2. 清华大学 航天航空学院, 北京 100084
2. School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
和传统加压加热方式相比, 激波管能提供实验时间1~10ms、温度和压力均匀的近似一维流场, 避免了加热的复杂性及其产生的传热效应, 同时压力和温度变化范围较大[1-4], 因此, 激波管常用于研究燃料自点火特性, 包括燃料点火延时和自点火火焰传播特性。其中, 自点火流场图像具有三维形貌特征, 显示了反应区位置和尺度以及表面不同尺度漩涡结构等唯象特征, 不仅可以和点火延时、火焰传播速度等测量数据相互验证, 从而优化测量方法, 而且能定性考察压力、温度和当量比等参数对火焰形成和发展过程的影响, 也为燃烧数值模拟研究提供了更多对比信息。自点火流场显示研究通常选择矩形截面激波管(或在圆形截面激波管上添加过渡段), 以便在激波管壁安装玻璃观察窗, 从而利用高速摄影相机进行拍摄。限于相机性能, 已有自点火流场显示研究不能充分反映流场特征。如李兰等[5]采用高速摄影相机拍摄了RP-3煤油点火图像, 曝光时间高达43μs, 图像存在强烈的时间积分效应。廖钦等[6]和王高峰等[7]采用ICCD相机拍摄了大量煤油点火图像, 但单次激波管实验只能获得一张图像, 需要多次重复实验才能得到不同延时的流场图像, 这就依赖于激波管流场的重复性。Herzler等[8]采用ICCD相机拍摄了激波管截面丙烷点火图像, 但工况较少。因此, 系统拍摄不同工况下的自点火流场图像是有必要的。
作为煤油催化裂解产物之一, 乙烯由于结构简单且含有不饱和键(C=C键), 基元反应特征明显, 是研究碳氢燃料点火延时和化学动力学机理的常用气态燃料[9]。国内外已有大量乙烯点火研究, 相关工况范围较为完善。如Barker等[10]测量了当量比0.13~2.00、C2H4体积百分比0.25%~2.00%、压力0.3~1.2MPa、温度1050~1550K的C2H4/O2/Ar点火延时。Suzuki等[11]测量了温度800~1400K的C2H4/O2/Ar点火延时, 发现高温和低温工况具有不同的活化能。Brown等[12]测量了当量比1.0、稀释气体浓度75%~96%、压力0.13~0.50MPa、温度1073~2211K的C2H4/O2/Ar和C2H4/O2/N2点火延时, 分析了不同稀释气体对乙烯点火延时的影响, 还研究了乙烯点火过程中的爆燃转爆轰(DDT)现象。Cadman等[13]测量了当量比1和1.5、压力0.2~0.6MPa、温度800~1620K的C2H4/O2/N2点火延时。Saxena等[14]测量了当量比1和3、稀释气体浓度93%~98%、压力0.2~1.8MPa、温度1000~1650K的C2H4/O2/Ar点火延时, 并拟合得到了适用范围较广的乙烯点火延时关系式。胡宏浩等[9]、梁金虎等[15]和Deng等[16]在点火延时实验测量的基础上, 分别考察了污染物H2O和CO2、N2O和O2对乙烯点火延时的影响, 并和多种化学动力学机理预测结果进行了对比。因此, 选择乙烯作为拍摄对象, 不仅可以研究自点火现象, 也有利于对比已有点火延时数据, 从而验证实验测量精度。
综上所述, 为考察温度和压力等参数对自点火流场的影响, 在矩形激波管上拍摄不同工况下的乙烯/空气自点火流场序列图像并进行分析研究。
1 实验装置和测量方法 1.1 矩形激波管和气路系统图 1给出了矩形激波管和气路系统示意图, 详见文献[6]。激波管截面尺寸为130mm(高)×80mm (宽), 壁厚10mm, 相邻内壁面圆倒角为R10mm, 高、低压段长度分别为2和2.6m。实验段长0.4m, 观察窗尺寸为120mm(长)×80mm(高), 其材质为熔融石英, 右侧和激波管反射端面重合。
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| 图 1 激波管和气路系统示意图 Fig.1 Sketch of shock tube and gas distribution |
乙烯/空气预混气在混气罐(约0.2945m3)中配制并静置12h后使用。高压段充入氦气和氮气混合物, 压力采用精密数字压力表(BSK811, 量程0~1MPa, 精度0.05%)测量。低压段充入乙烯/空气预混气, 采用数字真空计(CPCA-130Z, 量程0~10kPa, 精度1Pa)显示充气压力。破膜方式采用针刺破膜, 膜片材质为BOPP(厚度为50和100μm)。实验前, 通过真空泵组(Leybold TRIVAC旋片式真空泵和RUVAC罗茨真空泵)将高、低压段抽真空至余压约60Pa, 漏气率约10Pa/min。
1.2 测量系统图 2给出了实验段和测量系统示意图。PCB1、PCB2和PCB3为压电传感器(PCB 112A), 和反射端面距离分别为657、237和20mm, 压电信号经电荷放大器(YE5853)放大后分别送入示波器(Tektronix 2014C)。光纤与PCB3和反射端面距离相同。光信号经光纤(Ocean optics FIB-600-DUV, 波段200~1100nm, 芯径600μm)送入光电倍增管(Hamamatsu R928, 波段185~900nm, 侧窗型PMT)。改变PMT偏置电压, 可改变PMT输出电压幅值, 偏置电压通常设置为-800V。光信号经PMT转换为电压信号送入示波器, 由三通将该信号同时送入八通道延时器DG645, 从而输出指定延时TTL电平到高速ICCD相机(Stanford Computer Optics, XXRapidFrame with 3 Nos. 4 Picos)外触发端口。XXRapidFrame相机包含4个独立ICCD相机和同步控制系统, 各ICCD相机可单独设置拍摄延时, 因此, 单次激波管实验可得到4张不同延时的自点火流场图像。ICCD相机增益范围为600至1000, 为提高图像亮度, 统一设置为1000。
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| 图 2 自点火流场信号测量系统示意图 Fig.2 Sketch of signal detection for auto-ignition flow field |
需要说明的是, XXRapidFrame相机要求外触发信号上升沿在短时间内(< 10μs)达到1.6V, 考虑到低温点火条件下的PMT信号上升较为缓慢, 难以保证每次可靠地触发XXRapidFrame相机, 而DG645触发电平则可以任意设置, 因此, 统一采用PMT信号来触发DG645, 再由DG645触发XXRapidFrame相机。
图 3给出了PMT信号、DG645输出信号、XXRapidFrame相机拍摄延时和曝光时间时序图。其中, Vt为DG645触发电平, 通常设为Vt=-0.2V。Δt1为DG645输出延时, Δt2为XXRapidFrame拍摄延时, 通常设为Δt1=Δt2=0;ti为幅间隔, 考虑到典型反射激波速度约为400m/s, 通常设为ti=25μs, 对部分低温点火条件, ti=50μs; te为曝光时间, 通常设te=1μs, 以冻结流场。由上述延时设置, 得到序列图像拍摄延时为Δt=Δt1+Δt2+(n-1)·ti。
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| 图 3 测量系统信号时序图 Fig.3 Sequence of used signals |
表 1给出了2个相同初始工况的实验参数列表, 其中, φ为乙烯/空气预混气当量比, Mas为入射激波马赫数, τig为点火延时, 定义为反射激波到达测点(PCB3)时刻和自发光信号(PMT)最大斜率起始点时刻的时间差。从表 1可以看出:case 1和case 2的Mas、p5和T5偏差小于2%, 可近似认为2个工况参数相同。
| Case | φ | Mas | p5/kPa | T5/K | τig/μs |
| 1 | 1.0 | 2.984 | 106 | 1210 | 51 |
| 2 | 1.0 | 3.016 | 108 | 1229 | 47 |
需要说明的是:5区混合物定压比热和温度、各组元质量百分数有关。理想激波关系假设化学反应是冻结的, 且定压比热和温度无关。因此, 由理想激波关系得到的p5和T5, 与考虑温度、组元质量百分数时的数值是不同的。表 1给出了后者(由Gaseq程序计算)得到的p5和T5, 而由理想激波关系得到的p5和T5分别为104kPa和1373K(case 1)、104kPa和1397K(case 2)。以T5为例, 分别相差163K(case 1)和168K(case 2)。胡宏浩等[9]、梁金虎等[15]的研究指出, 采用温度和组元质量百分数修正的p5和T5更合理。下文计算均采用Gaseq程序计算给出的p5和T5。
图 4给出了case 1对应的自点火流场序列图像。为便于图像分析, 取x和y轴为水平和竖直方向。激波管反射端面位于x=0。光纤和PCB3位于x=20mm, 其位置用虚线表示。火焰位置取y=40mm的火焰右边沿。反射激波自左向右传播, 用实线表示。由入射激波实测速度, 结合激波关系和图像延时, 可计算出反射激波位置。具体地, 由PMT信号得到Vt=-0.2V对应时刻t1, 由PCB3信号得到反射激波到达时刻t2, 由入射激波速度得到马赫数, 再根据激波关系, 计算得到反射激波速度ur, 则图 4的反射激波位置xr=20+ur(t1-t2+Δt)。
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| 图 4 自点火流场图像(case 1) Fig.4 Images of auto-ignition flow field (case 1) |
需要说明的是:(1)对比观察窗和激波管截面尺寸可知, 观察窗上下边沿距管壁25mm, 因此, 自点火流场图像不包含边界层; (2)受场地限制, 实验过程中激波管高压段在右侧, 低压段在左侧, 因此, 自点火流场图像和图 1水平方向相反。
图 4(a)表明:当Δt=0, 在反射端面附近, 即4mm < x < 10mm区域, 出现亮度(或光强)较低的近似平面火焰, 这表明化学反应速率较小。火焰上部(y>40mm)厚度较均匀(约6mm), 下部(y < 40mm)厚度逐渐变小(约3mm)。注意到火焰尚未到达光纤测点, 但相机已开始拍摄, 原因是壁面附近存在"λ"形分叉激波, 波后火焰已到达光纤测点, 而DG645触发电平设置较低(-0.2V), 火焰亮度较弱但足够触发DG645, 从而启动相机拍摄。图 4(b)表明:当Δt=25μs, 火焰传播至25mm < x < 30mm区域, 火焰亮度较高, 这表明化学反应速率增大。火焰中部(17mm<y < 63mm)平面性较好, 上部(y>63mm)略微向下游(左侧)倾斜, 下部(y < 17mm)出现弯曲形状。火焰下游仍存在亮度较低且沿y轴分布较均匀的区域, 这表明速率较低的化学反应仍在进行中。距火焰越远的下游区域亮度越低, 光强趋近于0, 这表明当地化学反应趋于结束。图 4(c)表明:当Δt=50μs, 火焰传播至40mm < x < 47mm区域, 火焰在y=10、30和60mm处出现明显的涡结构。原因是:火焰阵面两侧压力近似相等, 但左侧反应区温度高于右侧未燃气体, 根据理想气体状态方程, 左侧产物气体密度低于右侧未燃预混气, 即火焰两侧存在密度差, 在自左向右传播过程中就会出现失稳现象, 即Rayleigh-Taylor不稳定现象。图 4(d)表明:当Δt=75μs, 火焰传播至61mm < x < 67mm区域。火焰涡结构更明显, 这表明失稳加剧, 由层流火焰过渡到湍流火焰。原因是:火焰出现失稳后, 火焰表面的涡结构扩大了反应区表面积, 增大了热释放速率, 也提高了燃烧反应速率, 从而使火焰表面出现更多的涡结构, 这也加快了火焰传播速度, 导致火焰阵面和反射激波距离不断减小。图 4还表明:随时间推进, 初始倾斜的火焰阵面逐渐趋向垂直于激波管轴线, 火焰厚度在传播过程中近似为恒定值(约5mm)。
图 5给出了case 2对应的自点火流场图像。由图可知:火焰产生和传播特征与case 1类似。不同的是:当Δt=50μs, 火焰阵面和反射激波位置近似重合(图 5(c))。当Δt=75μs, 火焰已越过反射激波, 出现这种偏差的原因是反射激波位置计算未考虑化学反应产生的当地压力波对反射激波的推动作用, 即忽略了反射激波和火焰之间的耦合作用。同时, t2实际为分叉激波波头到达测点时刻, 不能准确表示反射激波中心部位的位置。实际上, 由PCB2和PCB3测得的p-t曲线得到实测值ur为916m/s, 远大于由激波关系得到的计算值ur(416m/s), 因此, 图 4和5的反射激波位置存在较大误差, 下一步实验研究应采用纹影法显示反射激波的准确位置。实际现象应该是:当火焰和反射激波位置接近或重合时, 两者耦合向前传播, 形成波前有来流的右行爆轰波。
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| 图 5 自点火流场图像(case 2) Fig.5 Images of auto-ignition flow field (case 2) |
根据图 4和5火焰位置和图像幅间隔时间, 表 2给出了计算得到的火焰传播绝对速度u和相对2区气流速度Δu。其中, 下标a、b、c和d对应图像编号。表 2表明:和case 1相比, case 2的ubc和ucd较大, 这是由于case 2的T5较大, 导致化学反应速率较高, 使得火焰传播速度增大。另外, u随时间推进并不是恒定值。造成误差的主要原因是:图 4和5火焰都不是严格的平面火焰, 火焰阵面存在涡结构, 在不同位置取"测速点", 就会对应着不同的火焰传播速度。若"测速点"左右偏差1mm, 又ti=25μs, 则u计算值相差40m/s。
| Case | uab /(m·s-1) |
ubc /(m·s-1) |
ucd /(m·s-1) |
Δuab /(m·s-1) |
Δubc /(m·s-1) |
Δucd /(m·s-1) |
| 1 | 845 | 680 | 801 | 1616 | 1451 | 1572 |
| 2 | 833 | 1328 | 1134 | 1614 | 2109 | 1915 |
综上所述, 当p5=106kPa、T5=1210K和p5=108kPa、T5=1229K, 火焰产生和传播特征近似相同。自点火首先发生在反射端面附近, 形成近似平面火焰并右行传播, 火焰表面存在小尺度涡结构, 即火焰在传播过程中表面出现失稳现象, 火焰阵面逐渐垂直于激波管轴线。
2.2 温度影响表 3给出了压力近似不变、不同温度的工况参数列表。从表 3看出, φ值不变(1.0), p5为104±6kPa, T5为1294~1077K, 对应τig为12~728μs。
| Case | φ | Mas | p5/kPa | T5/K | τig/μs |
| 3 | 1.0 | 3.127 | 109 | 1294 | 12 |
| 4 | 1.0 | 2.857 | 101 | 1138 | 223 |
| 5 | 1.0 | 2.806 | 106 | 1109 | 418 |
| 6 | 1.0 | 2.748 | 98 | 1077 | 728 |
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| 图 6 自点火流场图像(case 3) Fig.6 Images of auto-ignition flow field (case 3) |
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| 图 7 自点火流场图像(case 4) Fig.7 Images of auto-ignition flow field (case 4) |
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| 图 8 自点火流场图像(case 5) Fig.8 Images of auto-ignition flow field (case 5) |
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| 图 9 自点火流场图像(case 6) Fig.9 Images of auto-ignition flow field (case 6) |
图 6表明:当T5=1294K, 火焰产生和传播特征和图 4、5类似。
图 7表明:当T5=1138K, 点火首先发生在激波管反射端面附近, 形成右行传播火焰(图 7(a))。随时间推进, 火焰厚度增大(图 7(a)~(c))。当Δt=0, 反射端面附近(x < 10mm)出现亮度较低火焰。当Δt=50μs, 火焰分布在x < 20mm区域。观察窗上侧(x=30mm, 70mm < y < 80mm)出现离散火焰。当Δt=100μs, 火焰尾部离开反射端面, 火焰主要分布在20mm < x < 70mm区域。火焰表面出现明显的漩涡结构, 内部也出现孔洞结构。当Δt=150μs, 火焰尾部已离开观察窗右侧, 但观察窗仍可见较强光辐射, 这表明化学反应仍在进行中。
图 8表明:当T5=1109K, 点火同时出现在激波管反射端面附近和远离端面区域, 形成多处离散火焰(图 8(a))。随时间推进, 离散火焰逐渐融合后继续右行传播(图 8(b)~(d))。和图 7相比, 火焰范围明显增大。当Δt=0, 观察窗内出现多个不规则离散火焰, 空间分布范围较广(x=10、30和70mm)。当Δt=50μs, 火焰向周围扩散, 仍呈离散分布且尚未融合。当Δt=100μs, 不同区域火焰已融合(0 < x < 100mm), 火焰区光强分布较均匀。当Δt=150μs, 火焰充满整个观察窗区域, 且右侧流场亮度较高。出现离散火焰的原因是:高温点火以氧化反应为主, 反应放热较快, 因此, 火焰厚度较薄且平面性较好。低温点火以燃料热裂解基元反应为主, 平行的基元反应通道较多且相互竞争, 伴随的热裂解反应为吸热反应, 反应温度低, 因此, 低温点火表现为多点离散火焰, 火焰厚度很宽, 甚至充满整个观察窗。
图 9表明:当T5=1077K, 点火首先发生在远离激波管反射端面处(图 9(a)), 火焰左行传播(图 9(b)~(d))。当Δt=0, 右侧流场(x>20mm)出现火焰区, 左侧流场(x < 20mm)无明显火焰(亮度接近于0), 表明左侧流场未出现自点火。当Δt=50μs, 左侧流场出现火焰区, 且存在明显的孔洞结构。当Δt=100μs, 火焰区扩散至整个观察窗区域, 且右侧流场亮度较高。当Δt=150μs, 左侧流场的火焰亮度增大。这和文献给出的自点火流场图像是类似的, 如廖钦[6]得到的煤油及其裂解产物的自点火图像, Herzler等[8]得到的丙烷自点火图像, Pfahl等[17]得到的异辛烷自点火阴影图像。这些图像均表明:低温自点火不是从激波反射端面开始的。原因可能是:(1)当点火延时较长, 反射端面附近流场和壁面存在传热效应。(2)考虑到气体粘性效应, 反射端面附近入射激波后的气流不是瞬时滞止, 存在反射激波和入射激波诱导边界层的复杂相互作用, 导致边界层的低温反应物和反射端面附近存在输运关系。两者同时作用, 降低了反射端面附近的化学反应速率, 但其具体机理尚待验证。
综上所述, 当p5和φ相同, T5降低导致火焰区厚度增大、光强减弱, 初始火焰形状由近似平面火焰演化为不规则的多个离散火焰区, 且自点火区域也远离反射端面。在低温条件下, 火焰首先出现在远离反射端面处并左行传播。
2.3 压力影响表 4给出了不同压力对应的工况参数列表(case 7~14), 其中, case 7和8、case 9和10、case 11和12、case 13和14分别为对比工况。从表 4看出, p5分别为265±11kPa和419±44kPa, 对应T5分别为1252~1079K和1384~1055K。这表明:当p5增大, p5和T5偏差范围也增大。原因是:随着p5增大, 膜片厚度也增大, 实验重复性变差, 导致p5和对比工况的T5偏差增大, 例如, case 7和8的T5相差132K。
| Case | φ | Mas | p5/kPa | T5/K | τig/μs |
| 7 | 1.0 | 3.073 | 267 | 1252 | 19 |
| 8 | 1.0 | 3.293 | 433 | 1384 | 0 |
| 9 | 1.0 | 2.871 | 271 | 1136 | 122 |
| 10 | 1.0 | 2.926 | 423 | 1167 | 163 |
| 11 | 1.0 | 2.826 | 254 | 1111 | 539 |
| 12 | 1.0 | 2.818 | 375 | 1107 | 399 |
| 13 | 1.0 | 2.767 | 265 | 1079 | 945 |
| 14 | 1.0 | 2.724 | 444 | 1055 | 723 |
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| 图 10 自点火流场图像(case 7) Fig.10 Images of auto-ignition flow field (case 7) |
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| 图 11 自点火流场图像(case 8) Fig.11 Images of auto-ignition flow field (case 8) |
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| 图 12 自点火流场图像(case 9) Fig.12 Images of auto-ignition flow field (case 9) |
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| 图 13 自点火流场图像(case 10) Fig.13 Images of auto-ignition flow field (case 10) |
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| 图 14 自点火流场图像(case 11) Fig.14 Images of auto-ignition flowfield (case 11) |
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| 图 15 自点火流场图像(case 12) Fig.15 Images of auto-ignition flow field (case 12) |
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| 图 16 自点火流场图像(case 13) Fig.16 Images of auto-ignition flow field (case 13) |
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| 图 17 自点火流场图像(case 14) Fig.17 Images of auto-ignition flow field (case 14) |
图 10和11表明:随p5增大, 对应的反应物浓度增大, 火焰光强明显增大, 火焰阵面为明显的平面形状, 涡结构近似消失, 同时火焰下游流场光强也变大, 表明燃烧仍在剧烈进行。
图 12表明:当Δt=0, 反射端面附近(x < 8mm)出现亮度较低的近似平面火焰。当Δt=25μs, 火焰分布在x < 20mm, 上部(y=50mm)和下部(y=20mm)均存在涡结构。当Δt=50μs, 上部和下部漩涡区分别形成向外传播的火焰面, 并相互穿透(20mm < x < 60mm)。当Δt=75μs, 火焰分布在x < 100mm。相互独立的火焰面向右传播, 并逐渐垂直激波管轴线。原因是:自点火流场各点存在速度脉动, 并引起密度和温度脉动。流场湍流强度越大, 湍流燃烧的反应速率也越大, 从而形成局部爆炸。局部爆炸随时间推进向周围扩散并互相融合, 在传播过程中经壁面反射演变为平面火焰。
图 13表明:当Δt=0, 反射端面附近(x < 10mm)出现亮度较低的近似平面火焰。当Δt=25μs, 火焰分布在x < 20mm。火焰阵面分为上部和下部2个半圆形状, 在y=45mm处相连。当Δt=50μs, 火焰分布在x < 80mm, 表现为2个圆弧交叉形状。当Δt=75μs, 火焰分布在x < 117mm, 火焰阵面近似垂直于激波管轴线。和图 12相比, 火焰光强明显增大, 且上部和下部出现更明显的局部爆炸现象, 并近似沿激波管轴线对称, 最终形成统一的火焰阵面。
在图 14和15中, 火焰的产生和传播特征与图 8类似。不同的是:当p5=375kPa, 观察窗下部(x=20mm, y=20mm)出现局部爆炸(图 15(b)), 火焰向外传播并扩散到反应较慢区域(图 15(c)), 火焰阵面趋于垂直激波管轴线(图 15(d))。
图 16和17表明:火焰的产生和传播特征与图 9类似。不同的是:当p5=444kPa, 观察窗上部(x=40mm, y=70mm)出现局部爆炸并左行传播(图 17(c)), 使反射端面附近出现较强的自发光(图 17(d))。
综上所述, 当给定p5, T5对火焰的影响近似相同; 当T5不变, 随p5增大, 火焰光强增大, 化学反应更剧烈; 当p5=265和419kPa, 易发生局部爆炸并向周围传播, 多个局部爆炸区在传播过程中逐渐融合, 经壁面反射后形成近似平面火焰。
3 结论(1) 相同工况自点火流场图像表明:当p5=106kPa、T5=1210K和p5=108kPa、T5=1229K, 火焰的产生和传播特征近似相同。点火首先发生在反射端面附近, 形成近似平面火焰并右行传播, 火焰表面存在小尺度涡结构。
(2) 当p5和φ相同, 不同T5自点火流场图像表明:当T5降低, 火焰厚度增大, 光强减弱, 初始火焰由平面形状演变为不规则的离散区域, 点火位置逐渐远离激波管端面。当T5较低, 火焰首先出现在观察窗右侧并左行传播。
(3) 当T5和φ相同, 不同p5自点火流场图像表明:随p5增大, 火焰光强增大, 化学反应更剧烈。当p5=265和419kPa, 火焰出现局部爆炸并向周围传播, 多个局部爆炸区在传播过程中逐渐融合, 经壁面反射后形成近似平面火焰。
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