引 言

油料是军事领域和国民经济发展中重要的战略能源物资，但油气的易燃易爆性质往往造成重大的人员伤亡和财产损失[1]。受限空间油气爆炸是典型的油料安全事故之一，具有爆炸传播快、强度大、衰减慢的特点[2]。油料中汽油轻质组分多、热值高、极易挥发，受限空间汽油蒸气爆炸危险性尤其高[3]。因而，探究受限空间汽油蒸气爆炸的中间基团分布对于分析爆炸的产生和发展，进而研究受限空间汽油蒸气爆炸防控技术尤为重要。

传统的流场诊断技术，如传感器测压、热电偶测温、皮托管测速等方法，都对流场产生干扰作用，从而限制了可燃介质燃烧爆炸测量过程中一些细节参数如火焰精细结构、关键组分分布、流场演变特征的获取。随着片激光和光谱成像技术的进步，高分辨率自由基荧光谱及其成像技术逐渐成为可燃物着火燃烧研究的重要手段[4]，从而为获取上述细节参数提供了良好的技术支撑。利用平面激光诱导荧光（PLIF）系统，国外加州理工学院[5-7]、首尔大学[8]、密歇根大学[9]，国内中国科学院[10-11]、国防科技大学[12]、天津大学[13-14]、北京航空航天大学[15-16]、中国科学技术大学[17-18]、西安交通大学[19-20]、中国空气动力研究与发展中心[21-23]等研究机构的相关学者开展了一系列可燃物着火燃烧流场研究。PLIF 通过激光激发分子、自由基使其产生能级跃迁发出荧光，根据发光信号得到基团的时空分布信息，可实现燃烧流场的无干扰诊断。

当前研究中，PLIF 技术较多应用于稳态火焰的燃烧场诊断，如苏铁等[21-25]都是针对稳态燃烧火焰进行研究，很多研究对象是甲烷、丙烷、氢气等单分子气态燃料。然而，汽油蒸气爆炸过程是典型的复杂混合可燃介质预混燃烧传播过程，无论是可燃介质的类别和还是燃烧过程的特征均与稳态工况存在差别[26-27]。有必要通过PLIF 技术精准测量油料着火爆炸过程中的关键自由基团，从而获取爆炸过程中流场演变特征和自由基团分布，并据此实现对爆炸流场、火焰传播的精确分析。

本文基于先进的平面激光诱导荧光测量技术（PLIF），设计构建了油气爆炸PLIF 测量系统，对不同工况下狭长受限空间汽油-空气混合气爆炸中OH基团浓度分布进行了实验研究。

1 实验系统设计

1.1 实验系统的构建

本文设计了狭长受限空间油气爆炸PLIF 测量系统，实验系统整体如图1所示。

图1 油气爆炸PLIF测量系统总图Fig.1 General experimental setup of PLIF testing system for oil and gas explosion flow field

矩形管道模拟实际场景中的充满油气的场所；压力采集系统测量管道内三个位置处的油气爆炸压力变化；浓度测量系统与管道形成闭合回路，用于测试管道内油气浓度；循环配气系统也与管道形成回路，用于向管道充入油气；激光器系统发出能够激发OH 的脉冲激光，使OH 基发光；时序控制器在接收到触发信号之后，会同时完成激光器开启、点火器点火、ICCD 采集三个测量过程中的关键操作；高速相机对火焰图像进行拍摄记录，此外也用于脉冲激光发射时刻与ICCD 采集时刻的同步较准辅助，高速相机的启动通过远程计算机进行控制。

本实验所采用的汽油为国Ⅴ标准的中石化92号车用汽油，其组成成分的体积分数如表1 所示[28]，油气浓度（体积分数）1.8%在当量比浓度附近。实验时，首先通过本课题组设计的循环配气系统[29-30]向管道内充入油气，而后通过浓度测试仪实时测量油气浓度值，待达到需求的浓度后停止充油，经过继续循环一段时间油气浓度达到稳定；然后手动触发信号源，由时序控制器分别控制激光器开启时刻、高速相机拍摄开始时刻、ICCD拍摄开始时刻、点火器点火时刻，实现在燃烧流场某个位置处，脉冲激光出现、ICCD 拍摄、高速相机拍摄三者的时刻同步，具体时序控制设计见下文；压力采集系统由手动控制开始与否，实验中在点火前预先采集，在爆炸完之后停止采集，以保证采集到全时段的压力信号。

表1 油气组分构成Table 1 Components of the fuel组分烷烃环烷烃芳香烃烯烃质量分数/%40.33 6.12 40.06 13.49

本实验系统中浓度测试仪采用北京均方理化科技研究所生产的GXH-1050 型红外线分析仪，通过红外吸收原理测量碳氢化合物的体积分数，精度0.01%。经过多次试验，循环配气系统向管道内充油稳定后的油气浓度有很高的重复性，重复性试验油气浓度值如表2所示。

1.2 油气点火与PLIF测量的同步触发控制研究

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