[发明专利]一种瞬态燃烧场定量测量方法及装置

说明书

本发明设计了一种瞬态燃烧场定量测量方法及装置，属于燃烧诊断技术领域。装置包括：时钟同步与延迟触发模块、可调谐激光发生模块、光纤分束器、透镜组、光电探测器阵列、高速多路数据采集模块、高能脉冲激光发生模块、面阵光电探测器、控制与计算模块等。首先，利用稳态燃烧场标定激光诱导荧光测试系统的光学参数；然后，使用标定后的装置对瞬态燃烧场的同一截面进行测量；最后，将激光吸收光谱层析成像得到的低分辨率温度分布代入建立的激光诱导荧光计算模型，获得高分辨率的温度、被测基团、分子的浓度分布。本发明将激光诱导荧光与激光吸收光谱相融合，对于燃烧场监测与诊断有着重要的应用价值。

技术领域

本发明设计了一种瞬态燃烧场定量测量方法及装置，属于燃烧诊断技术领域，融合了平面激光诱导荧光技术和激光吸收光谱技术，该系统用于瞬态燃烧场的温度、中间产物基团和最终产物分子浓度的定量测量。

背景技术

燃烧场的温度场和燃气组分的测量方法主要可分为接触式和非接触式两类。接触式方法主要包括热电偶测温法、取样分析法等，容易干扰流场、响应速度慢、空间分辨率较低。非接触式方法主要包括声学法、光谱法等，由于传感器不与被测介质接触，有效地保证了被测介质流场的原有状态。平面激光诱导荧光法(Planar Laser InducedFluorescence,PLIF)、激光吸收光谱法(Laser Absorption Spectrum,LAS)是光谱测量中的两个重要组成部分。

PLIF技术采用紫外或可见光波段激光形成一片状光束，选择性激发燃烧场中的自由基或示踪粒子辐射荧光，是研究流场和燃烧场最重要的技术手段之一。PLIF一般用于检测燃烧场中一些重要的燃烧中间产物(如OH、CH、CH₂O、NO等)的定性二维分布。

定性PLIF技术可用于燃烧场空间分布的可视化、时空分布的动态演化、难测组分的测量与可视化、多组分同时测量与可视化等领域，具有时空分辨率高(时间分辨率纳秒、空间分辨率微米量级)的特点。2014年Brackmann等发表在《应用物理B》(Applied PhysicsB)115卷1期25-33页的论文《用于气相诊断的氨双光子激光诱导荧光的表征》(Characterization of ammonia two-photon laser-induced fluorescence for gas-phase diagnostics)中，利用双光子LIF技术测量并获得了氨气-甲烷-空气层流和湍流火焰中CH基和NH₃分子的纵剖面PLIF图像，获得了CH基和NH₃分子在火焰锋面的分布位置。2014年Zhou等发表在《燃烧与火焰》(CombustionFlame)161卷6期1566-1574页的论文《湍流甲烷/空气火焰中单次激光诱导荧光甲醛成像的策略》(Strategy for PLIF single-shotHCO imaging in turbulent methane/air flames)中，利用PLIF测量了甲烷/空气湍流火焰中自由基HCO的分布，用以标示碳氢火焰的热释率。但是PLIF技术在定量测量方面存在较大困难，主要在于PLIF信号难以定标、易受碰撞淬熄效应的影响。为解决以上两点问题对于PLIF技术定量化造成的困扰，多年来研究人员在传统技术基础上提出了各种改进的实验方法。