中国空间站燃烧科学实验系统PIV 单元地面试验*

何丽芳 郑会龙 王希坤 杨肖芳 张晓武

1(江苏大学流体机械工程技术研究中心 镇江 212013)

2(中国科学院工程热物理研究所 北京 100190)

0 引言

燃烧是获取能源的主要手段，加深对燃烧的理解对高效利用能源、控制燃烧污染等具有重要意义。重力使燃烧过程中质量及能量传递趋于复杂化，因此经典燃烧理论大多忽略了重力的影响[1]。微重力环境具有抑制自然对流、消除重力沉降效应的优势，有利于实现静止、低速流动及稀燃极限（低当量比）的燃烧，拓宽燃烧时空尺度，实现被浮力诱导效应而掩盖的次级力对燃烧影响的研究。微重力燃烧研究对深入探索燃烧过程的基本特征和规律以及促进燃烧理论和应用技术的发展具有不可替代的作用[2]。

空间站、航天飞机和实验卫星等航天飞行器都可以提供长时间、稳定的微重力燃烧实验环境。国内外在航天飞行器上规划并开展了许多与微重力燃烧相关的科学研究工作，包括微重力下扩散火焰燃烧特性研究[3-5]、孤立液滴和液滴云燃烧特性研究[6-7]、防火材料燃烧试验研究[8-12]等。中国目前正开展空间站建设任务，规划了数个空间站微重力研究单元，微重力燃烧实验研究是空间研究计划的核心内容之一。由于微重力燃烧实验具有很高的技术难度以及很大的不确定性，其所需资源、成本远高于普通实验室的燃烧实验，因此需要在满足燃烧流场测量功能的要求下，综合考虑燃烧实验测量方法的前沿性、可行性及经济性。

激光流场诊断技术是20 世纪70 年代后以激光技术和计算机图像处理技术为基础发展起来的先进测量技术，因其不影响流场自身结构的优点而得到广泛应用。表1 总结了目前常用的激光流场诊断技术，其中激光诱导荧光技术（LIF）只能给出定性化流场信息，激光多普勒测速法（LDV）只能进行单点测量，可调谐二极管激光吸收光谱技术[13]（TDLAS）的空间分辨率太低，而粒子图像测速技术（PIV）可以提供全局流场瞬时速度，最适合燃烧流场的测量。

表1 激光流场诊断技术Table 1 Laser diagnostic technology of flow field

PIV 技术常用的双脉冲激光器具有尺寸大、质量大的缺点，无法满足空间布局与发射重量要求，因此需要研制适用于空间站燃烧科学实验系统的小型连续激光器。为验证小型连续激光PIV 测试单元的功能和可行性，更好地完成微重力环境下的PIV 燃烧流场测量，必须开展前期地面试验研究。

本文通过已研制的PIV 测量单元研究连续激光器的光强对粒子成像效果的影响，验证PIV 测量单元对低速流场测量的可行性；基于与在轨状态一致的连续激光器与相机的空间布局，搭建地面层流圆孔射流试验平台，选取Al2O3，TiO2，ZrO2三种示踪粒子开展冷态与热态试验，分析不同示踪粒子对燃烧流场的表现，并进一步验证PIV 测量单元对低速燃烧流场测量的可行性。

1 燃烧科学实验系统PIV 单元

燃烧科学实验系统是用于开展微重力燃烧科学实验研究的综合性科学实验平台，具备燃烧流场测量功能。空间站对燃烧科学实验系统的功耗、质量、尺寸与散热等方面有严格的设计限制。由于空间约束，必须将复杂的科学装置以及精确的光路设计在有限的空间内，完成高紧凑性、高可靠性系统集成[14]。图1所示为燃烧科学实验系统PIV 单元，主要包括连续激光器与高速相机，二者成直角分布。连续激光器主要由电源模块、控制模块、液冷模块与泵浦激光模块组成，设计功率为350 W，激光能量 ≥10 W，波长为532 nm，采用液冷冷却。连续激光器出射光束通过柱面透镜将激光光束扩展为扇形片光，通过球面透镜聚焦，形成毫米级片光，满足二维PIV 测量要求。高速相机由相机、光路模块组成，选用了具备高分辨率、高灵敏度、高帧速、高ISO 值、超高动态范围、低噪声和多种输出接口支持能力等优点的PCO.DIMAX.CS1（黑白版本），机身的抗冲击性能达到150g＞ 11 ms（所有轴），符合发射的力学要求。

图1 燃烧科学实验系统PIV 单元Fig.1 Combustion science experimental system of PIV unit

2 地面试验系统

地面试验系统由燃烧系统和连续激光PIV 测量系统组成（见图2）。PIV 测量系统包括连续激光器、水冷机、高速相机、示踪粒子发生器等装置。连续激光器型号为Nd∶YVO4泵浦激光器，激光功率为10 W，片光角度15°，波长532 nm，测量区片光厚度约为1 mm；高速相机（PCO.DIMAX.CS1）使用定焦镜头，分辨率为1296 pixel×1024 pixel，满分辨率下最高采集频率为3086 Hz，试验采集频率为2500 Hz。连续激光器和高速相机的主要参数列于表2。燃烧系统主要包括气瓶、质量流量控制器、燃烧器等。燃烧器出口直径为10 mm，能够产生稳定的轴对称火焰。

表2 连续激光器与高速相机主要技术参数Table 2 Main parameters of camera and laser

图2 试验系统Fig.2 Schematic of experimental system

为验证连续激光PIV 测量系统对低速流场测量的可行性，设计了两种地面试验方案，即冷态射流试验（简称冷态试验）与预混燃烧射流试验（简称热态试验）。冷态试验由压缩空气气瓶提供稳定气源，空气进入流化床式粒子发生器后再通入燃烧器。热态试验同时输入甲烷和空气，二者在文丘里射流器内混合后通入燃烧器，预混气体当量比为1。冷态试验与热态试验的出口速度保持一致，出口雷诺数为471.2，均为层流状态。

冷态试验与热态试验均选用0.2～0.5 µm 的Al2O3，TiO2和ZrO2三种示踪粒子。Al2O3，TiO2，ZrO2为三种常用于显示燃烧流场PIV 测量的固态耐高温粒子，其物性参数见表3。由于粒子速度能否准确反映流场速度是PIV 测速的关键[15]，因此要求示踪粒子具有良好的散射性与跟随性。其中，散射性用相对折射指数描述，一般要求大于1；跟随性用粒子的响应时间τ以及粒子与流场运动幅值比η描述，粒子响应时间越短，表明粒子跟随性越好。

表3 示踪粒子物理特性Table 3 Physics properties of the three tracer particles used

粒子响应时间为示踪粒子从静止状态达到与流体运动速度一致所用的时间，表达式[16,17]为

式中，ρp为粒子密度，dp为粒子直径，µ为空气动力粘度。这里取µ=1.846×10-5Pa·s（温度300 K）。

由于试验无法测量粒子响应时间，考虑到粒子响应时间对试验结果的影响，因此在试验中加长了粒子发生器与燃烧器之间的管路长度，增加了粒子的加速时间，使其速度更能接近空气速度，并与空气充分混合。

粒子与流场运动速度幅值比的定义为

式中，up为粒子速度，uf为流体速度。η越接近于1，表示粒子的跟随性越好，越能准确反映流场信息。粒子与流场运动速度幅值比的具体表达式为

式中，密度比σ=ρp/ρf，Ns表示斯托克斯数。

采用PIV View 软件对粒子图像进行后处理，基于快速傅里叶变换（FFT）和三点高斯拟合（3-Piont Gauss Fit）的互相关法计算粒子位移。后处理选择燃烧流场的主要流动区域作为感兴趣区域（ROI），设置视野大小为40 mm×40 mm，询问域（IA）大小为48 pixel×48 pixel，步长为16 pixel×16 pixel，重叠率为67%，最后生成50×50 个矢量。此时，速度场的空间分辨率为0.80 mm×0.80 mm。

3 结果与分析

3.1 冷态试验结果与分析

以激光面垂直于射流出口端面上方2 mm 并通过射流中心为O点（即坐标系原点），沿射流的中心线（竖直方向）为y轴，水平方向为x轴。

图3 给出了三种示踪粒子在相同试验工况下的冷态射流。由图3 可见，三种示踪粒子的射流宽度基本不变，射流边界清晰呈直线状态；粒子之间未出现黏连和拖尾现象，粒子清晰独立、分布均匀。图4 给出的是1000 幅原始图像经过后处理获得的平均速度矢量云图。可以看到，三种示踪粒子的流场分布一致，层流特征明显，连续性较好。射流边界层流体速度与主流方向一致，未出现漩涡，这说明该工况下流体卷吸作用不明显。

图3 三种示踪粒子在相同试验工况下的冷态射流Fig.3 Three tracer particles under the same non-reacting condition

图5（a）～（d）是三种示踪粒子在y=5 mm，15 mm，25 mm，35 mm 四个射流断面的速度分布，图5（e）是Al2O3粒子在四个射流断面上的归一化速度值与高斯分布曲线。由图5 可以看出，三种示踪粒子在不同射流断面的流速分布趋势非常一致，符合射流断面上的自保性特征（高斯分布），且流速最大值均在射流中心位置；射流边界层速度值出现波动，这是由于流体进入静止环境时，与周围流体间存在速度不等的间断面，间断面受到干扰。

图6 给出的是三种示踪粒子沿射流中心轴线速度分布。由图6 可见，在相同试验工况下，三种示踪粒子的中心轴线速度变化趋势一致，即随着射流出口距离增大，中心轴线速度呈微弱减小趋势。根据等密度气体射流理论，射流起始段中心轴线速度保持不变，而后中心轴线速度因射流间断面的卷吸和掺混作用使断面不断扩大，流速降低[18]。由于冷态试验属于低速流动，射流的卷吸和掺混作用很小，所以射流断面宽度变化较小，速度变化很小。另外，根据粒子物理特性，粒子相对于空气的密度比越小，受重力减速作用越小，则该粒子越能维持速度初值。在冷态试验中，Al2O3密度比最小，TiO2次之，ZrO2最大，因此Al2O3粒子的速度测量值比另外两种示踪粒子更接近理论出口速度值，速度幅值比更接近1。综合粒子物理特性分析与冷态试验结果，Al2O3粒子测量的速度值更接近理论值，更适合低速流场测量。

图6 三种示踪粒子沿射流中心轴上的速度分布Fig.6 Velocity distributions of the three tracer particles along the central axis of the jet

3.2 热态试验结果与分析

由于燃烧实验温度很高，火焰背景噪声大，使得高速相机光学元件容易发生像素感光饱和现象，因此必须验证连续激光PIV 对热态试验测量的可行性。

图7 是经过灰度处理的三种示踪粒子在预混火焰中的粒子信息场图像。由图7 可见，ZrO2粒子在火焰背景下，火焰出现了过曝光，导致此区域的粒子边界无法清晰区分，不符合后处理要求；TiO2粒子受到燃烧局部高温（可达1300℃）的影响，表面化学键可能在高温下发生缩合-团聚而导致粒径变大[19]，所以显示的粒子浓度较低，后处理时出现较多错误矢量；相比之下，Al2O3粒子显示的分布范围最大且最均匀，散射性好，用于后处理的速度矢量连续性最好。

图7 相同热态试验工况下的粒子信息场Fig.7 Particle information field under the same reacting condition

图8 是采用Al2O3粒子测量得到的热态流场平均速度矢量云图与不同燃烧断面的速度分布曲线。速度矢量云图显示，预混气体经过火焰锥面后改变方向，由竖直向上变为向两侧流动，热态流场的射流宽度约为冷态流场的2 倍。从燃烧断面的速度分布曲线可以看到，在y=1 mm 处，速度分布呈抛物线型分布，这是由于火焰根部的流场受温度梯度影响非常小，因此速度大小与冷态分布基本一致；在y=5 mm，15 mm 处，速度分布呈M 型，这是由于热态流场受到预混气体流动与温度梯度的共同作用，最大速度出现在距离射流中心7 mm 位置处，而射流中心速度受动量减少的影响而减小；随着高度增加，预混气体流动受火焰锥面的影响逐渐减小直至消失，射流速度趋于平均，呈倒U 型分布。

图8 Al2O3 粒子测量的热态流场Fig.8 Velocity measured by Al2O3 particles

热态流场的高速区域出现在燃烧反应中心区（高温区），即y=25～35 mm 燃烧断面中心。由连续性方程要求，有

式中，SL为 火焰传播速度，ρu为未燃气体密度，uu为未燃气体速度，ρb为已燃气体密度，ub为已燃气体速度A为区域面积。

结合式（4）分析可知，在燃烧反应中心区，燃烧产物密度小于燃气密度，所以充分燃烧区域的流体速度最大。对典型的常压烃-氧火焰，燃烧前后的气体密度比约为7，因而气流在火焰前后有明显的加速[20]，试验中热态流场速度能够达到1.75 m·s-1。

4 结论

根据空间站燃烧科学实验系统PIV 单元的技术要求，基于与在轨状态一致的连续激光器与相机的空间布局，搭建了地面层流圆孔射流试验平台，选取Al2O3,TiO2,ZrO2三种示踪粒子进行冷态与热态试验研究，验证了燃烧科学实验系统PIV 单元对燃烧流场测量的功能与可行性。研究结论如下。

（1）自主研制Nd∶YVO4泵浦连续激光器偏光角度合适，能够照亮被测流场主流区域；当连续激光功率为10 W 时，可记录清晰的粒子散射场信息，实现低速流场测速。

（2）Al2O3,TiO2,ZrO2三种示踪粒子在冷态试验中的流场分布趋势一致，符合射流断面上的自保性特征（高斯分布）；热态试验的流场分布符合理论分析，能够验证燃烧科学实验系统PIV 单元用于低速燃烧流场测量可行；Al2O3粒子在冷态试验的速度测量方面表现优于其他两种示踪粒子，且速度幅值比更接近于1，更适用于低速流场测量，此结论可为后续地面试验、天地对比试验提供粒子种类选择依据。