影響脈沖激光是否能穿過(guò)火焰區(qū)，ICCD 的開啟時(shí)刻直接影響對(duì)OH 基熒光特征的抓拍，因此必須設(shè)計(jì)精確到毫秒量級(jí)的時(shí)序控制系統(tǒng)控制上述三者，從而實(shí)現(xiàn)爆炸流場(chǎng)中OH 基的準(zhǔn)確測(cè)量。高速相機(jī)的拍攝幀頻很高，可拍攝火焰?zhèn)鞑サ倪B續(xù)圖像，但也需要時(shí)序控制系統(tǒng)控制，以實(shí)現(xiàn)拍攝時(shí)刻的同步。

表2 重復(fù)性試驗(yàn)油氣濃度值Table 2 Oil gas concentrations of the repeatability test

為了在爆炸流場(chǎng)的OH 基測(cè)量中實(shí)現(xiàn)激光器發(fā)出激光、點(diǎn)火器點(diǎn)火、ICCD拍攝的時(shí)序控制，同時(shí)為了在點(diǎn)火器控制信號(hào)為短路信號(hào)的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)，進(jìn)行了油氣點(diǎn)火與PLIF 測(cè)量的同步觸發(fā)控制研究，本文自行設(shè)計(jì)了一套時(shí)序參數(shù)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

該系統(tǒng)包含兩臺(tái)數(shù)字延時(shí)觸發(fā)器DG535 和數(shù)顯計(jì)數(shù)器DH48J，其中一號(hào)DG535 作為主控儀器，控制激光器、ICCD 和二號(hào)DG535 的觸發(fā)，二號(hào)DG535 控制高速相機(jī)和DH48J 的觸發(fā)，DH48J 延時(shí)后將接收到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為短路信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)火器。時(shí)序控制系統(tǒng)原理如圖3所示。具體控制過(guò)程如下：

（1）實(shí)驗(yàn)開展前，先用高速相機(jī)（拍攝頻率為2000 Hz）記錄從點(diǎn)火頭放電到火焰?zhèn)鞑ブ罯H 基拍攝位置所經(jīng)歷的時(shí)間t1。

圖2 時(shí)序控制系統(tǒng)Fig.2 Timing control system

（2）利用一號(hào)DG535 時(shí)序控制器實(shí)現(xiàn)ICCD 相機(jī)（約1 Hz）和染料激光器（10 Hz）的同步，使激光器的出光時(shí)刻就是ICCD 相機(jī)的拍攝時(shí)刻。手動(dòng)觸發(fā)一號(hào)DG535 發(fā)出信號(hào)，并同步將觸發(fā)信號(hào)傳遞給二號(hào)DG535，在一號(hào)DG535 的控制下延時(shí)t2后同時(shí)啟動(dòng)激光器和ICCD相機(jī)，此時(shí)暫時(shí)令t2=t1。

（3）二號(hào)DG535接收到觸發(fā)信號(hào)后，經(jīng)延時(shí)t3后同時(shí)輸出脈沖控制信號(hào)到高速相機(jī)和DH48J，高速相機(jī)（2000 Hz）開始工作，脈沖信號(hào)頻率設(shè)定與脈沖激光頻率相同。通過(guò)調(diào)整t3，保證ICCD 和高速相機(jī)同步拍攝，方法是將ICCD 與高速相機(jī)（2000 Hz）同時(shí)拍攝千分秒表，通過(guò)對(duì)比二者拍攝出的秒表讀數(shù)差異調(diào)整延遲時(shí)間t3。

（4）DH48J接收到觸發(fā)信號(hào)后，經(jīng)設(shè)定的延遲時(shí)間t4后觸發(fā)點(diǎn)火器點(diǎn)火。詳細(xì)來(lái)講，DH48J 有兩個(gè)作用，一是計(jì)數(shù)延時(shí)，記錄來(lái)自二號(hào)DG535 的低電平脈沖信號(hào)數(shù)量，二是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為短路信號(hào)，遠(yuǎn)程控制點(diǎn)火器的開關(guān)，當(dāng)記錄的脈沖數(shù)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，DH48J的輸出端閉合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制點(diǎn)火器點(diǎn)火。t4的值設(shè)定為計(jì)數(shù)20 個(gè)脈沖的時(shí)間，目的是避免拍攝到前20 個(gè)脈沖激光所經(jīng)過(guò)的火焰圖像。

（5）鑒于點(diǎn)火器響應(yīng)以及可能出現(xiàn)的電路對(duì)信號(hào)傳遞的延遲，根據(jù)高速相機(jī)（2000 Hz）的拍攝結(jié)果，對(duì)比火焰出現(xiàn)時(shí)刻與最近一個(gè)激光脈沖出現(xiàn)時(shí)刻的差異，據(jù)此調(diào)整ICCD 相機(jī)與激光器的延遲啟動(dòng)時(shí)間t2，使火焰出現(xiàn)、脈沖激光出現(xiàn)、ICCD 相機(jī)拍攝、高速相機(jī)拍攝同步，最終捕捉到OH 在282.522 nm激光作用下的熒光信號(hào)。

圖3 時(shí)序控制原理Fig.3 Principle of the time control

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 著火爆炸初期OH的變化規(guī)律

利用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（PLIF），測(cè)量了動(dòng)態(tài)燃燒場(chǎng)中OH 基的變化規(guī)律。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)油氣爆炸實(shí)驗(yàn)具有較好的重復(fù)性，火焰?zhèn)鞑サ囊?guī)律較一致。圖4 是1.8%油氣濃度下四次重復(fù)試驗(yàn)得到的點(diǎn)火后12 ms 時(shí)的火焰圖像，均呈現(xiàn)為指形火焰、有明顯的內(nèi)外焰分區(qū)，且火焰位置一致。因此可以認(rèn)為，不同重復(fù)實(shí)驗(yàn)的火焰結(jié)構(gòu)、火焰位置均具有較高的相似性。

圖4 重復(fù)實(shí)驗(yàn)拍攝的12 ms時(shí)的火焰圖像Fig.4 Flame images taken in repeated experiments at 12 ms

圖5 著火初期不同時(shí)刻火焰中OH基的分布及火焰圖像Fig.5 Distribution of OH radical in flame and flame images at different times in the initial period of deflagration

本文測(cè)量OH 基時(shí)，通過(guò)時(shí)序控制子系統(tǒng)調(diào)整點(diǎn)火器不同的點(diǎn)火時(shí)刻，獲得了火焰?zhèn)鞑ブ敛煌恢玫腛H 基分布圖，如圖5 所示，該圖是點(diǎn)火后的爆燃初期，火焰由弱到強(qiáng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程中OH 基的分布情況，上下兩側(cè)的深紅色條狀結(jié)構(gòu)表示管道壁面。

可以看出，在起爆階段OH 基集中分布在半球形火焰鋒面上，已燃區(qū)域OH 濃度相對(duì)較低，可以以O(shè)H 基團(tuán)集中分布區(qū)作為已燃區(qū)域和未燃區(qū)域交界面。根據(jù)圖5（a）～（d）中OH 所示的火焰結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)油氣在點(diǎn)燃后，火焰面沿徑向和軸向以均衡速度傳播，形成了圖5（a）所示的半球形火焰；而后火焰在化學(xué)反應(yīng)的作用下沿軸向和徑向加速傳播，其中越靠近中軸線和火焰尾部，加速現(xiàn)象越明顯，因而形成了圖5（b）所示的上窄下寬的尖錐形火焰；由于受到管壁的限制，火焰在徑向上傳播受阻，徑向速度逐漸減至很小，此時(shí)火焰主要沿軸向進(jìn)行拉伸，OH基集中于火焰前沿鋒面，形成了圖5（c）所示的火焰結(jié)構(gòu)。隨著火焰進(jìn)一步傳播，徑向火焰面與管壁之間形成了一條“隔離帶”，圖中流場(chǎng)各點(diǎn)的徑向傳播速度基本相同，徑向火焰鋒面上的OH 基濃度較之前有所增加，形成了圖5（d）所示的平行火焰結(jié)構(gòu)。

對(duì)圖5(c)～(d)的變化過(guò)程進(jìn)行分析?；鹧娴膫鞑ツ軌蛟斐晌慈?xì)怏w沿火焰鋒面法線方向運(yùn)動(dòng)，火焰鋒面前方未燃?xì)怏w受到壓縮，油氣濃度升高?；鹧嬖趶较蛏弦泊嬖谶@種運(yùn)動(dòng)，因此火焰上下邊緣與管道壁面之間的未燃?xì)怏w被壓縮，油氣濃度變大，油氣分子熱解氧化后產(chǎn)生的OH 基濃度增多，并集中在火焰鋒面處。但與此同時(shí)當(dāng)濃度高于一定限度時(shí)，油氣-空氣混合氣燃燒變得很慢。由于火焰鋒面前方未燃區(qū)的油氣濃度逐漸增大，未燃區(qū)與已燃區(qū)的物質(zhì)輸運(yùn)強(qiáng)度增大，未燃油氣在濃度梯度作用下逐漸反向擴(kuò)散進(jìn)入已燃區(qū)，當(dāng)油氣濃度降低之后，徑向火焰前端繼續(xù)維持燃燒，大量油氣分子分解，OH 基濃度增大。徑向火焰的這種傳播性質(zhì)造成圖5（d）中的火焰徑向傳播速度變得很慢。最終不同流場(chǎng)區(qū)域的徑向火焰鋒面達(dá)到同一水平，導(dǎo)致鋒面與壁面間“隔離帶”的形成。需要提到的一點(diǎn)是，“隔離帶”會(huì)隨著燃燒的進(jìn)行逐漸變窄直至消失。

圖6 不同時(shí)刻片狀激光區(qū)域內(nèi)OH基平均熒光強(qiáng)度的變化Fig.6 Variation of average LIF intensity of OH radical in the laser sheet region at different time

圖6 是觀察區(qū)域內(nèi)不同時(shí)刻OH 基熒光強(qiáng)度的變化規(guī)律。油氣點(diǎn)燃時(shí)刻，大量油氣分子熱解、氧化，生成的OH 基數(shù)量相對(duì)較多，且分布較為集中；隨后火焰沿管道軸向和徑向向外擴(kuò)散，由于受到傳熱傳質(zhì)效應(yīng)的影響，火焰與未燃?xì)怏w進(jìn)行熱交換和物質(zhì)輸運(yùn)，并向外輻射能量，造成火焰溫度降低，油氣燃燒強(qiáng)度減弱，OH 基濃度減小，熒光強(qiáng)度減弱（3 ms），但燃燒面積增大；然而隨著火焰的傳播，越來(lái)越多的未燃?xì)怏w進(jìn)行燃燒反應(yīng)，釋放的熱量逐漸累積增大，在鏈反應(yīng)的作用下更多活化基團(tuán)產(chǎn)生，在此基礎(chǔ)上，油氣燃燒反應(yīng)又逐漸變得劇烈，OH 基產(chǎn)量增加，因此其熒光強(qiáng)度逐漸增大（3～8 ms）。隨后在化學(xué)動(dòng)力學(xué)的驅(qū)動(dòng)下，更多OH 基經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，其熒光強(qiáng)度也更強(qiáng)（12 ms）。

2.2 不同位置的OH基濃度分布

狹長(zhǎng)受限空間的油氣爆炸是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的燃燒過(guò)程，由于受到燃燒反應(yīng)的影響，火焰結(jié)構(gòu)也不斷變化，從而導(dǎo)致不同空間位置處燃燒區(qū)域的火焰特征出現(xiàn)較明顯的差異。在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，火焰結(jié)構(gòu)的演變特征同時(shí)受燃燒反應(yīng)和流動(dòng)瞬變的耦合影響，而先前研究者們著重分析了流動(dòng)瞬變對(duì)火焰結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，針對(duì)燃燒反應(yīng)過(guò)程的分析相對(duì)欠缺，尤其是缺乏化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的空間分布特征分析；因此本文通過(guò)對(duì)狹長(zhǎng)封閉管道內(nèi)不同流場(chǎng)位置的火焰中OH 基團(tuán)的分布進(jìn)行測(cè)量，獲取了化學(xué)反應(yīng)的空間分布特征。在燃燒過(guò)程中，由于裂解而生成的氫、含氫的自由基及分子和氧所起的大部分反應(yīng)都能生成OH基，并釋放出大量的熱[31]。

圖7 流場(chǎng)內(nèi)不同位置的火焰中OH基的分布Fig.7 Distribution of OH radical in flames at different positions in flow field

圖7 是火焰?zhèn)鞑サ焦艿狼安?、中部和后部三處石英玻璃觀察窗時(shí)的OH 基分布狀態(tài)，觀察窗中心位置分別距點(diǎn)火端5 cm、50 cm、95 cm，每個(gè)圖中的上下紅色界線為壁面。圖7(c)是爆燃初期管道前部觀察窗內(nèi)火焰中的OH 基分布特征，OH 基主要集中在弧形的火焰鋒面上，說(shuō)明氫、含氫的自由基及分子的氧化反應(yīng)主要發(fā)生在火焰外側(cè)的區(qū)域；圖7(b)是爆燃中期管道中部觀察窗內(nèi)火焰出現(xiàn)“Tulip”形狀時(shí)OH 基的分布特征，此時(shí)OH 不再僅僅集中在火焰鋒面上，而是分布在火焰前端各個(gè)區(qū)域，且越靠近管道壁面濃度越大，這說(shuō)明氫或者含氫的分子的氧化反應(yīng)發(fā)生在整個(gè)火焰前端，壁面處的化學(xué)反應(yīng)更為強(qiáng)烈，且此時(shí)火焰與壁面之間也不存在“隔離帶”；圖7(a)是管道末端觀察窗內(nèi)爆燃后期火焰中的OH 分布特征，此時(shí)OH 主要分布在火焰前端靠?jī)蓚?cè)區(qū)域，從中間向上下兩側(cè)方向，OH 基分布范圍越來(lái)越廣，氫、含氫的自由基及分子的氧化反應(yīng)在整個(gè)火焰前端區(qū)域都在進(jìn)行。

圖8 流場(chǎng)不同位置處片狀激光區(qū)域內(nèi)OH基平均熒光強(qiáng)度的變化Fig.8 Variation of average LIF intensity of OH radical in the laser sheet region at different positions of the flow field

圖9 相同位置不同油氣濃度下的OH基分布Fig.9 Distribution of OH radical in the same region under different oil gas concentrations

OH 基是由裂解生成的氫、含氫的自由基及分子氧化而來(lái)，OH 基濃度越來(lái)越大，說(shuō)明燃燒過(guò)程發(fā)生了大量的裂解和氧化反應(yīng)。圖8是激光區(qū)域內(nèi)上述三個(gè)位置的火焰中OH 基平均熒光強(qiáng)度，熒光強(qiáng)度越強(qiáng)，表明OH 基濃度越大。從圖中可以看出，OH 基的LIF 強(qiáng)度隨著爆燃的發(fā)展越來(lái)越強(qiáng)，即火焰中的OH 基濃度越來(lái)越大，混合氣的裂解和氧化反應(yīng)越來(lái)越劇烈。OH 基熒光強(qiáng)度曲線斜率的大小反映了燃燒過(guò)程中裂解和氧化反應(yīng)劇烈程度變化的快慢，從圖中發(fā)現(xiàn)，相比于爆燃前期，爆燃后期反應(yīng)更為猛烈，更多油氣參與燃燒反應(yīng)，釋放的熱量也更大。

2.3 不同初始油氣濃度條件下的OH基濃度分布

初始油氣濃度是影響油氣爆炸性質(zhì)的一個(gè)主要因素。為探究不同初始油氣濃度造成火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈ǔ瑝旱缺ㄐ再|(zhì)差異的原因，對(duì)1.1%、1.8%、2.4%三種油氣濃度（體積分?jǐn)?shù)）下爆燃初期的OH 基分布進(jìn)行了研究，以分析其燃燒機(jī)制和化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)。圖9是上述三種初始濃度下爆燃初期火焰中OH 基的分布情況。根據(jù)顏色深淺可以判斷，三種工況下OH 基濃度的大小關(guān)系為：1.8%＞1.1%＞2.4%。1.1%濃度下，OH 基在火焰鋒面上的分布較為均勻，說(shuō)明火焰鋒面各處的化學(xué)反應(yīng)劇烈程度相當(dāng)，火焰向四周方向上的傳播速度相差不大，造成火焰呈近似的半球形。1.8%濃度下，OH 基大量集中在火焰鋒面前端，說(shuō)明前端化學(xué)反應(yīng)十分劇烈，火焰在軸向上呈明顯的加速傳播趨勢(shì)，形成了類似于山峰形狀的火焰結(jié)構(gòu)。2.4%濃度下，OH 基僅在火焰鋒面上有較弱的分布，油氣燃燒化學(xué)反應(yīng)很弱，火焰不能快速向外擴(kuò)散。

3 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)搭建了油氣爆炸PLIF 測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)的時(shí)序控制子系統(tǒng)解決了點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火、激光器脈沖激光發(fā)出、ICCD 拍攝相互之間的時(shí)間延遲問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)預(yù)混燃燒中OH基的瞬態(tài)測(cè)量。

（2）基于PLIF 系統(tǒng)，測(cè)量了不同工況下爆炸流場(chǎng)中OH 基的濃度大小及分布情況，分析了不同時(shí)刻、不同油氣濃度、不同流場(chǎng)位置的OH 基發(fā)光強(qiáng)度。結(jié)果表明，1.1%～2.4%油氣濃度之間，OH 基濃度先增大后減小；隨著火焰的傳播發(fā)展，OH 基濃度不斷變大，說(shuō)明爆炸在不斷強(qiáng)化；爆燃前期OH 基主要分布在火焰外沿，爆燃中期分布在Tulip火焰中的各處，爆燃后期分布在火焰前端，這說(shuō)明不同爆燃階段的燃燒反應(yīng)區(qū)域有較大差異；爆燃前期火焰與壁面之間有“隔離帶”，這是由未燃?xì)鉂舛仍龃髮?dǎo)致火焰?zhèn)鞑プ兟慕Y(jié)果。