基于激光的測(cè)量技術(shù)在燃燒流場(chǎng)診斷中的應(yīng)用

劉晶儒 胡志云

(西北核技術(shù)研究所 激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024)

1 引 言

燃燒是當(dāng)今世界上能量轉(zhuǎn)換的主要方式之一，廣泛應(yīng)用于能源、電力、交通運(yùn)輸?shù)戎匾I(lǐng)域。燃燒又是多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，涉及工程熱物理、化學(xué)、流體力學(xué)、地球物理、生態(tài)學(xué)等學(xué)科。國(guó)際上，許多發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)80年代起就大力開(kāi)展燃燒理論、實(shí)驗(yàn)及診斷技術(shù)研究，并在工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)及其相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)對(duì)燃燒領(lǐng)域的研究起步較晚，但近年來(lái)開(kāi)始快速發(fā)展。燃燒領(lǐng)域事關(guān)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全局，有效地利用能源、提高燃燒效率和減小燃燒產(chǎn)生的污染至關(guān)重要，而面臨的主要挑戰(zhàn)源自對(duì)基礎(chǔ)燃燒現(xiàn)象的理解。

激光燃燒診斷技術(shù)是以激光器件、光譜物理、光電探測(cè)、數(shù)據(jù)圖像處理等為基礎(chǔ)的非接觸式測(cè)量技術(shù)，當(dāng)前已發(fā)展成為燃燒實(shí)驗(yàn)研究的主要測(cè)量工具之一。與傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量手段相比，其具有如下優(yōu)勢(shì)：首先，它是非侵入式測(cè)量方法，對(duì)燃燒流場(chǎng)基本沒(méi)有擾動(dòng)，測(cè)量結(jié)果能更好地反映真實(shí)的燃燒過(guò)程；其次，測(cè)量信息豐富，可獲取燃料霧化、流動(dòng)速度、燃燒場(chǎng)溫度及組分濃度等各種信息，有利于較全面地了解燃燒過(guò)程；第三，它具有很高的時(shí)空分辨力，其時(shí)間分辨力可以達(dá)到納秒甚至飛秒量級(jí)，空間分辨力可以達(dá)到毫米甚至微米量級(jí)，可為認(rèn)識(shí)和理解發(fā)動(dòng)機(jī)湍流與燃燒相互作用提供信息；第四，能夠用于燃燒流場(chǎng)參數(shù)的可視化測(cè)量，結(jié)合圖像處理與圖像顯示等手段，可以顯現(xiàn)燃燒場(chǎng)的各種變化特性。

本文從發(fā)動(dòng)機(jī)湍流燃燒場(chǎng)診斷的需求和面臨的挑戰(zhàn)出發(fā)，結(jié)合本課題組在激光燃燒診斷技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，對(duì)基于激光的主要測(cè)量技術(shù)的基本原理、在燃燒場(chǎng)診斷中應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對(duì)存在的主要問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

2 工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)湍流燃燒場(chǎng)診斷需求及面臨的挑戰(zhàn)

工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)包括內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等，是先進(jìn)的航空、航天、航海以及陸地運(yùn)載工具的核心部件，其燃燒效率、燃燒穩(wěn)定性、動(dòng)力性能和污染物排放等性能均與發(fā)動(dòng)機(jī)湍流燃燒過(guò)程的本質(zhì)規(guī)律密切相關(guān)，也決定于發(fā)動(dòng)機(jī)高效燃燒的組織與調(diào)控。

發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需要大量地面試車臺(tái)的模擬試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)和理論建模的準(zhǔn)確性，流動(dòng)和燃燒參量(例如，速度、溫度、組分濃度等)的高時(shí)空分辨測(cè)量是認(rèn)識(shí)和理解發(fā)動(dòng)機(jī)湍流與燃燒相互作用現(xiàn)象和規(guī)律的重要手段，精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)估的基礎(chǔ)；另一方面，隨著高性能計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，涉及燃燒化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)高保真模擬已發(fā)展成為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高效燃燒組織與調(diào)控的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方法，但其需要大量的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒流場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的支撐，從而對(duì)網(wǎng)格生成、數(shù)值方法、物理模型等CFD中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)地驗(yàn)證。

工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程非常復(fù)雜，其特點(diǎn)主要有燃燒空間受限、流動(dòng)速度高、混合強(qiáng)度高、燃燒強(qiáng)度高、工作范圍寬和參數(shù)突變等。影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的主要影響要素是：燃燒化學(xué)反應(yīng)、燃燒與流動(dòng)的相互作用和極端條件。燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性體現(xiàn)在反應(yīng)機(jī)理涉及成百上千種中間組分和成百上千步基元反應(yīng)。發(fā)動(dòng)機(jī)湍流燃燒的復(fù)雜性表現(xiàn)為強(qiáng)旋流、交叉射流、回流等多尺度湍流渦旋和火焰的相互作用。而極端條件包括高壓、高溫、超聲速、寬當(dāng)量比、強(qiáng)邊界約束、參數(shù)突變等。由于湍流燃燒的高度復(fù)雜性，其流動(dòng)和燃燒的眾多參量交織耦合在一起，對(duì)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、火焰面結(jié)構(gòu)、主要組分濃度進(jìn)行定量測(cè)量難度很大。

在處于高壓、高溫等嚴(yán)苛環(huán)境的現(xiàn)代燃燒系統(tǒng)中，基于激光的測(cè)量技術(shù)既能為燃燒基礎(chǔ)研究提供測(cè)量手段，同時(shí)也能在實(shí)際燃燒裝置中，為燃燒效率最大化、污染最小化提供經(jīng)驗(yàn)性的解決策略。此外，激光診斷技術(shù)在解決實(shí)際燃燒問(wèn)題如催化燃燒、火焰抑制、燃燒控制、燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)的燃料注入與混合、材料燃燒合成等方面都具有重要的作用。

3 基于激光的測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

3.1 組份濃度測(cè)量技術(shù)

燃燒過(guò)程中主要組分濃度是關(guān)鍵參數(shù)之一，不僅決定了整個(gè)燃燒過(guò)程的效率，而且與燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、燃燒速率密切相關(guān)。

濃度從10-2到10-12量級(jí)的微量組分的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)于研究燃燒問(wèn)題起著十分重要的作用，主要的問(wèn)題涉及到污染物形成(NOx、SOx、碳煙、有毒有機(jī)化合物)、火焰點(diǎn)火和火焰抑制等，微量組分空間分布的測(cè)量還可以反映火焰的精細(xì)結(jié)構(gòu)，確定燃燒反應(yīng)發(fā)生的位置?！稇?yīng)用燃燒診斷學(xué)》第二章列舉了與火焰化學(xué)應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究相關(guān)的60種不同微量組分及其測(cè)量方法[1]。但到目前為止，微量組分中研究最多的是OH、NO以及CH自由基，它們?cè)诨鹧嬷芯哂兄匾淖饔?，并且檢測(cè)方案比較成熟。

自發(fā)拉曼散射(Spontaneous Raman Scattering，SRS)技術(shù)是燃燒場(chǎng)主要組分濃度測(cè)量的重要方法；激光誘導(dǎo)熒光(Laser-Induced Fluorescence，LIF)技術(shù)是微量組分測(cè)量的有力手段，該測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)單易行，并且有用于理論解釋的數(shù)據(jù)庫(kù)以及二維成像能力；腔衰蕩光譜技術(shù)(Cavity Ringdown Spectroscopy,CRD)是一種高靈敏度的吸收技術(shù)，可以探測(cè)低濃度的化學(xué)反應(yīng)中間產(chǎn)物，也能探測(cè)不輻射熒光的分子，并具有可定量標(biāo)定的能力；光學(xué)相干的偏振光譜(Polarization Spectroscopy,PS)技術(shù)特別適合背景噪聲較強(qiáng)、而且不輻射熒光的情況下中間產(chǎn)物濃度的測(cè)量。我們將分別介紹這些技術(shù)。

3.1.1 自發(fā)拉曼散射技術(shù)

燃燒場(chǎng)主要組分濃度的測(cè)量常采用自發(fā)拉曼散射技術(shù)。激光作用到氣體分子時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性瑞利散射，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較弱的非彈性散射即拉曼散射。拉曼散射光與激勵(lì)激光存在一定的頻差，該頻差與激勵(lì)激光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，由散射分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)決定。不同的分子，振動(dòng)能級(jí)往往各不相同，因此，理論上一次激發(fā)即可獲得被測(cè)氣體中所有組分的拉曼光譜，通過(guò)光譜分析可以獲得被測(cè)氣體的組分信息，同時(shí)還可以根據(jù)各組分拉曼光譜的強(qiáng)度，計(jì)算出各組分的摩爾分?jǐn)?shù)。

(1)

圖1 測(cè)量的燃料與空氣混合比的分布(曲線1為平均值，曲線2為RMS值)[3] Fig.1 Experimental mean(curve 1) and RMS fluctuation(curve 2) mixture fraction data[3]

SRS信號(hào)強(qiáng)度與照射激光頻率的四次方成正比，由于SRS信號(hào)極弱(比瑞利散射信號(hào)小3個(gè)量級(jí))，為提高信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)測(cè)量一般采用短脈沖大功率紫外激光器。但是，燃料為煤油時(shí)，紫外激光很容易激發(fā)煤油產(chǎn)生強(qiáng)的熒光干擾，因此發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室實(shí)驗(yàn)大多采用小分子燃料作為替代燃料開(kāi)展研究工作。例如，N.R.Grady等人[3]采用基于248 nm可調(diào)諧KrF準(zhǔn)分子激光的SRS方法測(cè)量了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室主要反應(yīng)物和生成物濃度分布，并有此獲得了燃料與空氣混合比的分布(如圖1所示)，實(shí)驗(yàn)采用70%的甲烷和30%氫氣混合作為燃料。L.Wedr等人[4]采用基于355 nm激光的SRS方法，測(cè)量了以天然氣為燃料的高壓燃?xì)廨啓C(jī)燃燒場(chǎng)，獲得了激光傳輸線上主要反應(yīng)物和生成物濃度一維分布定量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于校驗(yàn)燃燒室內(nèi)湍流燃燒過(guò)程的大渦模擬(large eddy simulations,LES)。近年來(lái)，R.J.Locke等人[5]采用長(zhǎng)脈沖大能量532 nm激光代替紫外波長(zhǎng)激光，對(duì)燃料為JP-8航空煤油的燃燒室進(jìn)行測(cè)量，獲得了探測(cè)區(qū)主要燃燒產(chǎn)物種類及其平均濃度數(shù)據(jù)，但單脈沖拉曼譜仍不能提取出定量信息。本課題組利用355 nm 激光激發(fā)拉曼散射，開(kāi)展了煤油燃燒場(chǎng)主要組分測(cè)量,著重分析了煤油熒光的特征及其對(duì)拉曼信號(hào)的干擾，并獲得了貧油燃燒狀態(tài)下燃燒場(chǎng)主要組分的典型拉曼散射譜及其摩爾分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化(如圖2所示)[6]。這些研究為SRS方法應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室測(cè)量提供了很好的借鑒，但如何抑制煤油等大分子碳?xì)淙剂吓c激光作用產(chǎn)生的光譜噪聲干擾并對(duì)極微弱拉曼光譜信號(hào)進(jìn)行高效探測(cè)仍需深入研究。

圖2 煤油燃燒場(chǎng)主要組分拉曼散射譜(左)及主要組分摩爾分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化(右)[6] Fig.2 Typical measured Raman spectrum(left) and mole fractions of the major species(right) in kerosene flame[6]

因商用Nd∶YAG激光器的激光脈寬通常為納秒級(jí)，經(jīng)透鏡聚焦后的高功率密度激光很容易產(chǎn)生激光誘導(dǎo)擊穿輻射等干擾。為此，采用激光分束和延時(shí)合束方法，利用多個(gè)相互串聯(lián)的環(huán)形光學(xué)腔構(gòu)成激光脈沖展寬器，通過(guò)調(diào)諧腔長(zhǎng)，可把納秒級(jí)激光展寬至近百ns。在激光能量衰減不太大的前提下有效降低激光峰值功率密度，且展寬前后激光光束質(zhì)量基本不變，可基本消除激光誘導(dǎo)擊穿光譜的干擾，獲得航空煤油燃燒場(chǎng)信噪比高的拉曼光譜[7]。

3.1.2 激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)

激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)是定量測(cè)量微量組分濃度最常用的方法。LIF技術(shù)通常采用窄線寬激光將分子或原子激發(fā)至高能級(jí)，然后采集與入射激光有一定頻移的熒光信號(hào)。LIF技術(shù)具有非接觸、多組分測(cè)量、高選擇性、高測(cè)量靈敏度(達(dá)ppb量級(jí))、高空間分辨率(達(dá)50 μm)，可二維測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，還可實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨的單脈沖測(cè)量。

已有若干綜述性文章論述了LIF技術(shù)及測(cè)量，其發(fā)展歷史可參考兩本激光燃燒診斷著作[8-9]。發(fā)表在《Progress in Energy and Combustion Science》期刊上的兩篇文章尤其值得關(guān)注。Kohse-H?inghaus[10]全面介紹了火焰中微量組分探測(cè)實(shí)驗(yàn)(超過(guò)700篇參考文獻(xiàn))。Daily[11]介紹了LIF的數(shù)學(xué)模型，包括碰撞導(dǎo)致的復(fù)雜模型并給出了實(shí)驗(yàn)和設(shè)備的詳盡細(xì)節(jié)。

在LIF實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的激光單脈沖熒光信號(hào)SF(以mV為單位)由下式給出[1]：

SF=BILΓτLNfBΦFf l(Ω/4π)εηV,

(2)

式中，B為Einstein吸收系數(shù)除以光速，IL為單位面積的激光功率譜密度除以激光帶寬，Γ表示激光與吸收線寬之間卷積，τL為激光脈寬，N為電子基態(tài)上的分子數(shù)；fB為Boltzman分?jǐn)?shù)，表示能夠被激光激發(fā)的處于特定電子振轉(zhuǎn)能級(jí)的那部分分子，Φ為激發(fā)態(tài)的熒光量子產(chǎn)額，F(xiàn)f l為探測(cè)器帶寬內(nèi)收集的熒光份額。剩下的幾項(xiàng)，Ω為探測(cè)器收集熒光的立體角，ε和η分別為探測(cè)器的傳輸和光電效率，V為作用區(qū)的體積。需要指出的是，此方程只適用于線性區(qū)，即當(dāng)BILΓ足夠小時(shí)，基態(tài)只有很少一部分粒子被激發(fā)。

但若獲得精確的定量測(cè)量結(jié)果，LIF技術(shù)還有許多復(fù)雜的問(wèn)題需要考慮。其中主要涉及測(cè)量過(guò)程中碰撞和能級(jí)轉(zhuǎn)移。圖3為自由基OH的熒光過(guò)程能級(jí)示意圖。由于大多數(shù)激發(fā)態(tài)能級(jí)的壽命在數(shù)十納秒至百納秒之間，而常壓環(huán)境下典型的碰撞時(shí)間約為100 ps，所以處于激發(fā)態(tài)的粒子在輻射光子之前會(huì)發(fā)生很多次的碰撞。而碰撞會(huì)導(dǎo)致激發(fā)態(tài)的粒子以無(wú)輻射躍遷的方式返回基態(tài)，即產(chǎn)生淬滅，從而大大降低熒光的產(chǎn)生效率。但是，淬滅并不是影響熒光信號(hào)的唯一因素，碰撞會(huì)頻繁地誘導(dǎo)能級(jí)轉(zhuǎn)移過(guò)程，激發(fā)態(tài)上不同振轉(zhuǎn)能級(jí)的粒子數(shù)也會(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)轉(zhuǎn)移(Rotational Energy Transfer，RET)和振動(dòng)能級(jí)轉(zhuǎn)移(VibrationalEnergy Transfer，VET)而改變，從而進(jìn)一步導(dǎo)致熒光光譜復(fù)雜化。碰撞淬滅主要取決于探測(cè)的能級(jí)量子數(shù)、溫度、壓強(qiáng)以及碰撞對(duì)象(即火焰的化學(xué)成分)，需在LIF定量測(cè)量中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)火焰進(jìn)行標(biāo)定或通過(guò)測(cè)量火焰成分來(lái)計(jì)算淬滅修正值。對(duì)于湍流場(chǎng)，要求LIF技術(shù)為瞬時(shí)測(cè)量，而瞬時(shí)條件下的淬滅速率的標(biāo)定與計(jì)算極為困難。Kohse-H?inghaus[10]、Schiffman和Chandler[12]的綜述性文章以及Daily和Rothe的文章[13]詳細(xì)地給出了淬滅和能級(jí)轉(zhuǎn)移在LIF技術(shù)定量測(cè)量組分濃度和溫度時(shí)的作用。

圖3 自由基OH的能級(jí)轉(zhuǎn)移過(guò)程示意圖 Fig.3 Schematic diagram showing energy transfer processes in the OH radical

有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)淬滅的LIF測(cè)量。第一種方法是激光誘導(dǎo)預(yù)分離熒光(Laser Induced Predissociative Fluorescence,LIPF)技術(shù)，即激勵(lì)激光將粒子激發(fā)至一個(gè)預(yù)分離態(tài)，若能級(jí)的預(yù)分離速率P遠(yuǎn)大于碰撞淬滅速率Q，那么產(chǎn)生的熒光信號(hào)幾乎不受碰撞淬滅的影響[14]。另一種方法是飽和熒光技術(shù)(Saturated LIF)，即激勵(lì)激光的能量非常強(qiáng)，那么熒光信號(hào)的強(qiáng)度將與碰撞淬滅和激光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。然而，這兩種方法受基態(tài)能級(jí)的能級(jí)轉(zhuǎn)移影響非常大，所以也不易實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量。理論模擬和實(shí)驗(yàn)表明，大部分分子在與LIPF所用的強(qiáng)激光光場(chǎng)作用過(guò)程中，其量子態(tài)會(huì)改變。此外，即使使用高功率激光，達(dá)到完全飽和也是不可能的，激光脈沖在時(shí)間和空間邊緣上的不飽和狀態(tài)使探測(cè)信號(hào)的定量分析很復(fù)雜。短脈沖光譜技術(shù)為實(shí)現(xiàn)無(wú)淬滅的LIF測(cè)量提供了一個(gè)很好的選擇。如果LIF技術(shù)的激勵(lì)激光脈沖時(shí)間比典型的分子間碰撞時(shí)間短，且使用適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)系統(tǒng)，那么就可以降低淬滅效應(yīng)對(duì)LIF技術(shù)的影響。

圖4 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室OH濃度分布圖像[15] Fig.4 OH PLIF images for hydrogen injection at each of the equivalence ratios[15]

LIF技術(shù)信號(hào)強(qiáng)，采用片狀激光可測(cè)量湍流燃燒中間反應(yīng)物濃度的空間分布，這種方法稱為平面激光誘導(dǎo)熒光(Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF) 技術(shù)。例如，Byrne等人[15]采用PLIF方法測(cè)量了以氫氣為燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)兩種燃料注入方式的OH濃度分布，獲得了湍流燃燒火焰結(jié)構(gòu)(圖4)，研究了不同燃料配比下氫燃燒現(xiàn)象及規(guī)律，并對(duì)CFD進(jìn)行校驗(yàn)。Strakey等人[16]對(duì)1～8 bar壓力下的渦輪燃燒室內(nèi)OH和CH濃度分布進(jìn)行了測(cè)量研究，起因于較長(zhǎng)壽命OH的擴(kuò)散，由OH熒光圖像的濃度梯度分布能夠獲得火焰結(jié)構(gòu)，但會(huì)丟失火焰前鋒面的細(xì)節(jié)信息，火焰前鋒面精細(xì)結(jié)構(gòu)的測(cè)量需要借助壽命極短的CH熒光圖像。利用PLIF技術(shù)進(jìn)行組分濃度空間分布測(cè)量必須考慮無(wú)輻射淬滅的影響，這需要詳細(xì)地了解淬滅受溫度、壓強(qiáng)和局部組分環(huán)境的影響，通過(guò)恰當(dāng)?shù)臒晒饧?lì)線選擇將淬滅效應(yīng)的影響降到可接受的水平，此時(shí)才可以認(rèn)為在可容忍的誤差范圍內(nèi)組分濃度與熒光強(qiáng)度成正比[17]。另外，在高壓強(qiáng)、高超音速流動(dòng)、強(qiáng)湍流度等極端條件下，高時(shí)空分辨熒光圖像才能反映大梯度精細(xì)結(jié)構(gòu)和多尺度渦系結(jié)構(gòu)。

由于分子能級(jí)結(jié)構(gòu)的差異，PLIF探測(cè)火焰中不同種類小分子微量組分時(shí)，采用的激勵(lì)激光波長(zhǎng)通常并不相同，激發(fā)的熒光信號(hào)一般借助合適的光譜濾光片也能夠進(jìn)行區(qū)分。因此，PLIF適合多組分的同時(shí)可視化測(cè)量。例如，瑞典隆德大學(xué)燃燒中心采用多組分PLIF同時(shí)可視化技術(shù)研究湍流火焰的結(jié)構(gòu)特性，獲得了高湍流度射流火焰中多組分(OH/CH2O/CH/HCO)的瞬時(shí)空間分布圖像，其成像空間分辨力在50～70 μm，觀察到湍流燃燒中的分布式反應(yīng)區(qū)模態(tài)，還揭示了湍流與化學(xué)反應(yīng)以及射流剪切層之間的復(fù)雜相互作用[18]。PLIF技術(shù)簡(jiǎn)單的光路布局使其容易與其它測(cè)量技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的測(cè)量。例如，Slabaugh等人[19]聯(lián)合采用PIV和PLIF測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室湍流燃燒速度場(chǎng)(圖5)和OH濃度分布(圖6)的演化過(guò)程，用于發(fā)展工業(yè)燃燒裝置的CFD 仿真軟件。

圖5 時(shí)間序列速度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果[19] Fig.5 Sequence of instantaneous velocity field measurements[19]

圖6 時(shí)間序列OH-PLIF圖像[19] Fig.6 Sequence of corrected PLIF images at flame[19]

3.1.3 腔衰蕩光譜技術(shù)

腔衰蕩光譜技術(shù)(CRD)是一種先進(jìn)的光學(xué)吸收測(cè)量技術(shù)，其選擇性好、靈敏度高，并具有定量標(biāo)定的能力，可用于火焰中化學(xué)反應(yīng)中間組分濃度的直接定量測(cè)量。CRD技術(shù)只要求分子能吸收激光，因此也能探測(cè)不輻射熒光的分子。在該技術(shù)中，一束脈沖激光被調(diào)諧到感興趣的分子的某個(gè)吸收線上，少量的光進(jìn)入由兩個(gè)反射鏡構(gòu)成的光腔，火焰放置在光腔中。

腔內(nèi)激光能量隨時(shí)間變化的表達(dá)式為：

I=I0e-[(1-R)+σρd]ct/L,

(3)

式中，I0為初始激光能量，R為腔鏡反射率，L為腔長(zhǎng)，d為腔內(nèi)吸收介質(zhì)的長(zhǎng)度，σ為吸收截面，ρ為吸收組分的濃度。根據(jù)公式(3)，激光在腔內(nèi)來(lái)回傳播一次的損耗率為2[(1-R)+σρd]，所以吸收的測(cè)量便可轉(zhuǎn)化為對(duì)激光隨時(shí)間衰減的測(cè)量，即時(shí)間常數(shù)τ=L/{[(1-R)+σρd]}c。可以看出，CRD測(cè)量的是激光衰減過(guò)程，而不是絕對(duì)的激光能量I0，所以CRD技術(shù)對(duì)激光脈沖能量抖動(dòng)不敏感。

與其它的吸收光譜方法一樣，CRD技術(shù)在路徑上空間分辨率有限。如果相關(guān)的吸收系數(shù)已知并精確地確定有效路徑長(zhǎng)度，則這種直接吸收法能提供一種免標(biāo)定的絕對(duì)濃度測(cè)量方法。但是，若沿腔吸收路徑上的吸收分子不是均勻分布，則定量測(cè)量時(shí)就必須考慮實(shí)際的分布。用LIF技術(shù)可獲得吸收組分空間分辨的相對(duì)濃度分布情況，結(jié)合CRD技術(shù)可得到吸收組分濃度分布所需的定量濃度值。

CRD技術(shù)已成功應(yīng)用于燃燒場(chǎng)中CH[20-24]、OH[25-26]、CN[22]、CH2[27]、CH3[28]、 CH2O[29]、HCO[30]等組分濃度的測(cè)量。

3.1.4 偏振光譜技術(shù)

偏振光譜技術(shù)(PS)是基于光子吸收技術(shù)、偏振光技術(shù)、多普勒光譜技術(shù)的一種非線性光學(xué)綜合診斷技術(shù)。與其它燃燒診斷技術(shù)相比，PS 技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)：第一，PS 信號(hào)強(qiáng)度不受碰撞淬滅的影響或限制；第二，對(duì)那些不輻射熒光的組分具有探測(cè)能力(例如多數(shù)碳?xì)浠衔?第三，PS 信號(hào)是類激光信號(hào)，與探測(cè)光同向，收集效率高、易于探測(cè)。

PS一般需要兩束激光：一束較強(qiáng)，用作泵浦光；另一束較弱，用作探測(cè)光，這兩束激光具有特定的偏振狀態(tài)。一般情況下探測(cè)光為嚴(yán)格的線偏振光，泵浦光為圓偏振光。當(dāng)兩束激光共同作用到探測(cè)區(qū)域且激光的頻率與介質(zhì)共振吸收頻率相同時(shí)，泵浦光將使原本各向同性的介質(zhì)變成各向異性介質(zhì)，此時(shí)，當(dāng)探測(cè)光通過(guò)這一區(qū)域后，其偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。通過(guò)測(cè)量探測(cè)光偏振狀態(tài)的變化量可以獲得介質(zhì)的部分參量信息。通過(guò)定量分析可得到信號(hào)強(qiáng)度的表達(dá)式[31-32]：

(4)

式中：Isig表示信號(hào)強(qiáng)度，I0表示探測(cè)光的強(qiáng)度，L為相互作用區(qū)域的長(zhǎng)度，χ為線型函數(shù)，Δα0表示介質(zhì)對(duì)探測(cè)光的兩個(gè)分量吸收系數(shù)之差的最大值，它與所探測(cè)介質(zhì)基態(tài)特定能級(jí)上的粒子數(shù)成正比。由公式(4)可知，在其它參數(shù)不變的條件下，PS信號(hào)強(qiáng)度與被測(cè)組分粒子數(shù)的平方成正比，因此，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)所測(cè)的PS信號(hào)強(qiáng)度即可獲得被測(cè)組分的粒子數(shù)。PS測(cè)溫一般采用雙線法，通過(guò)選擇基態(tài)兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，分別測(cè)量各自能級(jí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度可計(jì)算出兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)對(duì)應(yīng)的粒子數(shù)，再結(jié)合熱平衡條件下的玻爾茲曼分布公式，即可獲得介質(zhì)溫度。

圖7 在乙炔-氧氣火焰中利用圓偏振泵浦光獲取的C2偏振光譜。上部：兩偏振片相互垂直；底部：當(dāng)檢偏器略微偏離垂直位置時(shí)獲得的色散線型[35] Fig.7 Polarization spectrum of C obtained in an acetylene-oxygen flame for circularly polarized pump beam. R-branch triplets are clearly resolved. Top:the two polarizers are crossed. Bottom:dispersive line profiles are obtained when the analyser is slightly opened from the crossed position. The vertical scale is the same for both panels

PS被若干研究團(tuán)隊(duì)用于OH[33-34]、NH[34]、C2[35]、CO和NH3[36]的測(cè)量。圖7顯示了在預(yù)混乙炔-氧氣焊槍中火焰區(qū)記錄的C2偏振光譜，探測(cè)靈敏度估計(jì)優(yōu)于1018m-3[35]。

本課題組建立了二維PS 實(shí)驗(yàn)診斷系統(tǒng)，測(cè)量了CH4/air 預(yù)混火焰、酒精燈火焰中OH 的二維分布；并成功將該技術(shù)應(yīng)用到對(duì)固體燃劑燃燒場(chǎng)的診斷，獲得了燃燒場(chǎng)中OH 的二維分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)了解燃燒場(chǎng)構(gòu)造，研究燃燒機(jī)理等有一定的參考價(jià)值[37]。

PS在實(shí)驗(yàn)上比其他非線性光學(xué)技術(shù)簡(jiǎn)單，但由于窗口的應(yīng)力雙折射，PS的應(yīng)用或許將主要局限在開(kāi)放火焰。

3.2 溫度測(cè)量技術(shù)

溫度是燃燒研究中的關(guān)鍵參數(shù)之一，不僅決定了整個(gè)燃燒過(guò)程的效率，而且與燃燒釋熱及污染物生成密切相關(guān)。此外，燃燒設(shè)備的熱應(yīng)力分布決定了材料的選取、壽命和可靠性。因此，準(zhǔn)確、可靠的溫度測(cè)量有助于湍流燃燒過(guò)程的理解以及實(shí)際燃燒裝置的性能改進(jìn)。迄今為止，已發(fā)展了很多種基于激光的溫度測(cè)量技術(shù)，但至今仍沒(méi)有一種測(cè)溫技術(shù)能滿足所有的測(cè)量要求，所以需要根據(jù)具體的探測(cè)對(duì)象和測(cè)量需求選擇合適的測(cè)量技術(shù)。目前，相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering，CARS)、瑞利散射(Rayleigh Scattering，RS)、基于雙線法的平面激光誘導(dǎo)熒光(Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF)等技術(shù)已廣泛用于燃燒流場(chǎng)的溫度測(cè)量。

3.2.1 相干反斯托克斯拉曼散射測(cè)溫技術(shù)

CARS測(cè)溫技術(shù)是一種相干技術(shù)[38]，具有信號(hào)方向性好、不易受強(qiáng)光背景干擾、測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于各種復(fù)雜燃燒環(huán)境溫度的測(cè)量，例如寬壓強(qiáng)范圍的航空渦輪/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)[39-40]、內(nèi)燃機(jī)[41-42]、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)[43-44]等模型燃燒室流場(chǎng)溫度的測(cè)量。

CARS技術(shù)[38]是依據(jù)探測(cè)介質(zhì)的拉曼位移選定窄帶泵浦光束和寬帶斯托克斯光束(>100 cm-1)，并以相位匹配方式聚焦到燃燒火焰區(qū)與探測(cè)介質(zhì)相互作用，由三階非線性效應(yīng)產(chǎn)生共振CARS信號(hào)。在滿足相位匹配條件時(shí)，CARS信號(hào)強(qiáng)度表達(dá)式為：

(5)

式中，n1、n2、n3分別為泵浦光、斯托克斯光和CARS光折射率，I1為泵浦光強(qiáng)度，I2為斯托克斯光強(qiáng)度，l為有效作用區(qū)長(zhǎng)度，ω3為CARS信號(hào)角頻率，x(3)為三階非線性極化率，c為光速。

CARS的信號(hào)強(qiáng)度與三階非線性極化率x(3)模的平方成正比，x(3)通常包括被測(cè)介質(zhì)的溫度、組分、濃度等信息，決定了CARS光譜的線型輪廓，采用CARS實(shí)驗(yàn)光譜與理論光譜線型擬合的方法可實(shí)現(xiàn)溫度的反演，其測(cè)溫范圍在200～3 000 K。在燃料和空氣混合燃燒場(chǎng)中，氮?dú)夂控S富且氮?dú)獾腃ARS理論譜計(jì)算已十分成熟，因此通常選取氮?dú)庾鳛樘綔y(cè)組分進(jìn)行溫度測(cè)量。當(dāng)然，一些無(wú)氮?dú)獾幕鹧嬉部刹捎闷渌M分開(kāi)展CARS測(cè)量，例如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中H2/O2燃燒場(chǎng)，便可選擇H2作為探測(cè)對(duì)象。由于氫氣具有非常大的轉(zhuǎn)動(dòng)和振轉(zhuǎn)結(jié)合的相互作用常數(shù)，所以H2-CARS譜通常是由少數(shù)幾條間隔較大的轉(zhuǎn)動(dòng)線構(gòu)成，這些譜線即使在高溫情況下也具有很高的強(qiáng)度。此外，H2的拉曼譜線寬度要比N2窄10至100倍，使得H2的CARS譜對(duì)激光源的模式結(jié)構(gòu)更為敏感。

CARS測(cè)溫系統(tǒng)主要采用調(diào)Q-Nd∶YAG二倍頻激光器及其泵浦的染料激光器，重復(fù)頻率一般在10～100 Hz，單脈沖CARS信號(hào)的時(shí)間分辨力在ns量級(jí)。采用BOX CARS[43]或USED CARS[45]相位匹配方式，沿激光傳輸方向空間分辨力可達(dá)mm量級(jí)。CARS為單點(diǎn)測(cè)溫技術(shù)，通過(guò)探測(cè)點(diǎn)的掃描移動(dòng)，借助圖像重建算法，也可以獲得二維平均溫度場(chǎng)信息[46-47]。CARS系統(tǒng)極其精密復(fù)雜，其光路布局參見(jiàn)文獻(xiàn)[48]，為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)苛刻試驗(yàn)條件，本課題組研發(fā)了可移動(dòng)式高集成度CARS測(cè)溫系統(tǒng)，測(cè)量重復(fù)頻率10 Hz，單脈沖時(shí)間分辨力約10 ns，測(cè)量點(diǎn)空間分辨力約φ0.1 mm×3 mm，在CH4/air預(yù)混火焰中測(cè)溫不確定度約40 K。該系統(tǒng)具備以下優(yōu)點(diǎn)：模塊化設(shè)計(jì)、高集成度、易于調(diào)試、遠(yuǎn)程控制、良好的惡劣環(huán)境適應(yīng)性，具備空間二維掃描測(cè)量能力[46]。

研發(fā)的可移動(dòng)式CARS測(cè)溫系統(tǒng)已成功應(yīng)用在航空渦輪/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)溫度的測(cè)量，圖8為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒試驗(yàn)CARS診斷現(xiàn)場(chǎng)布局照片。圖9為航空渦輪/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)溫度測(cè)量結(jié)果[46]。圖9(a)為航空煤油燃燒過(guò)程測(cè)量的典型脈沖平均CARS實(shí)驗(yàn)譜與理論譜擬合結(jié)果，其CARS實(shí)驗(yàn)譜的信噪比與CH4/air預(yù)混火焰測(cè)量的脈沖平均CARS譜相當(dāng)。圖9(b)為采用空間掃描方式(相鄰探測(cè)點(diǎn)間隔5 mm，每一探測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間19 s)測(cè)量的主燃孔中心前10 mm與噴嘴中心軸線垂直截面的溫度場(chǎng)分布，每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的溫度值為19 s內(nèi)的平均溫度。圖10為2 Ma來(lái)流條件下以氫氣為燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室出口溫度測(cè)量結(jié)果[49]。圖10(a)為典型單脈沖CARS實(shí)驗(yàn)譜與理論譜擬合結(jié)果，其CARS實(shí)驗(yàn)譜的信噪比與CH4/air預(yù)混火焰測(cè)量的單脈沖CARS譜相當(dāng)。圖10(b )給出了燃燒過(guò)程溫度隨時(shí)間變化的結(jié)果，整個(gè)燃燒過(guò)程CARS測(cè)量的溫度平均值為1 705 K，CFD理論計(jì)算溫度值為1 723 K。CARS測(cè)溫結(jié)果不僅驗(yàn)證了CFD模型的合理性，而且還反映了燃燒過(guò)程的不穩(wěn)定性。在ns CARS技術(shù)中，產(chǎn)生共振CARS信號(hào)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生非共振四波混頻信號(hào)，特別是在高壓強(qiáng)火焰測(cè)量中，非共振信號(hào)的存在會(huì)降低CARS技術(shù)的測(cè)量精度和靈敏性[50]，可采用偏振技術(shù)來(lái)消除非共振背景的影響[51]，也可采用基于ps和fs激光的超快光譜CARS技術(shù)抑制非共振背景[52]。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室CARS測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)布局照片 Fig.8 Schematic setup for the temperature measurement of model combustor based on CARS

圖9 航空發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)平均溫度測(cè)量結(jié)果[46] Fig.9 Average temperature measurement results of a model aero-engine combustor[46]

圖10 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室出口流場(chǎng)溫度隨時(shí)間變化[49] Fig.10 Measured temperature versus time at the exit of scramjet engine

在可移動(dòng)式CARS測(cè)溫系統(tǒng)中，采用特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧二極管吸收光譜技術(shù)和CARS技術(shù)的共線測(cè)量[53]， 并利用建立的測(cè)量系統(tǒng)在超燃發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)不同位置處開(kāi)展了溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn),測(cè)量結(jié)果為發(fā)動(dòng)機(jī)提供了更為全面的溫度信息，便于分析發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，為燃燒室設(shè)計(jì)以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證提供參考。

3.2.2 瑞利散射測(cè)溫技術(shù)

瑞利散射(RS)由光子與分子間的彈性碰撞產(chǎn)生，其信號(hào)強(qiáng)度正比于總的分子數(shù)密度。若探測(cè)對(duì)象壓強(qiáng)已知，則可依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，由RS信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算溫度。RS信號(hào)強(qiáng)度表達(dá)式為[54]：

(6)

式中，S為瑞利散射信號(hào)強(qiáng)度；η為光學(xué)采集效率；I為激光強(qiáng)度；N為總的分子數(shù)密度；Ω是探測(cè)系統(tǒng)的采集立體角；V為探測(cè)體積；(?σ/?Ω)mix為混合氣體的有效微分散射截面，其值由混合氣體依據(jù)各組分的摩爾分?jǐn)?shù)的加權(quán)平均得到[54]，即：

(7)

式中，xi為第i種組分的摩爾分?jǐn)?shù)。

從上式可以看出，瑞利散射法測(cè)量溫度需要知道探測(cè)對(duì)象的組分種類及其濃度。特別是湍流燃燒場(chǎng)的組分及其濃度是瞬態(tài)變化的，這要求在RS信號(hào)測(cè)量過(guò)程中同步獲取組分信息。因此，RS測(cè)溫技術(shù)常與自發(fā)拉曼散射技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，由測(cè)量的主要組分信息可計(jì)算混合氣體的有效微分散射截面，這對(duì)于溫度的精確測(cè)量是必要的。使用高脈沖能量的激光器和高探測(cè)靈敏度的像增強(qiáng)型CCD相機(jī)，RS技術(shù)有足夠的信號(hào)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)單脈沖二維溫度場(chǎng)測(cè)量，而且RS測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單的光學(xué)布局有利于與其它光學(xué)技術(shù)進(jìn)行組合測(cè)量。RS技術(shù)可在潔凈的、低輻射的、開(kāi)放火焰中獲得良好的測(cè)溫結(jié)果。對(duì)于受限空間內(nèi)的火焰測(cè)量，需要采用一定的措施(例如，燃燒室壁面的發(fā)黑處理)抑制雜散光的干擾，即使如此，也僅能在遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域獲得有效數(shù)據(jù)。在含有碳煙的火焰中，由于碳煙帶來(lái)的米散射的強(qiáng)干擾，RS技術(shù)很難直接應(yīng)用。目前，RS測(cè)溫技術(shù)仍局限在H2、CO/H2火焰，以及小分子碳?xì)淙剂系臐崈艋鹧妗?/p>

瑞利散射光與流場(chǎng)中顆粒物及壁面散射光的重要區(qū)別在于瑞利散射光的光譜會(huì)隨溫度升高而展寬。因此，在RS探測(cè)光路上插入在激光波長(zhǎng)處存在強(qiáng)吸收極窄凹陷的分子吸收池，過(guò)濾顆粒物及壁面引起的散射光，溫度展寬的瑞利散射信號(hào)被探測(cè)器接收，從而可獲得高信噪比的瑞利散射信號(hào)，這種方法稱為過(guò)濾瑞利散射(Filtered Rayleigh Scattering，F(xiàn)RS)。FRS信號(hào)強(qiáng)度表達(dá)式為[55]：

(8)

式中，S為FRS信號(hào)強(qiáng)度，C為與光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)的常數(shù)，ν為激光頻率，T為待測(cè)溫度，Mk為第k種粒子的分子質(zhì)量，τ(ν)為分子過(guò)濾器的透過(guò)率曲線，Rk(ν,p,T,Mk)為瑞利散射光譜線型函數(shù)。

由公式(8)知要從測(cè)量的FRS信號(hào)中提取流場(chǎng)溫度信息，需要知道主要組分信息和瑞利散射光譜線型函數(shù)。對(duì)于湍流燃燒場(chǎng)，主要組分種類及濃度分布可結(jié)合SRS方法進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。瑞利散射光譜線型函數(shù)可由Tenti提出的S6模型[56]進(jìn)行計(jì)算，該模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬低壓強(qiáng)下簡(jiǎn)單多原子分子的瑞利散射光譜線型，對(duì)于高壓強(qiáng)燃燒環(huán)境中的瑞利散射光譜線型函數(shù)需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。

如果待測(cè)的湍流火焰壓強(qiáng)已知，將火焰中的FRS信號(hào)強(qiáng)度S與室溫空氣中的FRS參考信號(hào)強(qiáng)度Sref相除，可以消掉與系統(tǒng)有關(guān)的常量C，得到如下表達(dá)式：

(9)

式中，T0為室溫，P0為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)。

根據(jù)公式(9)擬合給出S/Sref隨溫度變化的理論曲線，由實(shí)際測(cè)量的S/Sref值與理論曲線進(jìn)行比對(duì)，就可獲得測(cè)量區(qū)域的火焰溫度信息。FRS測(cè)溫技術(shù)常采用二倍頻Nd∶YAG激光器與碘蒸氣吸收池的組合方案，相較于RS測(cè)溫，F(xiàn)RS技術(shù)需要注入鎖定的Nd∶YAG激光器，以保證輸出極窄線寬的單縱模激光，更好地適配碘蒸氣的吸收譜凹陷。Kearney等人[57]的研究表明FRS技術(shù)不僅能夠有效消除壁面散射光的影響，使得近壁面和近光學(xué)窗口區(qū)域湍流燃燒場(chǎng)的溫度測(cè)量成為可能，而且很容易與SRS技術(shù)進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)溫度和主要組分濃度的同時(shí)測(cè)量。

Kearney等人[58]采用FRS和激光誘導(dǎo)白熾光(Laser Induced Incandescence ，LII)進(jìn)行組合，研究碳煙濃度對(duì)FRS測(cè)溫的影響。碳煙是燃燒排放的重要污染物， LII是目前燃燒場(chǎng)碳煙濃度定量時(shí)空分辨測(cè)量的首選方法[1]。他們的研究表明：在0.1 ppm量級(jí)碳煙含量的C2H4火焰中，F(xiàn)RS技術(shù)能夠有效抑制碳煙米散射對(duì)FRS圖像的干擾，可拍攝到高信噪比的FRS圖像并能夠計(jì)算滿足測(cè)量精度要求的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3.2.3 雙線法PLIF測(cè)溫技術(shù)

二維瑞利散射技術(shù)在簡(jiǎn)單燃料的潔凈火焰應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)，而雙線法PLIF測(cè)溫技術(shù)可應(yīng)用于雜散光干擾嚴(yán)重導(dǎo)致瑞利散射測(cè)量失敗的實(shí)際燃燒裝置中?；陔p線法的PLIF測(cè)溫技術(shù)[18]的基本原理是合理選擇兩束不同波長(zhǎng)的激光，使其在間隔百納秒的極短時(shí)間內(nèi)順序通過(guò)燃燒火焰的同一位置，基于共振吸收將探測(cè)分子由基態(tài)中的量子態(tài)1和量子態(tài)2分別激勵(lì)到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的分子向下躍遷產(chǎn)生熒光，選擇合適的激光強(qiáng)度，使得熒光信號(hào)強(qiáng)度與激光功率密度成線性關(guān)系，測(cè)出相應(yīng)激發(fā)態(tài)的熒光信號(hào)強(qiáng)度S1和S2以及入射激光強(qiáng)度I1和I2，氣體中分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)服從玻爾茲曼分布，溫度表達(dá)式為[59]：

(10)

式中，k是玻爾茲曼常數(shù)，Ei代表量子態(tài)i的能量，C為標(biāo)定系數(shù)。

由于OH在火焰反應(yīng)區(qū)和高溫區(qū)域中含量豐富且有眾多的激勵(lì)線可供選擇，在燃燒場(chǎng)溫度測(cè)量中常以O(shè)H作為激光作用介質(zhì)。但也正是由于OH濃度很強(qiáng)的依賴于溫度，所以O(shè)H-PLIF測(cè)溫僅適用于T>1 300 K的燃燒環(huán)境。OH熒光譜位于入射激光的長(zhǎng)波方向，從光譜上很容易與入射激光區(qū)分開(kāi)，用合適的濾光片可有效減小碳煙和壁面散射光的干擾；采用特定波長(zhǎng)窄線寬激光對(duì)OH進(jìn)行激勵(lì)，可避免其它燃燒產(chǎn)物引起的干擾。基于OH的雙線法PLIF技術(shù)已用在以氫氣為燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室二維溫度場(chǎng)的可視化測(cè)量[60]，以及煤油為燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室內(nèi)貧油燃燒區(qū)溫度場(chǎng)測(cè)量(圖11)[61]。需要注意的是采用紫外激光激發(fā)OH熒光會(huì)同時(shí)激發(fā)煤油熒光，煤油熒光光譜范圍覆蓋了OH熒光光譜，難以從時(shí)間或光譜上加以區(qū)分，煤油富油燃燒區(qū)溫度場(chǎng)的定量測(cè)量會(huì)受到限制，如圖11中黑色網(wǎng)格區(qū)域所示。

圖11 雙線OH-PLIF用于發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室溫度場(chǎng)測(cè)量典型結(jié)果[61] Fig.11 Two-dimensional temperature distribution in a jet-engine model combustor segment as measured using two-line excitation of OH radicals[61]

OH的能級(jí)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，被激勵(lì)至激發(fā)態(tài)后會(huì)經(jīng)歷碰撞能級(jí)轉(zhuǎn)移、極化效應(yīng)、淬滅、自發(fā)輻射、熒光等復(fù)雜的物理過(guò)程，因此采用一個(gè)已知溫度火焰來(lái)標(biāo)定PLIF技術(shù)是十分必要的。在很多燃燒環(huán)境下，特別是高壓強(qiáng)環(huán)境中，由于譜線展寬的影響，使得僅激發(fā)單一的、分離的譜線不可行。此外，為了獲得良好的信噪比，通常選擇熒光信號(hào)強(qiáng)的譜線，而強(qiáng)的熒光譜線通常由兩條或更多的譜線構(gòu)成。因此，LIF雙線法測(cè)溫需要考慮譜線的結(jié)構(gòu)而不是單一的譜線。在實(shí)際應(yīng)用中，常采用數(shù)值模擬方法計(jì)算兩條選定的熒光譜線強(qiáng)度比值隨溫度的變化關(guān)系，并在計(jì)算中考慮譜線壓強(qiáng)展寬、激光線寬等因素的影響。

NO也可以作為PLIF的探測(cè)對(duì)象。NO的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，如果將其摻混至燃?xì)庵?，那么NO將在整個(gè)火焰區(qū)域中存在。但是，NO熒光的主要缺點(diǎn)是其激勵(lì)波長(zhǎng)位于226 nm附近，激光在穿過(guò)火焰區(qū)過(guò)程中吸收很嚴(yán)重且很容易激發(fā)其它組分產(chǎn)生熒光干擾。Vyrodov等人[62]開(kāi)展了高壓強(qiáng)環(huán)境下層流CH4/air火焰NO-LIF測(cè)溫研究。在27 bar壓強(qiáng)下，通過(guò)最小二乘法擬合NO熒光譜方式反演的溫度結(jié)果與CARS測(cè)溫結(jié)果偏差在3%以內(nèi)；但在貧油火焰中，O2熒光會(huì)嚴(yán)重干擾NO的熒光譜。為了克服226 nm激光易被吸收的缺點(diǎn)，可采用NO在248 nm附近的A-X帶(0,2)熒光線進(jìn)行測(cè)量[63-64]，但該熒光線僅適用于高溫環(huán)境下測(cè)量。

為了避免碰撞淬滅和煤油熒光的干擾，可選擇銦(In)原子作為探測(cè)對(duì)象。In原子采用410和451 nm激光進(jìn)行激發(fā)并產(chǎn)生熒光，由于兩個(gè)熒光過(guò)程中的能級(jí)躍遷共享同一上能級(jí)，能夠抑制甚至消除由壓強(qiáng)變化引起的熒光淬滅對(duì)溫度測(cè)量的影響，其溫度敏感范圍在800～2 800 K，適用于寬壓強(qiáng)范圍燃燒反應(yīng)區(qū)溫度場(chǎng)測(cè)量。由于采用可見(jiàn)光激光進(jìn)行激發(fā)，能夠避免煤油熒光的干擾，適用于富油燃燒區(qū)的測(cè)量。In原子在流場(chǎng)中的撒播方式通常是將InCl3溶液添加至發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中，InCl3隨燃料的流動(dòng)分布在整個(gè)流場(chǎng)中，InCl3在燃燒反應(yīng)區(qū)分解產(chǎn)生豐富的In原子。In原子的注入量應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，以避免引起火焰冷卻效應(yīng)和In原子的強(qiáng)吸收。Kaminski等人[65]采用基于In原子的PLIF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1.4 MPa高壓SI發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中采用低的激光功率密度，保證了熒光強(qiáng)度與激光功率的線性關(guān)系，獲得了曲柄不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度的平均溫度場(chǎng)圖像，測(cè)溫精度約14%，但單次熒光圖像信噪比水平不高。Medwell等人[66-68]采用高的激光功率密度進(jìn)行激發(fā)，獲得了高信噪比單脈沖熒光圖像，常壓火焰的單次熒光圖像測(cè)溫誤差約60 K。

3.3 速度測(cè)量技術(shù)

湍流燃燒涉及復(fù)雜的湍流流動(dòng)，流場(chǎng)速度的測(cè)量可以確定湍流強(qiáng)度、剪應(yīng)力和湍流動(dòng)能，還可導(dǎo)出湍流長(zhǎng)度和漩渦尺寸，速度場(chǎng)的測(cè)量可揭示環(huán)流與逆流區(qū)以及加速和減速區(qū)?；诩す獾乃俣葴y(cè)量技術(shù)主要包括利用多普勒頻移測(cè)速原理的激光多普勒測(cè)速計(jì)(Laser Doppler Velocimetry，LDV)和平面多普勒測(cè)速儀(Planar Doppler Velocimetry，PDV)，利用粒子位移測(cè)速原理的粒子成像測(cè)速儀(Particle Imaging Velocimetry，PIV)和分子標(biāo)記測(cè)速技術(shù)(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)。前3種技術(shù)的工作原理、實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)處理方法和燃燒裝置中的應(yīng)用在文獻(xiàn)[69]中有詳細(xì)介紹，這3種技術(shù)在低溫流場(chǎng)或較低馬赫數(shù)高溫流場(chǎng)中已獲得很好的應(yīng)用。但由于粒子跟隨性問(wèn)題或粒子不能耐受高溫，這3種技術(shù)很難用于高溫超高速流場(chǎng)的速度測(cè)量。

MTV技術(shù)是以分子作為標(biāo)記示蹤的流場(chǎng)速度測(cè)量技術(shù)，它與PIV技術(shù)的測(cè)量原理類似，都是根據(jù)示蹤物在已知時(shí)間間隔內(nèi)跟隨流場(chǎng)的移動(dòng)距離計(jì)算流場(chǎng)的速度分布。所不同的是PIV技術(shù)采用質(zhì)量較大的粒子作為示蹤物，而 MTV技術(shù)采用分子作為示蹤物，能夠克服PIV技術(shù)在超高速流動(dòng)尤其是含有強(qiáng)激波的流場(chǎng)中的示蹤粒子跟隨性問(wèn)題。能夠用于流場(chǎng)顯示的示蹤分子需滿足幾個(gè)條件：(1)在空間上具有可區(qū)分性；(2)壽命足夠長(zhǎng)，通常要求在ms量級(jí)以上；(3)標(biāo)記分子可輻射光或通過(guò)PLIF的方式被單獨(dú)顯示。表1列出了近些年學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)的一些標(biāo)記示蹤分子、產(chǎn)生這些分子的母體及標(biāo)記方法[70]。

表1 幾種標(biāo)記分子

NO2、N2O、O3、磷光物質(zhì)在燃燒場(chǎng)中可能分解或參與化學(xué)反應(yīng)，使得標(biāo)記的圖像信噪比大大降低，因此主要用于低溫流場(chǎng)速度的測(cè)量。振動(dòng)激發(fā)態(tài)的O2作為標(biāo)記示蹤分子的方法[71]是利用兩束激光(波長(zhǎng)532和580 nm)將O2通過(guò)拉曼激發(fā)的方式激勵(lì)到振動(dòng)激發(fā)態(tài)作為標(biāo)記示蹤分子，并利用激光誘導(dǎo)熒光進(jìn)行顯示。由于激發(fā)是非線性過(guò)程，所需的激光功率密度比較高，標(biāo)記區(qū)域較小，而且激光裝置也比較復(fù)雜。雖然Webster和Lempert[72]對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，但仍局限用于良好的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。Michael等人[73]最近提出了飛秒激光電子激發(fā)標(biāo)記(Femtosecond laser electronic excitation tagging,FLEET)方法，他們利用飛秒激光非常高的功率密度(～1018W/m2)，通過(guò)多光子激發(fā)方式，與流場(chǎng)中的N2作用產(chǎn)生原子態(tài)N，N在復(fù)合的過(guò)程中產(chǎn)生長(zhǎng)壽命寬帶的可見(jiàn)光輻射，但飛秒激光器對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較為苛刻。

這里主要介紹適用于高溫高速流場(chǎng)速度測(cè)量的羥基分子標(biāo)記測(cè)速(Hydroxyl Tagging Velocimetry,HTV)技術(shù)[70]。作為流場(chǎng)標(biāo)記的羥基(OH)是用激光解離流場(chǎng)中的水分子產(chǎn)生的，它不需要從外部往流場(chǎng)中撒播粒子。HTV測(cè)速技術(shù)的工作原理是利用激光解離水(燃燒的主要產(chǎn)物之一)產(chǎn)生的OH作為示蹤標(biāo)記線，再用設(shè)定延遲時(shí)間的OH-PLIF激光片誘導(dǎo)OH產(chǎn)生熒光并顯示OH示蹤標(biāo)記線位置，基于時(shí)間-位移相關(guān)算法計(jì)算流場(chǎng)速度。1988年，Shirley等人[74]使用輸出波長(zhǎng)為248 nm的氟化氪(KrF)準(zhǔn)分子激光，利用雙光子激發(fā)的方式解離水產(chǎn)生OH作為流場(chǎng)的標(biāo)記示蹤分子，但由于雙光子吸收截面小，需要很高的激光功率密度。1999年， Wehrmeyer等人[75]對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，利用氟化氬(ArF)準(zhǔn)分子激光器輸出的波長(zhǎng)193 nm激光作為標(biāo)記激光，利用單光子吸收激發(fā)的方式解離水產(chǎn)生OH標(biāo)記，所需的激光功率密度顯著降低，使得技術(shù)的實(shí)用性得到了大大的提高。在高溫環(huán)境中，解離產(chǎn)生的OH壽命可達(dá)ms量級(jí)，而且更多的水分子處于振動(dòng)的激發(fā)態(tài)，使得對(duì)193 nm光子的吸收截面大大增加(1 500 K溫度下，水對(duì)193 nm激光的吸收是常溫下的約500倍)。因此，HTV技術(shù)非常適合于高溫亞聲速至高超聲速流場(chǎng)速度的測(cè)量。Pitz等[76]利用多線交叉網(wǎng)格HTV方法對(duì)超燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室凹腔內(nèi)2 Ma預(yù)熱來(lái)流的速度分布進(jìn)行了測(cè)量研究，給出了凹槽內(nèi)速度的分布。Alexander等人[77]利用HTV方法對(duì)SR30縮比型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和全尺寸J85渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的尾流進(jìn)行了速度測(cè)量，得到了較好的速度圖像。Perkins等人[78]利用該技術(shù)測(cè)量了置于激波管內(nèi)頭部為弓形和錐形的試件表面的流動(dòng)速度分布，流場(chǎng)氣體為含水的氦氣。本課題組利用HTV技術(shù)獲得了以煤油為燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)速度分布和H2/air燃燒高溫超聲速羽流速度分布，圖12為在H2/air燃燒高溫超聲速羽流中獲得的標(biāo)記線圖像和計(jì)算的速度分布數(shù)據(jù)，其中(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)于羽流的膨脹區(qū)域、膨脹壓縮中間區(qū)域和壓縮區(qū)域[70]。

圖12 高溫超聲速羽流單線HTV圖像及速度分布結(jié)果[70] Fig.12 Single-line HTV images in supersonic plume[70]

3.4 多參數(shù)綜合診斷

在湍流火焰中，混合過(guò)程和燃燒化學(xué)反應(yīng)存在強(qiáng)烈的相互耦合，多參數(shù)的同時(shí)高時(shí)空分辨測(cè)量更利于理解湍流與燃燒的相互作用過(guò)程。例如，Barlow等人[79]聯(lián)合1D-SRS、FRS和PLIF方法對(duì)溫度場(chǎng)、主要組分濃度、火焰面結(jié)構(gòu)標(biāo)示物(OH/CO)濃度場(chǎng)進(jìn)行同時(shí)可視化測(cè)量，獲得了湍流燃燒溫度場(chǎng)和OH/CO濃度場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，用于研究燃燒參數(shù)(雷諾數(shù)、油氣比、燃料類型等)對(duì)湍流燃燒混合特性的影響規(guī)律。Boxx等人[80]采用高重頻PIV和OH-PLIF組合，研究湍流與燃燒相互作用的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。Kothnur和Johchi等人[81-82]聯(lián)合PIV和(CH/OH)PLIF方法研究小尺度湍流對(duì)火焰面結(jié)構(gòu)及火焰動(dòng)力學(xué)的作用機(jī)理。Sjoholma等人[83]采用多色PLIF方法實(shí)現(xiàn)了甲烷湍流火焰中四組分(OH/CH/CH2O/ toluene)的同時(shí)成像，并將其用來(lái)研究預(yù)混射流湍流火焰的結(jié)構(gòu)特性。

隨著計(jì)算機(jī)能力的提升，基于大渦模擬(Large eddy simulation，LES)[84]的CFD模型發(fā)展迅速。LES方法不僅能給出時(shí)間域的信息，描述不穩(wěn)定效應(yīng)；也能夠獲得空間相關(guān)的信息。因此除了定量逐點(diǎn)測(cè)量之外，為了達(dá)到驗(yàn)證的目的還需要空間和時(shí)間相關(guān)的信息，例如不同空間方向上的溫度和組分濃度等標(biāo)量的梯度及其時(shí)間相關(guān)性等[85]。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)宇航中心、澳大利亞悉尼大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)采用RS/SRS/PLIF技術(shù)對(duì)氫氣、小分子碳?xì)淙剂弦约昂铣蓺獾囊幌盗型牧骰鹧孢M(jìn)行了點(diǎn)、一維、二維測(cè)量，不僅獲得了火焰溫度、主要組分(CH4、O2、CO2、H2O、N2)和微量中間反應(yīng)物(OH、NO、CO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，還獲得了這些標(biāo)量的梯度分布，測(cè)量的時(shí)間分辨力達(dá)到了納秒量級(jí)、空間分辨力在幾十微米～毫米范圍，提供了一批可用于湍流燃燒機(jī)理研究和模型驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[86-87]。近十年來(lái)，隨著高重頻大能量Nd∶YAG激光器和高重頻微弱信號(hào)成像器件的發(fā)展，基于RS、SRS、PLIF技術(shù)的10 kHz以上時(shí)域成像技術(shù)在湍流燃燒診斷中已顯現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。例如，Sutton等人[88]采用10 kHz以上的高重頻(OH/CH2O)PLIF、1D-SRS 和RS方法組合對(duì)清潔湍流火焰組分濃度及溫度場(chǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)的快速演變進(jìn)行了可視化測(cè)量，研究燃燒釋熱對(duì)湍流強(qiáng)度及尺度、關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)途徑的作用機(jī)理等。高重頻成像技術(shù)可以獲得精細(xì)的時(shí)間相關(guān)標(biāo)量，且能夠進(jìn)行湍流脈動(dòng)測(cè)量，這對(duì)闡明湍流與燃燒的相互作用過(guò)程以及LES模型的時(shí)域驗(yàn)證十分重要。工業(yè)應(yīng)用中，高重頻時(shí)域成像技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和熄火研究、火焰穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)研究，以及燃燒裝置設(shè)計(jì)缺陷的監(jiān)測(cè)等方面都能夠發(fā)揮重要作用。

4 總 結(jié)

本文介紹了燃燒過(guò)程中主要關(guān)鍵參數(shù)包括組分濃度、溫度、速度等的激光診斷技術(shù)及其應(yīng)用。

自發(fā)拉曼散射技術(shù)是燃燒場(chǎng)主要組分濃度測(cè)量的重要方法，激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)是微量組分測(cè)量的有力手段，腔衰蕩光譜技術(shù)可探測(cè)低濃度的化學(xué)反應(yīng)中間產(chǎn)物及不輻射熒光的分子，偏振光譜技術(shù)適合背景噪聲較強(qiáng)且不輻射熒光情況下的開(kāi)放式火焰中間產(chǎn)物濃度的測(cè)量。

相干反斯托克斯拉曼散射技術(shù)具有信號(hào)方向性好、不易受強(qiáng)光背景干擾、測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)，一次測(cè)量通常僅能獲得單點(diǎn)溫度，通過(guò)截面內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)掃描探測(cè)方式可獲得二維空間分布平均溫度場(chǎng)信息；基于雙線法的PLIF技術(shù)可用于瞬時(shí)二維溫度場(chǎng)的可視化測(cè)量，但其測(cè)溫精度通常也會(huì)相應(yīng)降低；瑞利散射技術(shù)可與自發(fā)拉曼散射技術(shù)以及激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)溫度和組分濃度的同時(shí)測(cè)量，但不適合大分子碳?xì)淙剂匣鹧鏈囟鹊臏y(cè)量。

激光多普勒測(cè)速計(jì)、平面多普勒測(cè)速儀、粒子成像測(cè)速儀在低溫流場(chǎng)或較低馬赫數(shù)高溫流場(chǎng)中已獲得很好的應(yīng)用；以O(shè)H作為標(biāo)記示蹤的速度測(cè)量技術(shù)適合在高溫超高速流動(dòng)尤其是含有強(qiáng)激波的流場(chǎng)中測(cè)速。

激光燃燒診斷技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已是現(xiàn)代燃燒科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的不可或缺的動(dòng)力。隨著高重頻大能量激光器和高重頻微弱信號(hào)成像器件的發(fā)展，多參數(shù)、高時(shí)空分辨的同時(shí)診斷將在湍流與燃燒相互作用機(jī)理研究、CFD仿真驗(yàn)證、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。隨著高性能高參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高溫、高壓、高湍流度、煤油燃燒產(chǎn)物的復(fù)雜性等使得激光與燃燒場(chǎng)的相互作用更為復(fù)雜，光譜信號(hào)的高信噪比探測(cè)以及湍流燃燒參數(shù)的反演變得更加困難，激光燃燒診斷技術(shù)仍面臨諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)。