[发明专利]高频NO-PLIF成像测量装置及方法

说明书

本发明涉及一种燃烧场的高频NO‑PLIF成像测量装置及方法，其中，该装置包括：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；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。

技术领域

本发明属于燃烧诊断领域，具体地涉及一种高频NO-PLIF成像测量装置及方法。

背景技术

燃烧是流动、传热、传质和化学反应的相互作用产生的急速、剧烈的发光发热的过程，是一种复杂的物理化学现象，通常伴随着系统性质在空间或时间上的突然变化，特别是化学成分和温度。燃烧过程是当下世界范围内能源产生的主要方式，目前世界上80％以上的能源和动力都来自燃料的燃烧，可以说燃烧对于社会的运转至关重要。尽管经过几个多世纪的发展，燃烧有了相当成熟的技术，但与燃烧相关的污染物的排放对燃烧的更广泛使用造成了困扰，在人类环保意识觉醒的当下，日益严格的污染物排放法规正考验着我们对于燃烧的深层次理解。

而对燃烧过程的描述涉及热化学、化学动力学、流体力学和输运等多个分支学科，涉及的方法主要有三种：实验、计算和理论，后两种方法是通过数值解和解析解的特性来区分的。在未能完全了解燃烧机理的现在，我们可以通过燃烧诊断对燃烧的过程进行测量并对结果进行分析。长期以来，我们应用热电偶、热线风速仪和组分分析仪等接触式的测量仪器测量燃烧过程中的温度、压力及燃烧产物，这些接触式的测量仪器具有结构简单、可靠，维护方便，价格低廉等优点，但对感温元件要求较高、会对流场产生干扰并对检测结果造成影响，且只能用于测量宏观平均的物理量，缺乏足够的时间和空间的分辨率。因此为在测量中需要避免物理探针的侵入性，避免对系统的测量结果的干扰，目前普遍采用基于激光的光学方法进行燃烧诊断。

基于燃气轮机燃烧产物NO的平面激光诱导荧光(Planar Laser InducedFluorescence，PLIF)技术能够非接触的成像燃烧过程中重要中间产物分布，从而获得这些组分的二维分布，得到火焰的瞬态结构，当我们结合不同时刻或空间的变化时，可以获得火焰的发展变化规律。同时高频PLIF技术具有更高的测量精度且更普适的测量环境，突破以往在风洞中测量的限制。。

燃烧诊断是一门对燃烧过程中的物质浓度、温度和流场等信息进行测量的学科，为理解燃烧中复杂的化学反应和流动过程提供实验依据，按照与待分析物接触的形式可以将常用燃烧诊断方法划分为2大类，即光谱法和取样分析法。长期以来，我们应用热电偶、热线风速仪和组分分析仪等接触式的测量仪器测量燃烧过程中的温度、压力及燃烧产物，这些接触式的测量仪器具有结构简单、可靠，维护方便，价格低廉等优点，但对感温元件要求较高、会对流场产生干扰并对检测结果造成影响，且只能用于测量宏观平均的物理量，缺乏足够的时间和空间的分辨率。因此为在测量中需要避免物理探针的侵入性，避免对系统的测量结果的干扰，目前普遍采用基于激光的光谱法进行燃烧诊断。

激光光谱技术是利用检测信号与燃烧场各参量信息之间存在的物理联系，采用实验测量技术检测信号而获得燃烧场参数的方法，其本质是激光与燃烧过程中产生的粒子、分子和自由基的相互作用。从光学原理上我们可知各种线性和非线性效用会产生拉曼散射、瑞利散射、米散射、荧光等信号，这些信号携带了我们所需的燃烧场的温度、密度、组分浓度等重要信息，在对燃烧场几乎没有干扰的条件下可以准确获得瞬时一维、二维以及三维的燃烧场参数。