燃烧过程光辐射度测温研究——理论、数值仿真和试验

　　引言

　　温度场测量是燃烧过程研究中十分重要的课题,但燃烧过程的复杂性给温度测量和研究造成了很大困难。借助当今尖端的探测技术,人们对燃烧过程温度场的研究日益深入。据可以检索到的文献,早在1902年,库尔鲍姆F和1903年弗里就用光谱法进行过系统和科学的测温研究^[1]。早期的研究主要采用光学或热电偶测温,这些方法被用于研究静止或稳态燃烧过程、点温度、空间或时间上的平均温度。随着研究工作的深入进行,人们的探索开始从宏观进入微观,从静态进入动态范畴。

　　近年来,光电技术、计算机技术和超大规模集成电路的发展,给全面深入地研究燃烧过程带来了令人振奋的生机。发展趋势已从常规参数研究转向超常或极端参数研究,内燃机、火箭发动机中以及各种高温、高压、高速变化燃烧过程的二维或多维温度场的测量已成为可能。

　　测量内燃机缸内温度的方法主要有三种:热电偶与热电阻丝法、声速测量法和光学测试法。光辐射度或光谱测温基于普朗克黑体辐射定理,由于燃烧过程温度场非常复杂,给黑体辐射定理中相关参数的研究、确定带来很多的不可确定性。但是人们对光辐射度测温的研究并未停止^[2,3]。由于各光谱成分综合的结果,用温度来表示的辐射度表达式很复杂,而且用辐射度来表示温度的表达式难以得到。

　　本文从普朗克黑体辐射定理出发,对光辐射度测温理论进行分析,研究其应用条件。通过试验标定温度与光辐射度关系曲线,研究具有实用性的光辐射度测温方法,为燃烧过程时空三维温度场数字化高速测量及其试验研究、分析提供指导。

　　1　光辐射度测温理论及其应用条件

　　1.1　光辐射度测温理论

　　根据普朗克的黑体辐射定理,黑体的单色辐射度M0(λ,T)为

　　式中:为第1辐射常数;,为第2辐射常数;λ为波长;T为绝对温度。

　　对于非黑体,其单色辐射出射度M(λ,T)可表示为^[5]

　　式中:ελ为单色辐射率。

　　在均匀连续的半透明物质中,单色辐射率ελ可以表示为

　　式中:Κλ为单色衰减系数;L为光程长度。

　　根据Lorendg-Mie原理,

　　式中:r为碳烟颗粒半径;Qext为碳烟颗粒衰减系数;N(r)为碳烟颗粒分布函数。

　　在瑞利域内(β<0.3),利用球体积公式,可以消去碳烟颗粒分布函数N(r),得到单位容积中碳烟颗粒浓度fv^[6]:

　　碳烟颗粒的光学性质用复合折射率m=n-jk表示,n为本征折射率,k为吸收系数。