[发明专利]高频NO-PLIF成像测量装置及方法

权利要求书

1.一种燃烧场的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，包括：

高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光，该355nm激光通过第一镜片分成相互垂直的第一束355nm激光和第二束355nm激光；

种子激光器模块，用于产生822.3nm的种子激光；

光参量振荡器，用于将高频激光器输入的第一束355nm激光与种子激光器模块输入的822.3nm的激光转化产生624.7nm的激光，具体地，光参量振荡器包括BBO晶体和位于BBO晶体两侧的第三镜片与第四和第五镜片，第三镜片位于BBO晶体与高频激光器之间，用于透射355nm波长的光并反射820-860nm和600-640nm波长的光；第四镜片靠近BBO晶体，用于透射355nm波长、820-860nm和600-640nm波长的光，第五镜片用于透射820-860nm和600-640nm波长的光并反射355nm波长的光；

NO-PLIF模块，用于将光参量振荡器输入的624.7nm的激光与高频激光器输入的第二束355nm激光合成226nm的光，该226nm经过凸透镜汇聚于标气池中与NO反应产生PLIF光信号；

以及成像测量模块，用于将PLIF光信号成像后进入计算机中处理得到待测燃烧场的火焰温度。

2.如权利要求1所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，高频激光器为Nd:YAG激光器。

3.如权利要求1所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，第一束355nm激光经第一反射镜转向90度后进入光参量振荡器。

4.如权利要求3所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，种子激光器模块包括半导体激光器和光电隔离器，半导体激光器用于产生波长822.3nm、功率100mW、线宽为0.01nm的半导体激光，该半导体激光经过光电隔离器处理后输出822.3nm的种子激光。

5.如权利要求4所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，光电隔离器输出的种子激光经第二镜片反射进入光参量振荡器与355nm激光产生624.7nm激光束，第二镜片用于透射600-640nm波长的p偏振光并反射820-860nm波长的p偏振光，光参量振荡器输出的624.7nm经过第二镜片进入NO-PLIF模块。

6.如权利要求5所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，624.7nm的激光与第二束355nm激光分别经过第二反射镜和第三反射镜进入NO-PLIF模块。

7.如权利要求5所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，NO-PLIF模块包括混频晶体、凸透镜、标气池、泵和供气单元，混频晶体用于将624.7nm的激光与355nm激光合成226nm的光，供气单元用于将N₂和NO混合气体提供至标气池中，包括N₂瓶和NO瓶，泵、N₂瓶和NO瓶分别通过相应管道与标气池流体连通，并且每一管道上设有相应阀门。

8.如权利要求1所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，成像测量模块包括ICCD相机、延时器和计算机，延时器使Nd:YAG激光器、ICCD保持同步性，同时减少相机快门打开时间，减少图像的噪声，ICCD相机用于捕捉PLIF荧光信号并成像，计算机用于对从ICCD相机得到的图像进行处理，以实现燃烧场的温度测量。

9.一种高频NO-PLIF成像测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.通过如权利要求1-8中任一项所述的高频NO-PLIF成像测量装置产生NO-PLIF图像数据，具体过程为：

S11.通过供气单元和泵向标气池中添加NO和N₂混合气体；

S12.通过高频NO-PLIF成像测量装置中的光学器件产生226nm激光来激发标气池中的NO分子，产生PLIF光信号；

S13.通过ICCD相机和延时器对PLIF光信号进行捕捉成像；

S14.通过计算机对从ICCD相机得到的图像进行处理，得到NO-PLIF图像数据；

S2.由NO-PLIF图像数据计算得到待测燃烧场的火焰温度，具体地过程为：

像平面上所接收到的荧光光子数表达式如下：

其中，E为入射激光的能量密度J/m²；

h为普朗克常数Js；

c为光速cm/s；

λ为波长cm，0.0226；

σ为荧光粒子对激发光的吸收截面cm²；

χ₀为该组分的摩尔分数；

N₁为流场中所有组分的数密度个/cm^-3；

A₂₁为总体自发辐射系数；

Q₂₁为淬灭系数；

η为ICCD的量子效率；

Ω为ICCD相对于视场微元体积的立体角sr；

ΔxΔyΔz/(4π)为ICCD视场微元；

简化上式表达，令N₀＝χ₀N₁为NO分子数密度，令为已知常数，则有F＝CEN₀σ；

由于能量密度E中含有面积ΔxΔy，故可以约分，因此可继续简化为：F＝C₁E₁N₀σ，其中，E₁为入射激光能量；

当入射激光能量较微弱时为线性激发，此NO-PLIF信号强度与入射激光能量呈线性关系，通过实验拟合出NO-PLIF图像荧光强度与NO分子数密度的线性关系，并得到斜率k1，由以上推导可知式中常数C₁和入射激光能量E₁为已知参数，由此可以计算出吸收截面σ；

然后通过实验拟合出NO-PLIF图像荧光强度与入射激光能量的线性关系，并得到斜率k₂，由以上推导可知式中常数C₁和吸收截面σ为已知参数，因此可以获得NO分子数密度N₀；

最后根据NO分子数密度N₀，通过标定的火焰温度即可得到待测燃烧场的火焰温度。