2.1.2 油料池火焰光谱特性分析
SSGP-GXJL100动态瞬时光谱辐射计测得的数据为火焰辐射亮度经过光电转换后的电压信号。实验测得的一组0⋕柴油池火燃烧火焰原始光谱信号结果如图2.3所示。从图中可以看出，在700～800nm范围内电压信号较强，在750nm附近存在一个电压信号最大值。油池火燃烧从点燃至熄灭一般需经过三段发展历程：起火发展阶段、稳定燃烧阶段及衰减熄灭阶段，油池火燃烧三个阶段的燃烧强度可用质量损失速率表征，如图2.4所示。其中在起火发展阶段燃料与氧气发生剧烈氧化反应，并伴随着发光发热的现象，在该阶段火焰温度急剧上升，质量损失速率不断增加，对应图2.4中的阶段Ⅰ；到了稳定燃烧阶段池火温度在最高值附近上下波动，该阶段火焰温度平均值较为稳定，质量损失速率达到最大值，如图2.4中的阶段Ⅱ；随着燃烧过程的进行，燃料逐渐消耗殆尽，燃烧随即进入衰减熄灭阶段，温度急剧下降直至燃烧停止，质量损失速率在该阶段不断减小，对应图2.4中的阶段Ⅲ。0⋕柴油在图2.3中用虚线勾选出来的谱线，电压信号幅值在同组实验中较低，即在火焰的起火发展及衰减熄灭阶段测得的光谱信号，该阶段火焰向外辐射能量减少，电压信号强度低，符合油池火燃烧发展机理。研究表明火焰温度对火焰光谱的亮度具有一定影响。
图2.3 0⋕柴油池火燃烧火焰原始光谱信号
图2.4 油池火燃烧质量损失速率曲线
光谱辐射仪测试得到的原始数据为电压信号，由于光谱仪在不同波段处的响应是不同的，为获得火焰辐射亮度信号，必须对原始电压信号进行校正，光谱信号系数校准曲线如图2.5所示。
图2.5 光谱信号系数校准曲线
将电压信号校正成辐射亮度信号方法为：
Rλ=CλVλ （2.1）
式中，Rλ表示波长λ处火焰光谱辐射亮度；Cλ表示波长λ处的校正系数；Vλ表示波长λ处电压信号。
火焰燃烧过程中温度波动变化及自身的脉动特性，使火焰辐射具有不同的强度。当物体的温度一定时，物体对外发射通量密度可通过普朗克方程及物体的发射率计算：
（2.2）
式中，h表示普朗克常数，h=6.63×10-34J·S；c表示光速，c=3×108m/s；k表示玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；ε为物体的辐射发射率，是一个无量纲数值，大小在0～1之间，物体发射率与物体自身性质及波长有关；T表示温度。式中，B（λ，T）表示普朗克方程，用于描述绝对黑体辐射通量密度，黑体是一个理想化的特殊物体，黑体对外界能量只吸收不反射。本研究中将火焰视为朗伯体，不考虑火焰辐射在不同方向上的差异，测试得到的火焰光谱辐射亮度为：
（2.3）
物质在外界能量的激发作用下可产生特征谱线，本研究目标是各油品燃烧的火焰，同时也是激发燃烧产物的能量源。实验过程中对各油品稳定燃烧阶段的火焰光谱进行了多次测量，火焰光谱的辐射亮度随波长的变化规律如图2.6所示。由于油料燃烧过程中火焰脉动的影响，同一种油品的火焰光谱多次测量数据之间存在一定波动，本质上并没有不同。各油品及混合油品池火焰光谱辐射亮度随波长变化规律相似，在354～700nm波段范围内光谱强度较低，在700nm后各组光谱曲线呈指数函数形式增加。油池火燃烧是高温油蒸气与空气之间发生的剧烈的氧化反应过程，空气不断被卷吸进火焰内部，因此火焰在燃烧过程中存在较大的脉动频率，对外辐射能也在平均值附近波动。当池火焰从稳定燃烧阶段向衰减熄灭阶段过渡时，其发射光谱的强度逐渐降低。各组油料池火焰在紫外-可见光波段范围内（354～780nm）特征发射波段的发射峰强度不明显。油池火主要的燃烧产物包括H2O、CO2、CO及烟尘颗粒等，各油品池火焰的光谱特征如图2.6中放大区域显示，在810nm处存在微弱的发射峰，是燃烧产物H2O的特征峰。
图2.6 各油品及混合油品池火焰光谱的辐射亮度随波长的变化规律
不同物质由不同的分子及原子构成，因此其光谱具有区别于其他物质光谱的特征。实验所选用的几种油品均提炼于原油。柴油主要由直链烷烃、支链烷烃及芳香烃等烃类组成，其中芳香烃占30%～35%。柴油的黏度较大，与汽油相比，柴油的长链C—H的比例更高，但芳香烃含量低于汽油。航空煤油成分复杂，包含上千种化合物，其中有机化合物包括碳原子数目不同的链烃、环烷烃等烃类，结构复杂的芳香族化合物，各成分随油品产地的不同而变化。航空煤油不易蒸发，燃烧热稳定性好，热值较高，适用于涡轮发动机及冲压发动机，由于其使用环境的限制，其中总的芳烃及烯烃含量要低于一定的限值，例如美国的JP-4航空煤油。汽油除了包含烷烃及环烷烃等烃类物质外，还包括含有硫、钒等杂原子的化合物，92⋕与95⋕汽油的区别主要在于辛烷值的不同。汽油与航空煤油相比更易挥发，燃烧发展速度更快。综上分析，实验中所选用的各油品主要由烃类化合物组成，在开放空间条件下，火焰燃烧过程中将产生多种自由基参与反应，燃烧的主要产物为H2O、CO2、CO及烟尘颗粒等，无明显差别，因此各油品及混合油品池火焰光谱特征相似。