层流乙烯扩散火焰的径向剪切干涉测温模拟

摘要

针对小型火焰的激光干涉测温技术与针对大型炉膛的辐射图像处理技术同样具有非接触、实时、全场计量等优点。激光干涉测温技术在原理上与介质的辐射特性无关，这一特点表明它可以作为验证炉膛辐射图像处理技术的有效参照。
　　 径向剪切干涉测温系统无需引入参考波面，其循环光路的设计使得局部振动、气流扰动等因素对两个干涉波面的影响相互抵消，干涉条纹可以实时记录。整个系统布局紧凑，具有很好的抗振、抗干扰能力，适合在线监测的需要。
　　 干涉测温过程涉及当地组分浓度分布，而火焰对象伴随着复杂的化学反应，用已知的空气组分分布代替未知的燃气组分分布会给温度场反演结果带来误差。现有文献中干涉测温的对象多选取热空气流场，火焰对象的干涉测温及误差讨论则少有相关报道。
　　 本文利用设定工况下的层流轴对称乙烯扩散火焰的燃烧数值模拟所得温度场、密度场、浓度场资料，模拟了平面光经过乙烯火焰区域产生畸变以及畸变波面发生径向剪切干涉的光学成像过程，得到了预设噪声水平下引入了不同强度空间载频的径向剪切干涉模拟条纹照片。
　　 以引入双向强载频的高分辨率模拟照片为对象，使用频域相移法提取出了条纹相差分布。在频域分析过程中定量给出频域有效识别范围、条纹载频强度、共轭谱峰扩展频宽等重要参数，其结果表明针对火焰对象的频域相移法必须满足条纹分辨率与条纹载频强度的最低要求。
　　 完成径向剪切迭加还原与投影反转过程所得折射率分布相对于原始值的误差在全场普遍低于2%。以浓度场资料与空气组分假设分别完成乙烯火焰的温度场反演，其结果表明模拟工况下使用空气组分假设带来的相对误差在火焰中、上部区间为5% 10%～，从火焰下部到根部相对误差迅速扩大使测量失去意义。