火焰温度测量技术研究

　　1　引言

　　火焰温度是燃烧过程的重要热力参数之一。火焰温度测试技术的研究,无论对内燃机燃烧过程的理论基础研究,还是为开发设计高效低污染的新型车用发动机、降低汽车排污以及对于研究电站燃煤锅炉煤粉燃烧的稳定性、经济性和清洁性等都具有重要的意义和应用价值。此外,对于各种战术、战略武器发射平台的设计来说,发动机燃气流的火焰温度将直接影响着设计的指标和达到设计指标的途径。火箭发动机喷口的温度,对喉衬材料的选取、增加比冲具有重要的意义。在采用高能推进剂的发射系统中,发射平台的高温烧蚀将比采用中能推进剂的系统更加突出。在各种导弹武器的矢量控制技术中也需要考虑火箭羽焰温度对各部件的影响。火焰温度及其分布的定性或定量的测定,对于观察和了解上述燃烧过程、燃烧流场和燃烧产物的内在特性,建立合理的燃烧模型、进行精确的计算机模拟分析都有着重要的指导作用。以计算机模拟分析来替代有效的实物尺寸模型实验,能够降低实物实验带来的危险并加速新产品、新型号的开发与使用。

　　2　火焰的分类及特性

　　根据火焰辐射光谱的不同特点,火焰可分为发光火焰和透明火焰两大类。发光火焰内部含有烟粒,火焰辐射出的是0~∞的连续光谱,在可见光谱区内有辐射;透明火焰的辐射光谱多在红外区段,并呈带状或线状辐射,在λ=0·65μm的红光波长上无辐射能。

　　通常只有炽热的固体才能辐射连续光谱,在特殊情况下,离子复合、原子或自由基的结合也可能达到连续辐射;但是对于气体分子,每个分子只有为数不多的能级,分子能够发射和吸收的辐射波长就限于特定的一些谱线。从不同光谱谱段的发射机理来说,紫外区和可见光区的光谱一般取决于电子能量的变化,即分子或原子周围的电子能级跃迁;近红外区的的带状光谱取决于分子的振动能和旋转能的变化,远红外区的光谱则取决于旋转能的变化。

　　火焰辐射不仅包括羽焰组分的热辐射,而且可能有化学发光。当化学反应直接产生可辐射的受激态的原子或分子时,火焰的这种发光被称为化学发光。完全处于平衡态的可逆化学反应仍有可能形成受激的原子和分子。对于火焰辐射在多大程度上是由一般热激发产生的,在多大程度上是由化学发光产生的,目前尚无定论。一般认为,在高温火焰中,以热辐射为主;而在温度较低的接近燃烧反应临界状态的火焰中,反应区会因化学发光而增加辐射。鉴于火焰气体发光的多原理性和发光光谱的多样性,火焰温度的测量方法亦是多种多样。依据感温元件是否接触火焰对象,火焰温度的测量方法可分为接触法和非接触法两大类[1],如图1所示。