2.1.2　油料池火焰光譜特性分析

SSGP-GXJL100動(dòng)態(tài)瞬時(shí)光譜輻射計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)為火焰輻射亮度經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的一組0^?柴油池火燃燒火焰原始光譜信號(hào)結(jié)果如圖2.3所示。從圖中可以看出，在700～800nm范圍內(nèi)電壓信號(hào)較強(qiáng)，在750nm附近存在一個(gè)電壓信號(hào)最大值。油池火燃燒從點(diǎn)燃至熄滅一般需經(jīng)過(guò)三段發(fā)展歷程：起火發(fā)展階段、穩(wěn)定燃燒階段及衰減熄滅階段，油池火燃燒三個(gè)階段的燃燒強(qiáng)度可用質(zhì)量損失速率表征，如圖2.4所示。其中在起火發(fā)展階段燃料與氧氣發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)，并伴隨著發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象，在該階段火焰溫度急劇上升，質(zhì)量損失速率不斷增加，對(duì)應(yīng)圖2.4中的階段Ⅰ；到了穩(wěn)定燃燒階段池火溫度在最高值附近上下波動(dòng)，該階段火焰溫度平均值較為穩(wěn)定，質(zhì)量損失速率達(dá)到最大值，如圖2.4中的階段Ⅱ；隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，燃料逐漸消耗殆盡，燃燒隨即進(jìn)入衰減熄滅階段，溫度急劇下降直至燃燒停止，質(zhì)量損失速率在該階段不斷減小，對(duì)應(yīng)圖2.4中的階段Ⅲ。0^?柴油在圖2.3中用虛線勾選出來(lái)的譜線，電壓信號(hào)幅值在同組實(shí)驗(yàn)中較低，即在火焰的起火發(fā)展及衰減熄滅階段測(cè)得的光譜信號(hào)，該階段火焰向外輻射能量減少，電壓信號(hào)強(qiáng)度低，符合油池火燃燒發(fā)展機(jī)理。研究表明火焰溫度對(duì)火焰光譜的亮度具有一定影響。

光譜輻射儀測(cè)試得到的原始數(shù)據(jù)為電壓信號(hào)，由于光譜儀在不同波段處的響應(yīng)是不同的，為獲得火焰輻射亮度信號(hào)，必須對(duì)原始電壓信號(hào)進(jìn)行校正，光譜信號(hào)系數(shù)校準(zhǔn)曲線如圖2.5所示。

將電壓信號(hào)校正成輻射亮度信號(hào)方法為：

R_λ=C_λV_λ　　（2.1）

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

火焰燃燒過(guò)程中溫度波動(dòng)變化及自身的脈動(dòng)特性，使火焰輻射具有不同的強(qiáng)度。當(dāng)物體的溫度一定時(shí)，物體對(duì)外發(fā)射通量密度可通過(guò)普朗克方程及物體的發(fā)射率計(jì)算：

　　（2.2）

式中，h表示普朗克常數(shù)，h=6.63×10^-34J·S；c表示光速，c=3×10⁸m/s；k表示玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10^-23J/K；ε為物體的輻射發(fā)射率，是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)值，大小在0～1之間，物體發(fā)射率與物體自身性質(zhì)及波長(zhǎng)有關(guān)；T表示溫度。式中，B（λ，T）表示普朗克方程，用于描述絕對(duì)黑體輻射通量密度，黑體是一個(gè)理想化的特殊物體，黑體對(duì)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(cè)試得到的火焰光譜輻射亮度為：

　　（2.3）

物質(zhì)在外界能量的激發(fā)作用下可產(chǎn)生特征譜線，本研究目標(biāo)是各油品燃燒的火焰，同時(shí)也是激發(fā)燃燒產(chǎn)物的能量源。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)各油品穩(wěn)定燃燒階段的火焰光譜進(jìn)行了多次測(cè)量，火焰光譜的輻射亮度隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律如圖2.6所示。由于油料燃燒過(guò)程中火焰脈動(dòng)的影響，同一種油品的火焰光譜多次測(cè)量數(shù)據(jù)之間存在一定波動(dòng)，本質(zhì)上并沒(méi)有不同。各油品及混合油品池火焰光譜輻射亮度隨波長(zhǎng)變化規(guī)律相似，在354～700nm波段范圍內(nèi)光譜強(qiáng)度較低，在700nm后各組光譜曲線呈指數(shù)函數(shù)形式增加。油池火燃燒是高溫油蒸氣與空氣之間發(fā)生的劇烈的氧化反應(yīng)過(guò)程，空氣不斷被卷吸進(jìn)火焰內(nèi)部，因此火焰在燃燒過(guò)程中存在較大的脈動(dòng)頻率，對(duì)外輻射能也在平均值附近波動(dòng)。當(dāng)池火焰從穩(wěn)定燃燒階段向衰減熄滅階段過(guò)渡時(shí)，其發(fā)射光譜的強(qiáng)度逐漸降低。各組油料池火焰在紫外-可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)（354～780nm）特征發(fā)射波段的發(fā)射峰強(qiáng)度不明顯。油池火主要的燃燒產(chǎn)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(qū)域顯示，在810nm處存在微弱的發(fā)射峰，是燃燒產(chǎn)物H₂O的特征峰。

不同物質(zhì)由不同的分子及原子構(gòu)成，因此其光譜具有區(qū)別于其他物質(zhì)光譜的特征。實(shí)驗(yàn)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(lèi)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(zhǎng)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(fù)雜，包含上千種化合物，其中有機(jī)化合物包括碳原子數(shù)目不同的鏈烴、環(huán)烷烴等烴類(lèi)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的芳香族化合物，各成分隨油品產(chǎn)地的不同而變化。航空煤油不易蒸發(fā)，燃燒熱穩(wěn)定性好，熱值較高，適用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其使用環(huán)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(guó)的JP-4航空煤油。汽油除了包含烷烴及環(huán)烷烴等烴類(lèi)物質(zhì)外，還包括含有硫、釩等雜原子的化合物，92^?與95^?汽油的區(qū)別主要在于辛烷值的不同。汽油與航空煤油相比更易揮發(fā)，燃燒發(fā)展速度更快。綜上分析，實(shí)驗(yàn)中所選用的各油品主要由烴類(lèi)化合物組成，在開(kāi)放空間條件下，火焰燃燒過(guò)程中將產(chǎn)生多種自由基參與反應(yīng)，燃燒的主要產(chǎn)物為H₂O、CO₂、CO及煙塵顆粒等，無(wú)明顯差別，因此各油品及混合油品池火焰光譜特征相似。