2.1.2　油料池火焰光譜特性分析

SSGP-GXJL100動態瞬時光譜輻射計測得的數據為火焰輻射亮度經過光電轉換后的電壓信號。實驗測得的一組0^?柴油池火燃燒火焰原始光譜信號結果如圖2.3所示。從圖中可以看出，在700～800nm范圍內電壓信號較強，在750nm附近存在一個電壓信號最大值。油池火燃燒從點燃至熄滅一般需經過三段發展歷程：起火發展階段、穩定燃燒階段及衰減熄滅階段，油池火燃燒三個階段的燃燒強度可用質量損失速率表征，如圖2.4所示。其中在起火發展階段燃料與氧氣發生劇烈氧化反應，并伴隨著發光發熱的現象，在該階段火焰溫度急劇上升，質量損失速率不斷增加，對應圖2.4中的階段Ⅰ；到了穩定燃燒階段池火溫度在最高值附近上下波動，該階段火焰溫度平均值較為穩定，質量損失速率達到最大值，如圖2.4中的階段Ⅱ；隨著燃燒過程的進行，燃料逐漸消耗殆盡，燃燒隨即進入衰減熄滅階段，溫度急劇下降直至燃燒停止，質量損失速率在該階段不斷減小，對應圖2.4中的階段Ⅲ。0^?柴油在圖2.3中用虛線勾選出來的譜線，電壓信號幅值在同組實驗中較低，即在火焰的起火發展及衰減熄滅階段測得的光譜信號，該階段火焰向外輻射能量減少，電壓信號強度低，符合油池火燃燒發展機理。研究表明火焰溫度對火焰光譜的亮度具有一定影響。

光譜輻射儀測試得到的原始數據為電壓信號，由于光譜儀在不同波段處的響應是不同的，為獲得火焰輻射亮度信號，必須對原始電壓信號進行校正，光譜信號系數校準曲線如圖2.5所示。

將電壓信號校正成輻射亮度信號方法為：

R_λ=C_λV_λ　?。?.1）

式中，R_λ表示波長λ處火焰光譜輻射亮度；C_λ表示波長λ處的校正系數；V_λ表示波長λ處電壓信號。

火焰燃燒過程中溫度波動變化及自身的脈動特性，使火焰輻射具有不同的強度。當物體的溫度一定時，物體對外發射通量密度可通過普朗克方程及物體的發射率計算：

　?。?.2）

式中，h表示普朗克常數，h=6.63×10^-34J·S；c表示光速，c=3×10⁸m/s；k表示玻爾茲曼常數，k=1.38×10^-23J/K；ε為物體的輻射發射率，是一個無量綱數值，大小在0～1之間，物體發射率與物體自身性質及波長有關；T表示溫度。式中，B（λ，T）表示普朗克方程，用于描述絕對黑體輻射通量密度，黑體是一個理想化的特殊物體，黑體對外界能量只吸收不反射。本研究中將火焰視為朗伯體，不考慮火焰輻射在不同方向上的差異，測試得到的火焰光譜輻射亮度為：

　?。?.3）

物質在外界能量的激發作用下可產生特征譜線，本研究目標是各油品燃燒的火焰，同時也是激發燃燒產物的能量源。實驗過程中對各油品穩定燃燒階段的火焰光譜進行了多次測量，火焰光譜的輻射亮度隨波長的變化規律如圖2.6所示。由于油料燃燒過程中火焰脈動的影響，同一種油品的火焰光譜多次測量數據之間存在一定波動，本質上并沒有不同。各油品及混合油品池火焰光譜輻射亮度隨波長變化規律相似，在354～700nm波段范圍內光譜強度較低，在700nm后各組光譜曲線呈指數函數形式增加。油池火燃燒是高溫油蒸氣與空氣之間發生的劇烈的氧化反應過程，空氣不斷被卷吸進火焰內部，因此火焰在燃燒過程中存在較大的脈動頻率，對外輻射能也在平均值附近波動。當池火焰從穩定燃燒階段向衰減熄滅階段過渡時，其發射光譜的強度逐漸降低。各組油料池火焰在紫外-可見光波段范圍內（354～780nm）特征發射波段的發射峰強度不明顯。油池火主要的燃燒產物包括H₂O、CO₂、CO及煙塵顆粒等，各油品池火焰的光譜特征如圖2.6中放大區域顯示，在810nm處存在微弱的發射峰，是燃燒產物H₂O的特征峰。

不同物質由不同的分子及原子構成，因此其光譜具有區別于其他物質光譜的特征。實驗所選用的幾種油品均提煉于原油。柴油主要由直鏈烷烴、支鏈烷烴及芳香烴等烴類組成，其中芳香烴占30%～35%。柴油的黏度較大，與汽油相比，柴油的長鏈C—H的比例更高，但芳香烴含量低于汽油。航空煤油成分復雜，包含上千種化合物，其中有機化合物包括碳原子數目不同的鏈烴、環烷烴等烴類，結構復雜的芳香族化合物，各成分隨油品產地的不同而變化。航空煤油不易蒸發，燃燒熱穩定性好，熱值較高，適用于渦輪發動機及沖壓發動機，由于其使用環境的限制，其中總的芳烴及烯烴含量要低于一定的限值，例如美國的JP-4航空煤油。汽油除了包含烷烴及環烷烴等烴類物質外，還包括含有硫、釩等雜原子的化合物，92^?與95^?汽油的區別主要在于辛烷值的不同。汽油與航空煤油相比更易揮發，燃燒發展速度更快。綜上分析，實驗中所選用的各油品主要由烴類化合物組成，在開放空間條件下，火焰燃燒過程中將產生多種自由基參與反應，燃燒的主要產物為H₂O、CO₂、CO及煙塵顆粒等，無明顯差別，因此各油品及混合油品池火焰光譜特征相似。