0   引　言

碳烟是碳氢化合物不完全燃烧产生的主要污染物之一，对空气质量以及人体健康具有极大的危害，同时显著地加速全球变暖，其影响仅次于二氧化碳，因此尽可能减少工业锅炉、燃气轮机、内燃机等动力设备的碳烟排放对于环境保护和减缓全球变暖是非常必要的。另外，对于航空发动机等先进动力装置，碳烟生成会增强发光火焰辐射，从而增加燃烧室壁面的热负荷，缩减燃烧室火焰筒寿命，从而影响燃气轮机燃烧室的可靠性和耐久性，因此准确测量碳烟浓度时空分布是判断燃气轮机燃烧室健康状况的有效方法。燃烧室出口碳烟浓度分布发生微小变化是旋流器结构、喷嘴、注入孔等部件可能轻微受损的早期指标，因此通过精确监测这些微小变化可以为及时解决上述受损问题提供依据。特别的，对于军用飞行器，尾流中的碳烟颗粒是重要的红外示踪物质，因此需要尽可能地减少碳烟排放从而获得更好的匿踪效果。在上述应用中，碳烟浓度空间分布的精确测量是研究碳烟生成规律和实时监测碳烟浓度排放水平的基础。

传统的接触式碳烟诊断技术，如滤纸法，需在燃烧流场中进行取样，不仅扰乱流场且诊断效率低，误差大。激光诱导炽光（Laser-Induced Incandescence, LII）技术是一种非接触式、高灵敏的碳烟浓度和粒径测量手段，经过20多年的发展已经成为碳烟诊断领域的主流技术。LII技术原理可简要叙述如下：使用激光脉冲加热碳烟颗粒使其温度快速升高至升华温度，在此过程中碳烟颗粒放出黑体辐射，即炽光。炽光信号强度与碳烟体积分数近似成正比，同时其衰减速率与碳烟颗粒粒径大小呈反比。因此，通过测量炽光信号强度的时间演化，结合信号强度标定和理论模型计算即可获取碳烟体积分数和粒径分布信息。

在Eckbreth^[1]工作的基础上，Melton^[2]建立了LII技术测量碳烟体积分数和粒径的理论模型。Snelling等^[3-6]进一步发展了双色LII技术，其首先利用已知辐射强度的标准光源对测量系统进行校准得到光强敏感系数，然后同时采集两个波长下的LII信号，通过信号比值计算出碳烟颗粒温度与体积分数，实现碳烟浓度的实时在线标定。双色LII技术对激光能量要求不高，能够避免能量过高导致碳烟颗粒升华，很好地保持了碳烟形态，这些优点使双色LII技术在碳烟测量领域得到广泛应用^[7-15]。Schulz^[7]、Michelsen^[8]、刘福水^[9]、何旭^[16]等国内外多个研究团队对双色LII技术做了全面的梳理与总结，提出该技术仍存在改进空间，包括激光入射波长的优化、激光能量的选择以及片光的均匀性控制等。

总体而言，内燃机燃烧室内碳烟LII测量研究较多，而关于工业燃气轮机和航空发动机燃烧室及尾焰碳烟排放的研究国内目前还没有报道。燃烧天然气的工业燃气轮机所产生的碳烟排放水平很低，基本上没有测量需求，因此国际国内相关的研究很少。航空发动机燃烧室及出口碳烟排放测量较少，一方面在于目前航空发动机研发领域对于燃烧室碳烟生成机制和浓度测量不够重视因此测量需求不足，另一方面在于测量空间受限、多相流界面效应、高温高压高湍流环境对光信号收集影响不明确等因素导致碳烟测量较为困难。

针对测量空间受限的高温高压高湍流复杂燃烧场碳烟浓度测量，本文基于双色LII技术搭建了一套碳烟体积分数空间分布成像测量系统，依据沙姆定律采用背向斜拍摄方式获得LII图像，结合标准黑体辐射源标定信号强度校准因子，根据双色LII原理最终解算出碳烟体积分数。在数据后处理中，本文采用投影变换方法校正斜拍摄获取的LII图像。为验证双色-沙姆LII碳烟测量系统的可行性和测量能力，本文首先在三种典型（即McKenna、Gülder和Santoro）稳态层流乙烯/空气火焰中开展了系统性测试。测试结果与国内外同行在相同火焰工况下得到的结果在数量级上一致，证明了测量系统具备有效性和测量能力。最后，本文利用所研发的双色-沙姆LII系统实现了某型单头部双旋流航空发动机模型燃烧室出口横向截面和燃烧室内部径向截面碳烟体积分数空间分布的测量。

1   实验方法

1.1   双色LII碳烟体积分数测量原理

双色LII技术通过采集2个不同波长下的LII信号，根据信号强度的比值，结合测量系统对标准黑体光源在相同波长下的光强响应标定，利用式（1）和（2）分别解算出碳烟颗粒温度${T_p}$和体积分数${f_v}$：

式中：$h$为普朗克常数，$c$为光速， $k$是玻尔兹曼常数, $\lambda $为LII探测波长， ${I_{\exp }}$为LII信号强度， $\eta (\lambda )$为LII测量系统校准因子，${I_{{\mathrm{cal}}}}$为LII测量系统测得的黑体辐射标定光源的同一波长信号强度，${R_{{\mathrm{cal}}}}(\lambda ,{T_{{\mathrm{cal}}}})$为黑体辐射标定光源在$\lambda $波长处单位立体角的辐射功率，$E(m)$为碳烟吸收函数，${\omega _b}$为激光片厚度。详细的原理介绍可参考Snelling等^[3-6]的开创性工作。

1.2   双色-沙姆LII碳烟浓度测量系统

双色-沙姆LII碳烟测量系统（图1）包括可移动激光器系统、片光光路、探测系统和时序同步单元构成。可移动Nd:YAG纳米激光器提供1064 nm泵浦脉冲光源，可移动载台方便测量系统在各种实际应用场景中（如航空发动机燃烧室出口、风洞、锅炉燃烧室等）的使用。片光光路主要由反射镜、能量衰减器、柱面透镜、球面透镜、狭缝、能量计等光学器件组成，最终目标为形成激光能量分布均匀、数十毫米宽和约300微米厚的激光片光加热碳烟颗粒。探测设备由2台性能相近、采样帧频相同的增强型电荷耦合器件相机（Intensified Charge-Coupled Device, ICCD）、光学镜头、沙姆转接口和窄带滤波片组成。激光片光加热碳烟颗粒产生宽波段的LII信号，考虑实际台架试验空间要求，对片光与碳烟颗粒相互作用二维平面采用斜焦面成像方式收集LII信号图像。时序控制单元由脉冲发生器、示波器、BNC线缆和光电二极管等组成，同时控制激光器输出和ICCD相机数据采集。下面各组成部分做详细介绍：

图  1  双色-沙姆-LII碳烟测量系统示意图

Fig.  1  Schematic illustration of the 2C-Scheimpflug-LII system

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1）可移动式激光器系统

可移动式激光器系统主要由Nd:YAG激光器、可移动载台和偏转光路构成。可移动载台由上下2层构成，下层承载激光器电源、控制系统和水箱，上层搭载光学平台承载激光器和偏转光路元件。1064 nm激光脉冲宽度约为10 ns，单脉冲能量约800 mJ，输出重复频率为10 Hz。

2）片光光路

片光光路主要包括高度调节镜组、激光能量衰减镜组和片光镜组组成。片光镜组由1面焦距1 m的球面镜和2面焦距分别为−20 mm和250 mm的柱面镜组成，提供宽度最大为112.5 mm的片光。在低激光功率密度条件下使用CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）焦斑分析相机对片光成像，直接得到片光厚度；移动相机位置，得到不同宽度位置处的片光厚度，同时获取激光功率分布情况，可用于后期数据处理中的激光功率密度修正。在高激光功率密度下，通过单发激光脉冲烧灼荧光纸获取片光厚度。

3）探测系统

探测系统主要包括2台ICCD相机、沙姆镜头、窄带滤波片、数据采集单元组成。1064 nm激光片光加热碳烟颗粒产生宽带LII辐射光，根据双色LII技术测量碳烟浓度原理，需要同时探测两个不同波长的LII信号图像。依据两个波长不能过于接近同时相应LII辐射强度足够强的原则，本文选择450 nm和600 nm的LII信号进行探测。使用2台由英国安道尔科技有限公司生产的334T型ICCD相机（具体型号分别是Andor-334T-18-03和Andor-334T-18-E3），配备日本森马公司生产的SIGMA镜头，经中心波长为450 nm和600 nm的Semrock窄带滤波片（半高宽小于15nm）滤光后分别探测这两个波长的LII信号图像。

4）时序控制单元

已有的研究结果表明，LII信号会在激光脉冲持续时间内快速地达到峰值，然后随着碳烟颗粒温度的下降而缓慢的衰减。根据燃烧场环境的不同（比如火焰当量比、碳烟浓度等），衰减时间可在200 ns和1 μs之间变化。由于其快速的上升过程，测量系统准确的时序控制是获取LII信号的关键。使用数字脉冲延迟发生器（Digital Delay Generator, DDG）来触发激光器输出和相机门控，并同时用示波器监测其时序。另外，在光路设置光电二极管探头来探测在镜面散射的微弱1064 nm激光信号，作为到达作用区域的激光脉冲信号。在寻找LII信号过程中，关键在于使相机门控监测信号与激光脉冲信号上升沿对齐，在此时序下应能够获取LII信号。

在数据采集中，首先使激光器、ICCD相机和数据采集计算机处于待机状态，由DDG给出所有触发信号。对于航空发动机台架试验或其它由燃烧场状态作为测量起点的试验，由燃烧场控制单元提供触发信号给数字发生器，然后再由数字发生器触发激光器和ICCD相机。在获取LII信号图像之后，需要使用空间尺度标定板对所测图像对应的真实大小进行标定，采用透视变换法校正斜角度拍摄的LII图像。使用溴钨灯黑体辐射对探测系统在两个波长的敏感因子进行标定，最终实现碳烟体积分数解算。

1.3   沙姆斜焦面拍摄LII图像校正

1.3.1   沙姆镜头倾斜焦面成像原理

瞄准航空发动机燃烧室及出口等复杂燃烧场碳烟浓度空间分布的测量需求，在光学进入空间严重受限的工程台架应用情况下，本文需要将ICCD相机放置在同一侧通过斜焦面成像方式收集二维LII信号图像。本文基于沙姆成像与铰链定律利用倾斜焦面进行拍摄^[17]，得到的LII信号图像为倾斜图像，需要在数据处理中对图像进行校正。如图2所示, 沙姆定律要求当被摄体平面、影像平面、镜头平面这三个面的延长面相交于一直线，即图中所示的Scheimpflug线时，即可得到清晰图像。铰链定律则要求通过透镜中心且平行于成像平面的假想平面、透镜前焦面和待测平面相交于同一直线，即图2（a）中的Hinge线。

图  2  斜焦面沙姆成像

Fig.  2  Scheimpflug imaging with a tilted focal plane

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1.3.2   空间和强度校正

基于沙姆成像原理获取的图像在空间上是失真的，在数据处理中首先需要修正。本文采用透视变换方法来进行原始LII图像的空间校正。 使用MATLAB编写了图像校正程序，首先将其应用于已知空间分辨率的标定板图像，应用投影变换算法进行空间校正，获得变换矩阵；然后将获得的变换矩阵应用到原始LII图像，即可获得具有同样空间校正效果的LII图像。图3对比了变换前后的标定板图像和LII图像，可以看到很好地达到了校正效果。

图  3  沙姆成像图片校正

Fig.  3  Scheimpflug imaging rectification

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为了检验沙姆成像时探测信号强度是否随拍摄角度发生，本文以不同沙姆成像角度（0º，17º，28.5º和42.3º，其中0º为正面拍摄）拍摄了McKenna火焰600 nm的LII图像。结果显示，LII图像信号强度会随沙姆成像角度发生轻微变化，但不同区域之间的信号强度比值基本不会发生变化，因此图像强度校正可以忽略。

1.4   LII校准因子测量

根据双色LII技术的原理，本文利用标准黑体源对LII测量系统进行标定，获取LII测量系统校准因子。本文所使用的标准辐射源为溴钨灯（GLORIA-T150A），功率为150 W，色温3200 K。在满功率情况下，从溴钨灯光谱辐射强度曲线可以得到在450 nm和600 nm波长下单位波长辐射功率密度分别约为17 mW/(m²·nm⁻¹)和40 mW/(m²·nm⁻¹)，从而获得两波长的单位波长辐射功率密度之比为$ R_{\mathrm{cal}}(450\; \mathrm{nm})/ R_{\mathrm{cal}}(600\; \mathrm{nm})=0.425 $。然后，在溴钨灯满功率工作条件下，使用双色-沙姆LII探测系统对溴钨灯光源进行成像，系统参数设置与燃烧场LII测量时严格统一。通过溴钨灯成像测试，获得两波长黑体辐射信号在LII探测系统中的辐射强度之比，由此可获得LII测量系统双波长的校准因子之比$\eta ({\lambda _1})/\eta ({\lambda _2})$。在同步测量600 nm和450 nm的LII信号图像之后，基于信号强度和校准因子之比可以首先根据式（1）计算出碳烟颗粒峰值温度，再根据式（2）计算出碳烟体积分数。

2   标准层流火焰测量结果与分析

通过在特定燃烧工况下开展LII测量试验以及将测量结果与国内外不同研究单位已公开发表的研究结果进行对比，可以检验LII技术测量碳烟体积分数的准确性和测量精度，测试LII系统性能。本文首先在三种典型燃烧器（分别为Mckenna^[18]、Gülder^[19]和Santoro燃烧器^[20]）制备的稳态层流火焰中开展LII测量系统的碳烟体积分数空间分布测量能力测试。

Mckenna型平面火焰炉产生的乙烯/空气预混火焰可提供低体积分数的碳烟浓度。该型燃烧器结构如图4（a）所示，其主要部分是直径为60 mm、材质为铜的多孔烧结板，同轴外围是烧结青铜护罩，一同被压入不锈钢外壳。多孔烧结板中间放置阿基米德螺旋冷却回路，作用是使径向温度梯度最小化。燃料混合物通过1/4英寸压缩接头导入多孔烧结铜板底部腔室，然后通过烧结细孔均匀分布。伴流气体（一般是氮气或惰性气体，本文使用氮气）通过另一个压缩接头通入护罩环底部腔室，通过护罩环烧结细孔均匀分布，屏蔽火焰外的影响使其稳定。图4（b）为当量比为2.1时的Mckenna乙烯/空气预混火焰照片，在其21 mm高度处放置铁板进一步稳定火焰。

图  4  Mckenna燃烧器

Fig.  4  Mckenna burner

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Gülder乙烯/空气扩散火焰能够提供较高浓度的碳烟测量环境。图5（a）和（b）分别展示Gülder燃烧器三维结构图及切面图。燃烧器中心不锈钢燃料管通乙烯气体，直径为10.9 mm，外围不锈钢同心管直径为110 mm，壁厚1.5 mm，通空气，中间填充蜂窝陶瓷片获得均匀空气气流保证火焰稳定。图5（c）为乙烯流量0.196 slm （standard litre per minute）、空气流量200 slm工况下制备的乙烯/空气扩散火焰照片，火焰高度约为48 mm。

图  5  Gülder燃烧器

Fig.  5  Gülder burner

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图6（a）和（b）分别展示Santoro燃烧器的三维结构图及实物图。燃烧器主要由直径为11.1 mm和108.0 mm的同心管组成，内管通乙烯气体，外管通空气，在内外管之间放置蜂窝陶瓷片和直径为3 mm的小玻璃珠，以获取均匀的空气气流从而保证火焰的稳定性。图6（c）为乙烯流量0.231 slm、空气流量43 slm工况下的乙烯/空气扩散火焰照片，形态与Gülder相似，火焰高度约52 mm。

图  6  Santoro燃烧器

Fig.  6  Santoro burner

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表1给出上述三种燃烧器制备的层流火焰测量工况以及测量位置。

表  1  标准层流火焰和测量工况

Table  1  Standard laminar flame and measurement conditions

燃烧器	燃料	氧化剂	当量比	流速	伴流	对比测量位置	备注
McKenna	乙烯	空气	2.1	1.6 slm乙烯， 8.7 slm空气， 预混气体总流量10 slm	2.5 slm 氮气	燃烧器中心线 12 mm高度	火焰21 mm高度上部有稳定铁板， 点火15分钟后测量
Gülder	乙烯	空气	非预混	0.194 slm乙烯	200 slm空气	燃烧器中心线 42 mm高度	可见火焰高度约60 mm
Santoro	乙烯	空气	非预混	0.231 slm 乙烯	43 slm 空气	燃烧器中心线 50 mm高度	玻璃球直径200 mm，以稳定火焰

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2.1   Mckenna预混火焰碳烟体积分数测量

McKenna乙烯/空气预混火焰在火焰高度小于21 mm范围内产生低浓度碳烟。图7（a）和（b）分别为600 nm和450 nm单发LII信号图像。可以看到，LII信号在水平方向均匀分布，与火焰形态一致。在纵向方向，LII信号在火焰高度约10 mm处出现，其强度随着火焰高度升高而增大。图7（c）显示碳烟颗粒峰值温度分布图像，可以看到峰值温度分布在2500～4000 K区间内，与Bladh等^[13]在相同当量比乙烯/空气预混火焰中的实验结果接近。图7（d）为碳烟体积分数分布图像，可以看出体积分数数量级在数百ppb量级。

图  7  Mckenna火焰单发

Fig.  7  Mckenna single-shot flamet

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本文连续采集了200帧有效单发LII信号图像，平均后的结果如图8所示。可以看到，平均后的LII信号分布呈现两端强中间弱的特征，可能是由于激光片光的聚焦长度太短导致片光在大约75 mm长的距离上激光功率密度不均匀，中间位置激光功率密度过高导致部分碳烟颗粒升华，最终使得中间位置LII信号弱于两端。

图  8  Mckenna火焰200帧平均图像

Fig.  8  Mckenna flame image averaged over 200 frames

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图9所示为火焰中轴线上碳烟体积分数随火焰高度（Height Above Burner, HAB）的依赖关系曲线，其中横向和纵向空间均考虑1 mm。可以看到，碳烟体积分数随火焰高度升高呈现单调增长趋势，在17 mm高度达到最大值。需要说明的是，用于稳定火焰的铁板阻挡了18 mm以上高度位置的信号收集，因此本文没有计算18 mm以上高度的碳烟体积分数。在对比测量高度，即HAB = 12 mm，碳烟体积分数为48.2 ± 2 ppb，在数量级上与Hadef等^[21]报道的碳烟体积分数测量结果约70 ppb以及Olofsson等^[22]的结果约50 ppb一致。另外，在11 mm火焰高度获得最小的有效碳烟体积分数为2.0 ppb，该数值可认为是本文双色-沙姆LII测量系统的碳烟体积分数测量下限。

图  9  碳烟体积分数随火焰高度的依赖关系

Fig.  9  Soot volume fraction as a function of the HABs

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2.2   Gülder扩散火焰碳烟体积分数测量

图10给出了为单发和180次单发测量平均后的LII信号、碳烟颗粒峰值温度和碳烟体积分数的分布图像。从平均体积分数分布图像可以看到，碳烟颗粒主要分布在火焰两侧，左右基本对称，体积分数在ppm量级。碳烟体积分数分布形态与LII信号强度分布形态基本符合，证明体积分数反演过程的准确性。

图  10  Gülder 乙烯/空气扩散火焰的测量结果

Fig.  10  Measurement results of Gülder ethylene/air diffusion flame

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图11给出了不同火焰高度（10、20、30、40 mm）处碳烟体积分数的横向分布，零点表示火焰中心位置。可以看到，由于碳烟颗粒分布在火焰两侧，体积分数横向分布曲线呈现双峰结构。整体上，左侧碳烟体积分数峰值高于右侧，其可能原因是火焰两侧的片光厚度和功率密度不一致，或火焰结构本身是不对称的。随着火焰高度升高，碳烟体积分数先增大后减小，分布曲线宽度先变窄后增宽，在30 mm高度附近达到最大值，约45 ppm。

图  11  不同火焰高度处碳烟体积分数的横向分布

Fig.  11  Horizontal distribution of soot volume fraction at different HABs

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为了与国内外同行测量结果进行对比，图12画出了碳烟颗粒峰值温度和体积分数沿火焰中心轴线的纵向分布，其中纵向各个数据点间距为1 mm，横向间距为1.3 mm（10个像素点平均）。从结果可以看出，火焰中心轴线上碳烟体积分数要远小于两侧，大约要小一个数量级。碳烟在23 mm火焰高度处开始出现，体积分数随火焰高度总体呈平顶状分布。在对比测量位置，即42 mm火焰高度处，碳烟体积分数为3.6 ± 0.5 ppm。在同类型乙烯/空气扩散火焰、类似工况、相同火焰高度，王耀东^[23]测得的碳烟体积分数为4.0 ppm, Snelling等^[19]测得的碳烟体积分数为3.9 ± 0.1 ppm, De Iuliis等^[24]测得的碳烟体积分数在4.5～5.0 ppm范围内。上述已报道的测量结果与本文测量结果都比较接近，具体数值相差不超过40%。

图  12  Gülder扩散火焰碳烟体积分数沿火焰中心轴线的纵向分布

Fig.  12  Vertical distribution of soot volume fraction along the central line of the Gülder diffusion flame

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2.3   Santoro扩散火焰碳烟体积分数测量

图13所示分别为单发和50次单发测量平均后的LII图像、碳烟颗粒峰值温度和体积分数分布图像。与Gülder乙烯/空气扩散火焰类似，Santoro扩散火焰的碳烟分布区域集中于火焰两侧，但碳烟平均的碳烟体积分数最大值在10 ppm量级。

图  13  Santoro乙烯/空气扩散火焰当量比为0.2时测得的结果

Fig.  13  The results measured at the equivalence ratio of 0.2 for the Santoro ethylene/air diffusion flame

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图14所示为Santoro扩散火焰不同火焰高度（10、20、30、40 mm）处碳烟体积分数横向分布曲线，零点表示火焰中心位置。可以看到，Santoro扩散火焰碳烟体积分数分布随火焰高度的演化规律与Gülder扩散火焰高度相似，主要不同点在于体积分数数值的差异。碳烟体积分数在30 mm火焰高度附近达到最大值，约为46 ppm。

图  14  Santoro扩散火焰不同火焰高度处碳烟体积分数的横向分布

Fig.  14  Horizontal distribution of soot volume fraction at different HABs in Santoro diffusion flame

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为了与国内外同行测量结果进行对比，图15画出了碳烟颗粒峰值温度和体积分数沿火焰中心轴线的纵向分布，其中纵向各个数据点间距为1 mm，横向间距为1.3 mm（10个像素点平均）。从结果可以看出，火焰中心轴线上碳烟体积分数要远小于两侧，在28 mm火焰高度处碳烟开始出现，体积分数随火焰高度总体呈现单调增大趋势，在52 mm高度处达到最大值，然后快速减少。在对比测量位置，即50 mm火焰高度处，碳烟体积分数为5.0 ± 1.6 ppm。较大的重复测量标准偏差主要是由于实验室不规则气流扰动Santoro火焰造成的。在同类型乙烯/空气扩散火焰、相同工况、相同火焰高度，Santoro等^[25]测得的碳烟体积分数为4.3 ppm，McEnally等^[26]结合热电偶粒子密度法与激光消光法测量得到的碳烟体积分数约为5.5 ppm，Quay等^[20]结合LII技术与激光散射法测量得到的碳烟体积分数约为4.5 ppm。上述已报道的测量结果与本文测量结果非常接近，具体数值相差不超过15%。

图  15  Santoro扩散火焰碳烟体积分数沿火焰中心轴线的纵向分布

Fig.  15  Vertical distribution of soot volume fraction along the central line of the Santoro diffusion flame

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综合来看，在三种典型稳态层流火焰中的测量结果与其它研究团队在相同类型燃烧器、相同工况、相同测量位置的测量结果在碳烟体积分数分布形态和数量级上都比较接近，间接证明了本文双色-沙姆LII系统测量碳烟浓度分布的可行性。本文涉及的碳烟体积分数测量范围是从2.0 ppb到50 ppm，覆盖4个数量级，但LII测量系统的碳烟体积分数测量上限应该更高。

3   航空发动机燃烧室及燃烧室出口碳烟体积分数分布测量

针对航空发动机燃烧室出口位置碳烟浓度的测量需求，本文在西北工业大学开展了单头部双旋流航空发动机模型燃烧室出口截面碳烟体积分数分布LII测量。燃烧室头部由反向双级旋流器组成，两级旋流器均为径向旋流器，旋流器中心布置离心喷嘴，火焰筒内外壁面上由前往后分布着主燃孔和掺混孔，火焰筒采用多斜孔冷却方式。空气气流由气源流出，通过电阻加热器使气流加热到试验需求温度，再进入试验段进行试验。试验采用RP-3航空煤油为燃料，采用高能火花塞点火。由于煤油堆积在火花塞表面可能会导致火花塞不能正常放电，在开展试验时采用先点火、后喷油的策略。

图16为试验模型、双色-沙姆LII测量系统布局以及现场实况图，其中试验模型包括燃烧室试验模型和出口测量段试验模型，燃烧室观测窗采用对开的光学窗口设计，出口测量段采用四面对开的光学窗口设计。在测量区域，纵向宽度基本覆盖玻璃窗口纵向长度，有效片光测量截面尺寸为65 mm × 85 mm × 0.39 mm（高度 × 长度 × 片光厚度），距离左侧法兰约58 mm。如图16（b）和（c）所示，2台配有沙姆转接件的ICCD相机以对称角度收集LII图像，设置其门宽为20 ns，增益为满增益。在入射窗口之前，激光脉冲能量为150 ± 3 mJ，不稳定度约为2%。

图  16  航空发动机模型燃烧室出口试验模型和双色-沙姆LII测量系统布局

Fig.  16  Schematic illustrations of the aero-engine model combustor outlet and 2C-Scheimpflug LII system layout

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燃烧室出口截面碳烟体积分数分布图像测量结果显示碳烟分布在位置、形态以及强度方面表现出强烈的随机性，这与国外已报道的测量结果一致^[27-30]。图17展示了300 K来流温度、340 kPa稳定燃烧压力、0.03油气比燃烧室工况下稳定运行阶段的单发测量结果，分别为450 nm和600 nm波长的LII图像、碳烟颗粒温度和体积分数分布图像。可以看到，碳烟分布表现为聚团、小岛、细丝等形态。最高碳烟体积分数在0.1 ppm量级，但平均值很低。

图  17  300 K来流温度、340 kPa稳定燃烧压力、0.03油气比燃烧室工况下测量得到的图像

Fig.  17  Image measured under the condition of 300 K air preheat temperature, 340 kPa inlet pressure and fuel/air ratio of 0.03

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本文也测量了燃烧室内部接近喷嘴位置纵向截面的碳烟体积分数分布。图18为873 K来流温度、529 kPa稳定燃烧压力、0.026油气比工况下的单发测量结果。此工况为该型航空发动机燃烧室的低压模化工况。可以看到，碳烟体积分数分布从燃油喷嘴位置开始整体呈现V字形，接触上下壁面后反弹，这与旋流器出口燃油喷雾形状极为相似，说明燃烧室碳烟浓度分布主要取决于燃油喷雾分布，这与Meier^[31]、Mishra^[32]等研究结果一致。结合燃烧室流场以及温度场分布，本文可以知道碳烟主要生成区域位于旋流射流与主燃孔射流耦合形成的主回流区附近，该区域位于喷雾锥燃料流下游。同时在主燃孔射流形成的二次回流区中也有部分碳烟生成，如图中右上角和右下角碳烟聚团所示。由于燃料在主燃区无法完全燃烧，燃烧室内高温区会出现在主燃区及主燃孔后，沿流向流动到主燃孔和掺混孔之间的低速区继续发生燃烧反应，从而形成二次回流高温区，这为碳烟生成提供了足够的高温环境。更多的研究结果正在分析当中^[33]。

图  18  873 K来流温度、529 kPa稳定燃烧压力、0.026油气比燃烧室工况下测量得到的燃烧室径向截面图像

Fig.  18  Image measured in the radial cross section under the condition of 873 K air preheat temperature, 529 kPa inlet pressure and fuel/air ratio of 0.026

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4   总　结

瞄准航空发动机燃烧室等复杂、空间受限环境燃烧流场碳烟浓度分布的测量需求，本文开发了双色-沙姆激光诱导炽光技术以及相关测量系统，通过倾斜焦面沙姆成像方式获取碳烟体积分数分布图像，拓展LII技术应用的鲁棒性。本文首先在Mckenna、Gülder和Santoro三种典型乙烯/空气火焰中开展了技术可行性验证，在特定工况下获得的碳烟体积分数空间分布测量结果与国内外同行在相同工况下获得的实验结果是一致的，证明了双色-沙姆LII碳烟体积分数测量系统的有效性。标准火焰测试结果表明，双色-沙姆LII系统的碳烟体积分数测量下限约为2.0 ppb。在此基础上，本文利用双色-沙姆LII技术创新性地开展了某型单头部双旋流航空发动机模型燃烧室出口横向截面及燃烧室纵向截面的碳烟体积分数空间分布测量，获得了初步测量结果。结果显示，在燃烧室出口碳烟体积分数分布呈现高度瞬时性和随机性，而燃烧室内部碳烟体积分数分布沿着流场方向呈现V字形分布。