2 500 K高溫穩定碳氫燃料燃燒環境CARS測量試驗

王朝宗，白冰，齊新華, *，陳爽

1.中國空氣動力研究與發展中心 設備設計與測試技術研究所，綿陽 621000 2.空氣動力學國家重點實驗室，綿陽 621000

中國空氣動力研究與發展中心（China Aerodynamics Research and Development Center，CARDC）設備設計與測試技術研究所光譜診斷實驗室基于小分子碳氫燃料體系在國內首次搭建了最高溫度可達2 500 K的高溫穩定層流燃燒便攜試驗系統，并于2022年5～8月使用相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy，CARS）火焰溫度測量技術完成了寬范圍溫度環境的測量試驗，多工況的溫度測量結果位于1 713～2 530 K的寬溫度（約800 K）范圍內。

溫度高于2 300 K的高溫環境多出現于先進的航空航天發動機燃燒室，此類燃燒環境均有較為復雜的熱管理或熱防護設計。對于實驗室量級的測溫技術研究和發展，此類燃燒環境有2個難點：一是實現成本和難度較大，二是燃燒流動過程較為復雜。目前公開文獻少有實驗室量級、穩定性高、工作時間長、實現方式便捷且溫度高于2 300 K的燃燒環境的報道。此次試驗基于McKenna平面火焰預混燃燒器，以甲烷作為燃料、氧氣/氮氣混合氣作為氧化劑，以預混形式進入燃燒器集氣腔，通過調節當量比和預混氣中不參與化學反應的氮氣占比實現不同燃燒溫度。CARS溫度測量系統如圖1所示。采用非穩腔空間增強探測（USED）的相位匹配方式，將泵浦光和探測光整形為環形光束，并與Stokes光聚焦于測試燃燒器爐面上方流場被測位置，通過帶有ICCD陣列的光譜儀采集CARS信號，采用CARSCF計算程序對光譜進行多參數擬合，最終得到測點溫度。

圖1 CARS溫度測量系統

表1給出了7種工況的狀態參數和距離爐面3個不同高度測點的溫度測量結果。測點1～3的高度分別為5、10和15 mm。前3個工況是為驗證測溫技術而對已報道工況的重復，后4個工況則是為實現更高溫度而自行設計的。通過設計匹配多變量之間的相互關系、調整當量比以及氧氣的含量，此次試驗實現了高達2 500 K的穩定層流燃燒環境，表中7種工況、3個測點的21個溫度測量結果在200 s內的溫度波動低于5%。表中提供的溫度環境（特別是高于2 300 K的溫度環境）可以為抗高溫材料定量考核、高溫溫度測量技術校準與驗證、高溫燃燒機理研究及高效實驗室研究環境提供方便。

表1 不同工況狀態參數及 CARS 溫度測量結果