基于可视化激波管的甲烷着火过程均质性解析

衡怡君 ，梁俊杰 ，张尊华 ，李格升 ，余福林

(1. 高性能船舶技术教育部重点实验室(武汉理工大学)，湖北 武汉 430063；2. 武汉理工大学 船海与能源动力工程学院，湖北 武汉 430063)

对于激波管[1]，可通过激波将可燃混合物绝热压缩至指定温度(900～2 500 K)和指定压力(0.11～10.00 MPa)，因而激波管被广泛应用于燃料中高温自着火及在此基础上的化学动力学等方面的研究[2-3]．

在利用激波管测量燃料着火延迟时间时，主要通过采集低压段测试段的压力与CH 或OH 信号(激发态)曲线来确定自着火阶段的始点和终点，而对燃料在激波管内着火过程的均质性研究较少．目前，有部分研究通过耦合高速摄像机对燃料的自着火过程开展了可视化．Ninnemann 等[4]研究发现，低燃料浓度条件(初始温度为 1 119 K、压力为 0.541 MPa、4%H2/2%O2/Ar(体积分数))下，混合气着火过程呈非均质状态，即着火首先发生在激波管内壁附近，并且从管圆周向管中心扩散，表明可能存在预着火效应；此外，对比H2/O2混合气着火过程图像以及压力与光信号曲线可知，预着火导致的早期能量释放不足以引起压力和光信号曲线的上升，仅基于激波管内低压段测试段压力和光信号无法说明管内着火为均质着火．Mansfield 等[5]拍摄了 H2/CO 在初始温度为870～1 150 K、压力为0.3～1.5 MPa 时的着火过程，根据H2/CO 着火过程中的化学发光信号，将燃料的着火方式分为强着火、弱着火和混合着火．当H2/CO为强着火时，空间内呈均匀的化学发光信号；着火方式为弱着火时，空间内存在火焰状的局部发光信号；着火方式为混合着火时，先燃烧区域呈火焰传播特征，但后燃烧区域呈均质着火特征．此外，还发现H2/CO 的着火方式与初始热力学状态有关．Troutman等[6]利用高速摄像机与像增强器结合的方法，获取了正庚烷着火过程中OH 化学发光图像，结果表明：当初始温度为1 159 K、压力为0.25 MPa 时，正庚烷存在部分区域先着火、随后未燃区域充分着火的特征．Figueroa-Labastida 等[7]分别从激波管径向和轴向拍摄了甲醇、乙醇和正己烷的着火过程，并将燃料的着火特征分为非均质着火、中间着火和均质着火3种．通过对比甲醇和乙醇的着火过程发现，乙醇的着火过程比甲醇更易呈非均质性．此外，正己烷在低浓度条件下着火比在高浓度下更接近均质．综上可知，一方面，仅利用压力与CH 或OH 信号曲线判断激波管内是否为均质着火存在一定不确定性；另一方面，对于不同的燃料类型和初始条件，其着火过程的均质性规律也存在显著差异，而确定燃料为均质着火又是判断试验数据准确性的前提．

甲烷作为结构最简单的稳定碳氢化合物，其反应机理是其他碳氢燃料反应机理的关键组成部分，提高其着火延迟时间的测试准确性具有重要意义．目前，国内外利用激波管试验装置多次测量了不同初始条件下甲烷着火过程中的压力及CH 或OH 信号曲线，以此计算得到了甲烷的着火延迟时间，且基于试验数据对其化学动力学机理进行了验证和完善，以使两者具有良好的一致性[1]．但鉴于前述关于燃料着火过程均质性规律的分析，有必要对甲烷自着火过程的均质特征开展可视化研究．

基于此，笔者利用可视化激波管装置，测量甲烷着火过程中压力和CH 信号曲线，并从激波管测试端轴向和径向对管内甲烷的着火过程进行拍摄，以分析不同初始温度下甲烷着火过程的均质性特征，同时通过计算，对初始温度和甲烷着火均质性的关系进行定量和定性分析．

1 试验与模拟方法

研究方法主要包括试验和模拟两部分．试验中，笔者对原有激波管试验装置[8-9]进行改造，将原激波管低压段的测试段替换为可视化结构，改造后激波管装置系统及可视化结构如图1 所示．其中，端壁和侧壁分别安装石英玻璃视窗，为高速摄像机记录激波管内的着火过程提供光学通道．端壁视窗的通光直径为114 mm，侧壁视窗通光尺寸为265 mm×72 mm，且侧壁视窗右侧边缘距离端壁为10 mm．此外，为了减少光线在穿过玻璃时的衰减率，分别在两块玻璃上涂覆了高增透膜，以提高透光率．

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic of experimental setup

图1a 中，改造后的激波管低压段长为6.8 m，高压段长度和内径均保持不变，分别为 3.0 m 和111.3 mm．选择氦气/氮气混合物作为高压段的驱动气体，试验中，通过机械泵将高压段抽至真空，然后充入相应压力气体．低压段侧壁安装有4 个压力传感器，即图1b 中第1～4 个传感器，用于记录激波传播时管内压力随时间的变化，可得激波速度．根据激波速度、入射激波前反应物的初始条件等，利用Gaseq 软件计算得到反射激波后反应物的温度和压力等状态参数[9]．在靠近测试段端壁的侧壁上安装压力传感器(图1b 中第5 个传感器)，用于测量反射激波后试验区的压力信号，直径为10 mm 的光学熔融石英玻璃视窗(图1b)用于测量着火过程中的发射光谱信号．图2 为试验获取的典型压力和光谱信号．试验中利用压力信号确定着火阶段的起始时刻；当CH发射信号(试验时利用单色仪测量激发态CH 信号)斜率达到最大值时，其对应切线与基线的交点为着火阶段终点时刻，起始与终点时刻的时间间隔即为燃料的着火延迟时间τign.

图2 甲烷-氧气-氮气着火过程中压力和CH典型信号Fig.2 Typical signals of pressure and CH spectrum during the ignition process of methane-oxygennitrogen mixture

利用高速摄像机记录燃料的着火过程．其中，侧壁和端壁所使用的两台高速摄像机均为Photron 公司生产，型号分别为Fastcam SA1.1(高速摄像机1-彩色)和Fastcam SA-Z(高速摄像机2-黑白)，拍摄频率为40 000 帧/s，高速摄像机1 和2 所拍摄的图片分辨率分别为512×256 和1 024×512．

试验中，低压段反应物甲烷、氧气和氮气均依据道尔顿分压定律由高压气瓶先注入混气罐中，在混气罐中预混至少12 h，以确保气体混合均匀，然后再根据试验条件将反应物从储气罐注入到低压段中．表1为试验条件及反应物组成，其中，各物质摩尔分数的计算方法参见文献[8]．

表1 试验条件及物质组成Tab.1 Experimental conditions and composition of reactants

试验过程中，反射激波后温度和压力的不确定性主要来自激波速度的测量误差，进而引起着火延迟时间的测量误差．根据一维正激波理论和误差分析方法，试验测量的着火延迟时间试验值误差不超过10%．

着火过程的数值模拟中，使用Chemkin-pro 软件中的Senkin 模块对甲烷/氧气/氮气的零维定容绝热过程进行模拟，可获得甲烷着火过程中的压力和CH(模拟时取非激发态CH)摩尔分数随时间的变化，同时，根据CH 摩尔分数达到最大值时对应的时间确定对应的着火延迟时间模拟值．目前，关于甲烷化学动力学机理已有了一定研究，笔者选取AramcoMech 2.0 机理[10]、GRI-Mech 3.0 机理[11]以及USC-MechⅡ机理[12]对甲烷的着火延迟时间进行模拟．

2 结果与讨论

2.1 可视化激波管测试试验数据复现性

利用激波管装置测量了不同初始条件下甲烷的着火延迟时间，并与文献[13]试验值及改造前激波管测得的文献[1]试验值对比，如图3 所示．相同试验工况下，改造后激波管测得的试验值与文献[13]及改造前测得的试验值一致性较好，说明改造后激波管能准确复现相同工况下已有的甲烷着火延迟时间试验值．

图3 温度为1 250～1 667 K、压力为1.07 MPa 和当量比为0.5条件下甲烷的着火延迟时间Fig.3 Ignition delay times of methane at temperature of 1 250—1 667 K，pressure of 1.07 MPa and equivalence ratio of 0.5

同时，对比各机理的甲烷着火延迟时间模拟值可知，该研究工况下，与GRI-Mech 3.0 机理相比，AramcoMech 2.0 和USC-Mech Ⅱ机理的模拟值与试验值具有更高的一致性．同时，从趋势上来看，AramcoMech 2.0 和USC-Mech Ⅱ机理的模拟值随温度的变化存在交叉现象，当温度较高(≥1 450 K)时，甲烷着火延迟时间的试验值趋于与AramcoMech 2.0 机理的模拟值一致，但是当温度逐渐降低(≤1 450 K)时，试验值逐渐与USC-MechⅡ机理的模拟值相吻合，说明对于较宽初始条件范围内甲烷的着火过程，不同的机理在预测上有一定不确定性，有必要对甲烷的着火过程进行可视化研究，分析试验值的准确性．此外，考虑到笔者主要研究甲烷着火过程的均质性，结合AramcoMech 2.0 和USC-Mech Ⅱ机理对甲烷着火过程的预测能力，仅选择AramcoMech 2.0机理用于后续甲烷着火过程的模拟．

2.2 甲烷均质着火过程分析

笔者根据从端壁和侧壁拍摄到的激波管内着火过程以及压力和CH 信号曲线试验值和模拟值，研究了不同初始温度下甲烷的着火过程．试验在初始温度分别为 1 547、1 484、1 286 和 1 276 K、压力为1.07 MPa、当量比为0.5 且N2稀释率为75%下进行．

图4、图5 和图6 分别示出初始温度为1 547 K时，甲烷着火过程中端壁和侧壁拍摄的图像序列以及压力和CH 信号曲线的试验值和模拟值．图4、图5的图像均是按照时间排序，且每个图中的起始时刻不同，因而定义图4 中第1 张图片对应时刻为τ1a，图5中第1 张图片对应时刻为τ1b，在此基础上，给出了其他图片与第1 张图片的时间间隔；重点呈现甲烷着火过程中激波管内发生的变化．图4 中，第1 张为激波管内甲烷未发生着火，此时管内全黑．着火发生时，激波管内的光亮首先出现在管内壁一周(图4b)，说明在研究条件下，甲烷着火过程中存在预着火现象．该现象的发生是由于在实际激波管试验中，气体存在黏性效应，导致气体在壁面附近边界层内减速，动能转化为热能，边界层内的流动为非等熵过程，造成激波管内壁边界层内的温度高于管中心区域温度，进而引发预着火现象[14]．从图4c～4h 可以看出，尽管管内壁处光亮存在逐渐增加的趋势，但结合管内壁出现着火到管中心区域发生着火的时间间隔、着火延迟时间试验值以及图6a 中着火延迟时间范围内压力基本保持不变的特征，说明此时管内壁处着火对管内反应物所处状态及中心区域着火的影响较弱；随后管中心区域自发产生均匀分布的光亮，且光亮逐渐增强，说明此时管体空间内甲烷发生了充分着火．此外，结合图5 可以看出，光亮首先出现在低压段的端壁附近，且其呈蓝色，随后光亮逐渐向远离端壁的方向传播，因而可以说明在研究条件下，着火首先发生在低压段端壁附近．该现象与 Figueroa-Labastida等[7]获得的甲醇在温度为1 112 K、压力为0.13 MPa条件下的侧壁成像结果一致，即甲醇均质着火时，着火位置接近端壁位置．

图5 甲烷的均质着火过程激波管侧壁拍摄图像序列Fig.5 Images taken at the sidewall of shock tube for homogeneous ignition of methane

图6 甲烷的均质着火过程压力和CH信号Fig.6 Signals of pressure and CH spectrum for homogeneous ignition of methane

图 6b 中，对比试验测得的 CH 信号曲线与AramcoMech 2.0 机理的模拟值可以看出，在研究条件下，尽管模拟中由于着火导致CH 信号曲线迅速上升的时刻早于试验，即模拟中CH 信号曲线突变时刻为 147 μs，而试验中 CH 信号曲线突变时刻为157 μs，但二者差异仅为10 μs，是试验测量着火延迟时间的6.4%，因而CH 信号曲线的试验值和模拟值具有良好的一致性．

尽管甲烷着火过程中管内壁一周存在预着火现象，但其并未形成火焰影响管中心区域着火(图4)，管内呈均匀的光亮图像，且着火位置接近端壁．从反应物能量密度的角度来看，该条件下甲烷含量少，其摩尔分数仅占反应物的5%，因而反应物能量密度较低，由管内壁的预着火点引起管中心区域着火的可能性较低[15]．此外，由于初始温度较高(1 547 K)，其着火延迟时间仅为157 μs，因而该着火过程较快，限制了管内壁的预着火点影响管中心区域着火．同时，图6a 中并未发现由于预着火导致的压力上升趋势．综上可知，在研究条件下，甲烷在激波管内的着火可视为均质着火过程．

2.3 甲烷近似均质着火过程分析

为分析反射激波后甲烷其他着火特征，降低初始温度为1 484 K，研究了对应甲烷着火过程的端壁和侧壁拍摄图像序列及压力和CH 信号曲线试验值和模拟值，结果如图7、图8 和图9 所示．图7 中，与图4 类似，图7b 中的光亮首先出现在管内壁一周，说明温度为1 484 K 条件下，甲烷着火过程中同样存在预着火现象，但该条件下管内壁处光亮面积存在逐渐增大趋势，具体如图7e～7g 所示，管内壁处光亮区域界线红色虚线逐渐向管中心区域移动，说明温度为1 484 K 条件下管内边界层效应的影响强于图4 中温度为1 547 K 条件下的影响．根据Ninnemann 等[4]的研究，随着着火初始温度的降低，边界层效应将增强，图7 中激波管内甲烷的预着火区域发展规律与此机制吻合．尽管温度为1 484 K 条件下边界层效应加强，但其并未影响管中心区域均匀着火的发生，图7h中，管中心区域产生局部光亮(绿色虚线围成的区域)，随着时间推移，该区域光亮强度和面积逐渐增加，直至管内充分着火．因此，同图4 类似，尽管温度为1 484 K 下激波管内也存在预着火且有局部火焰传播现象，但该着火区域并未持续传播而引燃管中心区域着火，且图9a 中反射激波后平台期压力未出现明显上升，因而可以说明在温度为1 484 K 条件下激波管内中心区域的着火依然是均匀的．此外，结合图4和图7，也暗示预着火区域的存在不一定会导致非均质着火的发生．

图7 甲烷近似均质着火过程的激波管端壁拍摄图像序列Fig.7 Images taken at the endwall of shock tube for approximate homogeneous ignition of methane

图8 甲烷近似均质着火过程的激波管侧壁拍摄图像序列Fig.8 Images taken at the sidewall of shock tube for approximate homogeneous ignition of methane

图9 甲烷近似均质着火过程的压力和CH信号Fig.9 Signals of pressure and CH spectrum for approximate homogeneous ignition of methane

图8 中，尽管侧壁光亮同样首先出现在靠近低压段端壁附近，但其光亮长度较图5 中对应区域长，推测温度为1 484 K 时甲烷着火发生位置比温度为1 547 K 时距离端壁位置远．此外，对比图9b 中试验测得的CH 信号曲线与利用AramcoMech 2.0 机理得到的模拟值可以看出，同图6b 一样，尽管模拟中由于着火导致CH 信号迅速上升的时刻(271 μs)晚于试验(254 μs)，但二者差异仅为试验值的6.6%，一致性较好．综上，尽管温度为1 484 K 条件下激波管内甲烷着火过程中存在较显著的预着火现象，且有一定火焰传播，但并未影响管中心区域着火过程，该类着火可视为近似均质着火过程．

2.4 甲烷非均质着火过程分析

Figueroa-Labastida 等[7]研究发现，甲醇在初始温度和压力分别为1 112 K 和0.13 MPa 时的着火过程呈均质着火特征，随着初始温度降至941 K，甲醇的着火过程呈非均质着火特征，因而对于甲醇，其非均质着火倾向于发生在初始温度较低的条件下．为了分析甲烷的非均质着火过程，笔者进一步降低初始温度为1 286 K，研究对应的甲烷着火过程，如图10～图12 所示．图10 中，初始温度为1 286 K 条件下，管内点状着火点首先出现在管内下方壁面处，数量持续增加，该点状着火点区域逐渐向中心扩展(图10b～10c)，且光亮较弱．随着时间推移，在图10d 中，左下方管内壁位置出现明显的光亮区域，并逐步增强，直到从右下方管内壁位置出现第二个光亮区域(图10g)，随后两个光亮区域逐渐融合，并向管内中心区域传播，直至管内均充满光亮，说明此时甲烷在管内完成了燃烧过程．对比图4 和图7 可知，初始温度为1 286 K 时甲烷的着火过程发生了显著变化：在该初始温度下，甲烷在管内的充分着火燃烧是由于前期预着火区域逐渐增大和传播所导致的，火焰传播主导了管内甲烷的着火燃烧．通过侧壁成像可知，与更高温度下的着火过程相比，该温度条件下首次出现光亮的长度最长，因而着火出现的位置距离低压段端壁最远(图11)．

图10 初始温度为1 286 K 下甲烷非均质着火过程的激波管端壁拍摄图像序列Fig.10 Images taken at the endwall of shock tube for nonhomogeneous ignition of methane with initial temperature of 1 286 K

图11 初始温度为1 286 K 下甲烷非均质着火过程的激波管侧壁拍摄图像序列Fig.11 Images taken at the sidewall of shock tube for nonhomogeneous ignition of methane with initial temperature of 1 286 K

图12 初始温度为1 286 K 下甲烷非均质着火过程的压力和CH信号Fig.12 Signals of pressure and CH spectrum for nonhomogeneous ignition of methane with initial temperature of 1 286 K

此外，图12 分别给出了压力和CH 信号的试验值与利用AramcoMech 2.0 机理得到的模拟值，两者存在显著差异．对于试验测得的压力信号曲线，在反射激波后的平台期，预着火导致压力提前上升(图12a 中红色虚线标注区域)，这与初始温度为941 K、压力为0.17 MPa 条件下甲醇非均质着火过程[4]中压力的变化趋势相一致．图12b 中，试验测得的CH 信号曲线迅速上升时刻(1 493 μs)显著早于模拟值(2 423 μs)，二者的差值为 930 μs，占试验值的62.3%．这种压力和CH 信号的试验值与模拟值存在显著差异的现象在初始温度为 1 045 K、压力为1.7 MPa、当量比为1.0 的正庚烷/氧气非均质着火过程中也被观察到[15]．

图13～图15 示出初始温度为1 276 K 下甲烷非均质着火过程的激波管端壁拍摄图像．激波管内存在杂质颗粒，将会对管内着火产生一定影响[6]，为排除图10 中是由于杂质导致着火首先出现在下方管内壁位置，首先对激波管内进行了清洁，随后开展了类似初始条件下的甲烷自着火试验和模拟．可知，初始温度为1 276 K 条件下端壁和侧壁的着火特征与初始温度为1 286 K 条件下一致，即管内首先出现明显的预着火区域，面积逐渐增加进而引燃未燃区域，且着火倾向于发生在远离低压段端壁的位置．此外，对于压力、CH 信号，其试验值与模拟值突然上升对应的时刻之间均差异较大．同时，图15a 中试验测得的压力信号曲线平台期未出现由于预着火导致的压力上升趋势，说明在激波管内甲烷的着火过程中，仅依靠试验测得的压力信号无法准确判断管内是否存在预着火区域引燃未燃区域现象．

图13 初始温度为1 276 K 下甲烷非均质着火过程的激波管端壁拍摄图像序列Fig.13 Images taken at the endwall of shock tube for nonhomogeneous ignition of methane with initial temperature of 1 276 K

图14 初始温度为1 276 K 下甲烷非均质着火过程的激波管侧壁拍摄图像序列Fig.14 Images taken at the sidewall of shock tube for nonhomogeneous ignition of methane with initial temperature of 1 276 K

图15 初始温度为1 276 K 下甲烷非均质着火过程的压力和CH信号Fig.15 Signals of pressure and CH spectrum for nonhomogeneous ignition of methane with initial temperature of 1 276 K

因此，在初始温度为1 286 与1 276 K 条件下，甲烷着火过程呈现出预着火区域传播引燃未燃区域特征，且倾向于在远离低压段端壁的位置发生着火；对于可准确预测甲烷着火延迟时间的机理，此时压力和CH 信号的试验值与机理的预测值之间一致性较差，因而该条件下甲烷的着火可视为非均质着火．

2.5 甲烷着火过程中初始温度与均质性关系

燃料着火均质性与燃料浓度、活性组分分布以及温度均匀性等因素相关[16]．对于激波管内甲烷着火试验，由于反应物为预混合气体，因而管内着火均质性主要受温度分布影响．还可以看出，在所研究的初始条件下，激波管内甲烷的均质和非均质着火过程均可能存在预着火现象，且不同初始温度下，预着火对其着火过程的影响程度存在显著差异．其中，预着火的产生和传播将导致甲烷着火过程呈非均质特征．激波管内预着火的发生与反射激波后测试区域内的温度不均匀性(边界层效应引起[14])、燃料的热力学状态等相关．Shao 等[15]研究发现，即使在设计良好的激波管试验中，反射激波后燃料的热力学状态也会存在轻微的非均匀性．为了定量分析不同初始温度下甲烷着火过程中测试区温度的均匀性，根据试验测得的CH 信号曲线，由式(1)计算了所研究试验条件下测试区温度均匀度[6]，计算结果见表2．

表2 式(1)中相关参数的数值Tab.2 Values of the relevant parameters in Eq.(1)

式中：τign为着火延迟时间；Δτign为CH 曲线初始上升时刻(图6b 中τ1)与着火延迟时间τign之间的差值；Ea为活化能；R 为通用气体常数，其值为8.314 5×10-3kJ/(mol·K)；T 为初始温度；ΔT 为预着火点处温度与初始温度的差值；ΔT/T 为反射激波后测试区温度的非均匀度．

从表2 可以看出，对于激波管内甲烷的着火过程，在不同初始温度条件下，反射激波后测试区均存在一定的温度非均匀度．在初始温度为1 547 K 条件下，甲烷的着火过程为均质着火特征，其温度差也约为20 K，这与图4 中观察到的预着火和中心区域弱光区现象相一致．此外，当激波管内甲烷为均质着火时，测试区温度非均匀度仅为1.2%；但当甲烷着火过程为非均质时，测试区温度非均匀度显著上升至2.8%，说明在所研究的条件下，激波管内甲烷着火过程中测试区温度非均匀度随初始温度的降低而升高，也即初始温度较高时测试区温度分布较初始温度较低时更均匀．

为了进一步研究激波管内甲烷着火过程中温度梯度与着火均质性的关系，笔者利用AramcoMech 2.0 机理模拟计算了dτ/dT 随初始温度的变化[17]，如图16 所示，其中，初始温度和压力分别为1 000～1 667 K 和1.07 MPa，当量比为0.5，N2稀释率为75%．对于dτ/dT，其值接近于0，说明初始温度发生一定变化时，对应着火延迟时间不会发生显著变化，从而初始温度的不均匀性对着火均匀性的影响越弱，着火越倾向于均质．可知，当dτ/dT 的绝对值高于某个值时，燃料着火会倾向于非均质[15]．为了区分甲烷均质和非均质着火区域，针对所研究条件下甲烷的着火过程，假设当dτ/dT 小于-15 μs/K 时，甲烷自着火过程更容易呈非均质特征[15]．此外，为了有效区分甲烷均质与非均质着火的条件区域，笔者将近似均质着火过程归于均质着火过程进行分析．

图16 甲烷着火均质性区域Fig.16 Regions of ignition homogeneity for methane

图16 中，当初始温度高于1 300 K 时，dτ/dT 大于-15 μs/K，说明当初始温度高于1 300 K 时，甲烷的自着火过程趋于均质；降低温度为1 300 K 以下时，dτ/dT 小于-15 μs/K，甲烷着火过程逐渐倾向于非均质，前述可视化激波管的试验结果与此结果一致，即初始温度为1 547 K 和1 484 K 条件下，激波管内甲烷为均质着火，而降低温度为1 286 K 和1 276 K 时，甲烷为非均质着火．对于甲烷，在所计算的初始温度范围内，dτ/dT 随初始温度的提高呈单调递增，但该规律与正庚烷/氧气在初始压力为1.5 MPa、初始温度为700～1 300 K 且当量比为1.0 时的dτ/dT 变化有显著差异[15]．对于正庚烷，在上述条件下，dτ/dT 随温度的变化存在两个低于假设值的区域：中温区和低温区；但当初始压力升高至6 MPa 时，正庚烷dτ/dT随初始温度的变化规律与图16 中甲烷dτ/dT 随初始温度的变化规律一致，可知不同初始条件下，各燃料着火过程的均质性规律存在差异．

3 结 论

(1) 不同初始温度下，甲烷的着火过程可分为均质着火、近似均质着火和非均质着火；初始温度为1 547 K 条件下，甲烷发生均质着火，其特征为激波管中心区域着火均匀，着火位置接近端壁；初始温度为1 484 K 下甲烷近似均质着火时，管内壁周向光亮存在逐渐增强趋势，且着火位置距端壁位置较远；初始温度为1 286 K 和1 276 K 条件下，甲烷非均质着火时，激波管内出现明显的预着火点，且面积逐渐增大，传播引燃未燃区域，着火位置距端壁最远．

(2) 当激波管内甲烷着火呈非均质特征时，对于可准确预测甲烷着火过程的化学动力学机理，压力和CH 信号曲线的试验值与机理预测值之间具有显著差异；且试验测得的压力信号曲线不一定会出现由于预着火导致的压力上升趋势，试验采集的压力和CH 信号曲线不能完全反映甲烷的预着火特征．

(3) 激波管内甲烷着火过程的均质性与反射激波后测试区的温度均匀性具有强关联性．