劉晶儒 胡志云

(西北核技術(shù)研究所 激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，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。國際上，許多發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)80年代起就大力開展燃燒理論、實驗及診斷技術(shù)研究，并在工業(yè)發(fā)動機(jī)研發(fā)及其相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我國對燃燒領(lǐng)域的研究起步較晚，但近年來開始快速發(fā)展。燃燒領(lǐng)域事關(guān)國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(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、數(shù)據(jù)圖像處理等為基礎(chǔ)的非接觸式測量技術(shù)，當(dāng)前已發(fā)展成為燃燒實驗研究的主要測量工具之一。與傳統(tǒng)的接觸式測量手段相比，其具有如下優(yōu)勢：首先，它是非侵入式測量方法，對燃燒流場基本沒有擾動，測量結(jié)果能更好地反映真實的燃燒過程；其次，測量信息豐富，可獲取燃料霧化、流動速度、燃燒場溫度及組分濃度等各種信息，有利于較全面地了解燃燒過程；第三，它具有很高的時空分辨力，其時間分辨力可以達(dá)到納秒甚至飛秒量級，空間分辨力可以達(dá)到毫米甚至微米量級，可為認(rèn)識和理解發(fā)動機(jī)湍流與燃燒相互作用提供信息；第四，能夠用于燃燒流場參數(shù)的可視化測量，結(jié)合圖像處理與圖像顯示等手段，可以顯現(xiàn)燃燒場的各種變化特性。

本文從發(fā)動機(jī)湍流燃燒場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，對基于激光的主要測量技術(shù)的基本原理、在燃燒場診斷中應(yīng)用的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對存在的主要問題和發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。

2 工業(yè)發(fā)動機(jī)湍流燃燒場診斷需求及面臨的挑戰(zhàn)

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

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

工業(yè)發(fā)動機(jī)燃燒過程非常復(fù)雜，其特點主要有燃燒空間受限、流動速度高、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)、燃燒與流動的相互作用和極端條件。燃燒反應(yīng)動力學(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，其流動和燃燒的眾多參量交織耦合在一起，對溫度場、速度場、火焰面結(jié)構(gòu)、主要組分濃度進(jìn)行定量測量難度很大。

在處于高壓、高溫等嚴(yán)苛環(huán)境的現(xiàn)代燃燒系統(tǒng)中，基于激光的測量技術(shù)既能為燃燒基礎(chǔ)研究提供測量手段，同時也能在實際燃燒裝置中，為燃燒效率最大化、污染最小化提供經(jīng)驗性的解決策略。此外，激光診斷技術(shù)在解決實際燃燒問題如催化燃燒、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 基于激光的測量技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

3.1 組份濃度測量技術(shù)

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

濃度從10-2到10-12量級的微量組分的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)對于研究燃燒問題起著十分重要的作用，主要的問題涉及到污染物形成(NOx、SOx、碳煙、有毒有機(jī)化合物)、火焰點火和火焰抑制等，微量組分空間分布的測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)動力學(xué)研究相關(guān)的60種不同微量組分及其測量方法[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，它們在火焰中具有重要的作用，并且檢測方案比較成熟。

自發(fā)拉曼散射(Spontaneous Raman Scattering，SRS)技術(shù)是燃燒場主要組分濃度測量的重要方法；激光誘導(dǎo)熒光(Laser-Induced Fluorescence，LIF)技術(shù)是微量組分測量的有力手段，該測量技術(shù)簡單易行，并且有用于理論解釋的數(shù)據(jù)庫以及二維成像能力；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)，可以探測低濃度的化學(xué)反應(yīng)中間產(chǎn)物，也能探測不輻射熒光的分子，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)

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

(1)

圖1 測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信號強(qiáng)度與照射激光頻率的四次方成正比，由于SRS信號極弱(比瑞利散射信號小3個量級)，為提高信號強(qiáng)度，實驗測量一般采用短脈沖大功率紫外激光器。但是，燃料為煤油時，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)動機(jī)燃燒室實驗大多采用小分子燃料作為替代燃料開展研究工作。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方法測量了超燃沖壓發(fā)動機(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)，實驗采用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，測量了以天然氣為燃料的高壓燃?xì)廨啓C(jī)燃燒場，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，實驗數(shù)據(jù)用于校驗燃燒室內(nèi)湍流燃燒過程的大渦模擬(large eddy simulations,LES)。近年來，R.J.Locke等人[5]采用長脈沖大能量532 nm激光代替紫外波長激光，對燃料為JP-8航空煤油的燃燒室進(jìn)行測量，獲得了探測區(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，開展了煤油燃燒場主要組分測量,著重分析了煤油熒光的特征及其對拉曼信號的干擾，并獲得了貧油燃燒狀態(tài)下燃燒場主要組分的典型拉曼散射譜及其摩爾分?jǐn)?shù)隨時間的變化(如圖2所示)[6]。這些研究為SRS方法應(yīng)用于發(fā)動機(jī)燃燒室測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極微弱拉曼光譜信號進(jìn)行高效探測仍需深入研究。

圖2 煤油燃燒場主要組分拉曼散射譜(左)及主要組分摩爾分?jǐn)?shù)隨時間變化(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，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合束方法，利用多個相互串聯(lián)的環(huán)形光學(xué)腔構(gòu)成激光脈沖展寬器，通過調(diào)諧腔長，可把納秒級激光展寬至近百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，然后采集與入射激光有一定頻移的熒光信號。LIF技術(shù)具有非接觸、多組分測量、高選擇性、高測量靈敏度(達(dá)ppb量級)、高空間分辨率(達(dá)50 μm)，可二維測量等優(yōu)勢，還可實現(xiàn)時間分辨的單脈沖測量。

已有若干綜述性文章論述了LIF技術(shù)及測量，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實驗(超過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)雜模型并給出了實驗和設(shè)備的詳盡細(xì)節(jié)。

在LIF實驗中測量的激光單脈沖熒光信號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為探測器帶寬內(nèi)收集的熒光份額。剩下的幾項，Ω為探測器收集熒光的立體角，ε和η分別為探測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，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量結(jié)果，LIF技術(shù)還有許多復(fù)雜的問題需要考慮。其中主要涉及測量過程中碰撞和能級轉(zhuǎn)移。圖3為自由基OH的熒光過程能級示意圖。由于大多數(shù)激發(fā)態(tài)能級的壽命在數(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發(fā)生很多次的碰撞。而碰撞會導(dǎo)致激發(fā)態(tài)的粒子以無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的唯一因素，碰撞會頻繁地誘導(dǎo)能級轉(zhuǎn)移過程，激發(fā)態(tài)上不同振轉(zhuǎn)能級的粒子數(shù)也會因轉(zhuǎn)動能級轉(zhuǎn)移(Rotational Energy Transfer，RET)和振動能級轉(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的能級量子數(shù)、溫度、壓強(qiáng)以及碰撞對象(即火焰的化學(xué)成分)，需在LIF定量測量中通過標(biāo)準(zhǔn)火焰進(jìn)行標(biāo)定或通過測量火焰成分來計算淬滅修正值。對于湍流場，要求LIF技術(shù)為瞬時測量，而瞬時條件下的淬滅速率的標(biāo)定與計算極為困難。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轉(zhuǎn)移在LIF技術(shù)定量測量組分濃度和溫度時的作用。

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

有幾種方法可以實現(xiàn)無淬滅的LIF測量。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)，即激勵激光將粒子激發(fā)至一個預(yù)分離態(tài)，若能級的預(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)，即激勵激光的能量非常強(qiáng)，那么熒光信號的強(qiáng)度將與碰撞淬滅和激光強(qiáng)度無關(guān)。然而，這兩種方法受基態(tài)能級的能級轉(zhuǎn)移影響非常大，所以也不易實現(xiàn)定量測量。理論模擬和實驗表明，大部分分子在與LIPF所用的強(qiáng)激光光場作用過程中，其量子態(tài)會改變。此外，即使使用高功率激光，達(dá)到完全飽和也是不可能的，激光脈沖在時間和空間邊緣上的不飽和狀態(tài)使探測信號的定量分析很復(fù)雜。短脈沖光譜技術(shù)為實現(xiàn)無淬滅的LIF測量提供了一個很好的選擇。如果LIF技術(shù)的激勵激光脈沖時間比典型的分子間碰撞時間短，且使用適當(dāng)?shù)奶綔y系統(tǒng)，那么就可以降低淬滅效應(yīng)對LIF技術(shù)的影響。

圖4 超燃沖壓發(fā)動機(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)信號強(qiáng)，采用片狀激光可測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方法測量了以氫氣為燃料的超燃沖壓發(fā)動機(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CFD進(jìn)行校驗。Strakey等人[16]對1～8 bar壓力下的渦輪燃燒室內(nèi)OH和CH濃度分布進(jìn)行了測量研究，起因于較長壽命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量必須考慮無輻射淬滅的影響，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，通過恰當(dāng)?shù)臒晒饧罹€選擇將淬滅效應(yīng)的影響降到可接受的水平，此時才可以認(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、強(qiáng)湍流度等極端條件下，高時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)。

由于分子能級結(jié)構(gòu)的差異，PLIF探測火焰中不同種類小分子微量組分時，采用的激勵激光波長通常并不相同，激發(fā)的熒光信號一般借助合適的光譜濾光片也能夠進(jìn)行區(qū)分。因此，PLIF適合多組分的同時可視化測量。例如，瑞典隆德大學(xué)燃燒中心采用多組分PLIF同時可視化技術(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)簡單的光路布局使其容易與其它測量技術(shù)組合實現(xiàn)多參數(shù)的測量。例如，Slabaugh等人[19]聯(lián)合采用PIV和PLIF測量發(fā)動機(jī)模型燃燒室湍流燃燒速度場(圖5)和OH濃度分布(圖6)的演化過程，用于發(fā)展工業(yè)燃燒裝置的CFD 仿真軟件。

圖5 時間序列速度場測量結(jié)果[19] Fig.5 Sequence of instantaneous velocity field measurements[19]

圖6 時間序列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量。CRD技術(shù)只要求分子能吸收激光，因此也能探測不輻射熒光的分子。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吸收線上，少量的光進(jìn)入由兩個反射鏡構(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，d為腔內(nèi)吸收介質(zhì)的長度，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)來回傳播一次的損耗率為2[(1-R)+σρd]，所以吸收的測量便可轉(zhuǎn)化為對激光隨時間衰減的測量，即時間常數(shù)τ=L/{[(1-R)+σρd]}c?？梢钥闯?，CRD測量的是激光衰減過程，而不是絕對的激光能量I0，所以CRD技術(shù)對激光脈沖能量抖動不敏感。

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度，則這種直接吸收法能提供一種免標(biāo)定的絕對濃度測量方法。但是，若沿腔吸收路徑上的吸收分子不是均勻分布，則定量測量時就必須考慮實際的分布。用LIF技術(shù)可獲得吸收組分空間分辨的相對濃度分布情況，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)用于燃燒場中CH[20-24]、OH[25-26]、CN[22]、CH2[27]、CH3[28]、 CH2O[29]、HCO[30]等組分濃度的測量。

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：第一，PS 信號強(qiáng)度不受碰撞淬滅的影響或限制；第二，對那些不輻射熒光的組分具有探測能力(例如多數(shù)碳?xì)浠衔?第三，PS 信號是類激光信號，與探測光同向，收集效率高、易于探測。

PS一般需要兩束激光：一束較強(qiáng)，用作泵浦光；另一束較弱，用作探測光，這兩束激光具有特定的偏振狀態(tài)。一般情況下探測光為嚴(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區(qū)域且激光的頻率與介質(zhì)共振吸收頻率相同時，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，當(dāng)探測光通過這一區(qū)域后，其偏振狀態(tài)會發(fā)生改變。通過測量探測光偏振狀態(tài)的變化量可以獲得介質(zhì)的部分參量信息。通過定量分析可得到信號強(qiáng)度的表達(dá)式[31-32]：

(4)

式中：Isig表示信號強(qiáng)度，I0表示探測光的強(qiáng)度，L為相互作用區(qū)域的長度，χ為線型函數(shù)，Δα0表示介質(zhì)對探測光的兩個分量吸收系數(shù)之差的最大值，它與所探測介質(zhì)基態(tài)特定能級上的粒子數(shù)成正比。由公式(4)可知，在其它參數(shù)不變的條件下，PS信號強(qiáng)度與被測組分粒子數(shù)的平方成正比，因此，實驗中通過所測的PS信號強(qiáng)度即可獲得被測組分的粒子數(shù)。PS測溫一般采用雙線法，通過選擇基態(tài)兩個不同的轉(zhuǎn)動能級，分別測量各自能級對應(yīng)的信號強(qiáng)度，根據(jù)信號強(qiáng)度可計算出兩個轉(zhuǎn)動能級對應(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)隊用于OH[33-34]、NH[34]、C2[35]、CO和NH3[36]的測量。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，探測靈敏度估計優(yōu)于1018m-3[35]。

本課題組建立了二維PS 實驗診斷系統(tǒng)，測量了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)用到對固體燃劑燃燒場的診斷，獲得了燃燒場中OH 的二維分布，實驗結(jié)果對了解燃燒場構(gòu)造，研究燃燒機(jī)理等有一定的參考價值[37]。

PS在實驗上比其他非線性光學(xué)技術(shù)簡單，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放火焰。

3.2 溫度測量技術(shù)

溫度是燃燒研究中的關(guān)鍵參數(shù)之一，不僅決定了整個燃燒過程的效率，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、可靠的溫度測量有助于湍流燃燒過程的理解以及實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量技術(shù)，但至今仍沒有一種測溫技術(shù)能滿足所有的測量要求，所以需要根據(jù)具體的探測對象和測量需求選擇合適的測量技術(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的溫度測量。

3.2.1 相干反斯托克斯拉曼散射測溫技術(shù)

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

CARS技術(shù)[38]是依據(jù)探測介質(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)與探測介質(zhì)相互作用，由三階非線性效應(yīng)產(chǎn)生共振CARS信號。在滿足相位匹配條件時，CARS信號強(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)長度，ω3為CARS信號角頻率，x(3)為三階非線性極化率，c為光速。

CARS的信號強(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實驗光譜與理論光譜線型擬合的方法可實現(xiàn)溫度的反演，其測溫范圍在200～3 000 K。在燃料和空氣混合燃燒場中，氮氣含量豐富且氮氣的CARS理論譜計算已十分成熟，因此通常選取氮氣作為探測組分進(jìn)行溫度測量。當(dāng)然，一些無氮氣的火焰也可采用其它組分開展CARS測量，例如火箭發(fā)動機(jī)中H2/O2燃燒場，便可選擇H2作為探測對象。由于氫氣具有非常大的轉(zhuǎn)動和振轉(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譜對激光源的模式結(jié)構(gòu)更為敏感。

CARS測溫系統(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信號的時間分辨力在ns量級。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。CARS為單點測溫技術(shù)，通過探測點的掃描移動，借助圖像重建算法，也可以獲得二維平均溫度場信息[46-47]。CARS系統(tǒng)極其精密復(fù)雜，其光路布局參見文獻(xiàn)[48]，為滿足發(fā)動機(jī)試驗臺苛刻試驗條件，本課題組研發(fā)了可移動式高集成度CARS測溫系統(tǒng)，測量重復(fù)頻率10 Hz，單脈沖時間分辨力約10 ns，測量點空間分辨力約φ0.1 mm×3 mm，在CH4/air預(yù)混火焰中測溫不確定度約40 K。該系統(tǒng)具備以下優(yōu)點：模塊化設(shè)計、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量能力[46]。

研發(fā)的可移動式CARS測溫系統(tǒng)已成功應(yīng)用在航空渦輪/渦扇發(fā)動機(jī)和超燃沖壓發(fā)動機(jī)模型燃燒室內(nèi)部流場溫度的測量，圖8為發(fā)動機(jī)燃燒試驗CARS診斷現(xiàn)場布局照片。圖9為航空渦輪/渦扇發(fā)動機(jī)模型燃燒室內(nèi)部流場溫度測量結(jié)果[46]。圖9(a)為航空煤油燃燒過程測量的典型脈沖平均CARS實驗譜與理論譜擬合結(jié)果，其CARS實驗譜的信噪比與CH4/air預(yù)混火焰測量的脈沖平均CARS譜相當(dāng)。圖9(b)為采用空間掃描方式(相鄰探測點間隔5 mm，每一探測點測量時間19 s)測量的主燃孔中心前10 mm與噴嘴中心軸線垂直截面的溫度場分布，每個探測點的溫度值為19 s內(nèi)的平均溫度。圖10為2 Ma來流條件下以氫氣為燃料的超燃沖壓發(fā)動機(jī)模型燃燒室出口溫度測量結(jié)果[49]。圖10(a)為典型單脈沖CARS實驗譜與理論譜擬合結(jié)果，其CARS實驗譜的信噪比與CH4/air預(yù)混火焰測量的單脈沖CARS譜相當(dāng)。圖10(b )給出了燃燒過程溫度隨時間變化的結(jié)果，整個燃燒過程CARS測量的溫度平均值為1 705 K，CFD理論計算溫度值為1 723 K。CARS測溫結(jié)果不僅驗證了CFD模型的合理性，而且還反映了燃燒過程的不穩(wěn)定性。在ns CARS技術(shù)中，產(chǎn)生共振CARS信號的同時會產(chǎn)生非共振四波混頻信號，特別是在高壓強(qiáng)火焰測量中，非共振信號的存在會降低CARS技術(shù)的測量精度和靈敏性[50]，可采用偏振技術(shù)來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)動機(jī)模型燃燒室CARS測量現(xiàn)場布局照片 Fig.8 Schematic setup for the temperature measurement of model combustor based on CARS

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

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

在可移動式CARS測溫系統(tǒng)中，采用特殊的光學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)了可調(diào)諧二極管吸收光譜技術(shù)和CARS技術(shù)的共線測量[53]， 并利用建立的測量系統(tǒng)在超燃發(fā)動機(jī)模擬試驗臺不同位置處開展了溫度測量實驗,測量結(jié)果為發(fā)動機(jī)提供了更為全面的溫度信息，便于分析發(fā)動機(jī)的燃燒過程及流場結(jié)構(gòu)，為燃燒室設(shè)計以及計算流體動力學(xué)模型驗證提供參考。

3.2.2 瑞利散射測溫技術(shù)

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

(6)

式中，S為瑞利散射信號強(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是探測系統(tǒng)的采集立體角；V為探測體積；(?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，瑞利散射法測量溫度需要知道探測對象的組分種類及其濃度。特別是湍流燃燒場的組分及其濃度是瞬態(tài)變化的，這要求在RS信號測量過程中同步獲取組分信息。因此，RS測溫技術(shù)常與自發(fā)拉曼散射技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合測量，由測量的主要組分信息可計算混合氣體的有效微分散射截面，這對于溫度的精確測量是必要的。使用高脈沖能量的激光器和高探測靈敏度的像增強(qiáng)型CCD相機(jī)，RS技術(shù)有足夠的信號強(qiáng)度實現(xiàn)單脈沖二維溫度場測量，而且RS測量系統(tǒng)相對簡單的光學(xué)布局有利于與其它光學(xué)技術(shù)進(jìn)行組合測量。RS技術(shù)可在潔凈的、低輻射的、開放火焰中獲得良好的測溫結(jié)果。對于受限空間內(nèi)的火焰測量，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，由于碳煙帶來的米散射的強(qiáng)干擾，RS技術(shù)很難直接應(yīng)用。目前，RS測溫技術(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隨溫度升高而展寬。因此，在RS探測光路上插入在激光波長處存在強(qiáng)吸收極窄凹陷的分子吸收池，過濾顆粒物及壁面引起的散射光，溫度展寬的瑞利散射信號被探測器接收，從而可獲得高信噪比的瑞利散射信號，這種方法稱為過濾瑞利散射(Filtered Rayleigh Scattering，F(xiàn)RS)。FRS信號強(qiáng)度表達(dá)式為[55]：

(8)

式中，S為FRS信號強(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為待測溫度，Mk為第k種粒子的分子質(zhì)量，τ(ν)為分子過濾器的透過率曲線，Rk(ν,p,T,Mk)為瑞利散射光譜線型函數(shù)。

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

如果待測的湍流火焰壓強(qiáng)已知，將火焰中的FRS信號強(qiáng)度S與室溫空氣中的FRS參考信號強(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，由實際測量的S/Sref值與理論曲線進(jìn)行比對，就可獲得測量區(qū)域的火焰溫度信息。FRS測溫技術(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)域湍流燃燒場的溫度測量成為可能，而且很容易與SRS技術(shù)進(jìn)行組合實現(xiàn)溫度和主要組分濃度的同時測量。

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FRS測溫的影響。碳煙是燃燒排放的重要污染物， LII是目前燃燒場碳煙濃度定量時空分辨測量的首選方法[1]。他們的研究表明：在0.1 ppm量級碳煙含量的C2H4火焰中，F(xiàn)RS技術(shù)能夠有效抑制碳煙米散射對FRS圖像的干擾，可拍攝到高信噪比的FRS圖像并能夠計算滿足測量精度要求的溫度場數(shù)據(jù)。

3.2.3 雙線法PLIF測溫技術(shù)

二維瑞利散射技術(shù)在簡單燃料的潔凈火焰應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢，而雙線法PLIF測溫技術(shù)可應(yīng)用于雜散光干擾嚴(yán)重導(dǎo)致瑞利散射測量失敗的實際燃燒裝置中?；陔p線法的PLIF測溫技術(shù)[18]的基本原理是合理選擇兩束不同波長的激光，使其在間隔百納秒的極短時間內(nèi)順序通過燃燒火焰的同一位置，基于共振吸收將探測分子由基態(tài)中的量子態(tài)1和量子態(tài)2分別激勵到激發(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，使得熒光信號強(qiáng)度與激光功率密度成線性關(guān)系，測出相應(yīng)激發(fā)態(tài)的熒光信號強(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)動能級處于熱平衡狀態(tài)時服從玻爾茲曼分布，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線可供選擇，在燃燒場溫度測量中常以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波方向，從光譜上很容易與入射激光區(qū)分開，用合適的濾光片可有效減小碳煙和壁面散射光的干擾；采用特定波長窄線寬激光對OH進(jìn)行激勵，可避免其它燃燒產(chǎn)物引起的干擾?；贠H的雙線法PLIF技術(shù)已用在以氫氣為燃料的超燃沖壓發(fā)動機(jī)模型燃燒室二維溫度場的可視化測量[60]，以及煤油為燃料的航空發(fā)動機(jī)模型燃燒室內(nèi)貧油燃燒區(qū)溫度場測量(圖11)[61]。需要注意的是采用紫外激光激發(fā)OH熒光會同時激發(fā)煤油熒光，煤油熒光光譜范圍覆蓋了OH熒光光譜，難以從時間或光譜上加以區(qū)分，煤油富油燃燒區(qū)溫度場的定量測量會受到限制，如圖11中黑色網(wǎng)格區(qū)域所示。

圖11 雙線OH-PLIF用于發(fā)動機(jī)模型燃燒室溫度場測量典型結(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的能級結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，被激勵至激發(fā)態(tài)后會經(jīng)歷碰撞能級轉(zhuǎn)移、極化效應(yīng)、淬滅、自發(fā)輻射、熒光等復(fù)雜的物理過程，因此采用一個已知溫度火焰來標(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雙線法測溫需要考慮譜線的結(jié)構(gòu)而不是單一的譜線。在實際應(yīng)用中，常采用數(shù)值模擬方法計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的探測對象。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將在整個火焰區(qū)域中存在。但是，NO熒光的主要缺點是其激勵波長位于226 nm附近，激光在穿過火焰區(qū)過程中吸收很嚴(yán)重且很容易激發(fā)其它組分產(chǎn)生熒光干擾。Vyrodov等人[62]開展了高壓強(qiáng)環(huán)境下層流CH4/air火焰NO-LIF測溫研究。在27 bar壓強(qiáng)下，通過最小二乘法擬合NO熒光譜方式反演的溫度結(jié)果與CARS測溫結(jié)果偏差在3%以內(nèi)；但在貧油火焰中，O2熒光會嚴(yán)重干擾NO的熒光譜。為了克服226 nm激光易被吸收的缺點，可采用NO在248 nm附近的A-X帶(0,2)熒光線進(jìn)行測量[63-64]，但該熒光線僅適用于高溫環(huán)境下測量。

為了避免碰撞淬滅和煤油熒光的干擾，可選擇銦(In)原子作為探測對象。In原子采用410和451 nm激光進(jìn)行激發(fā)并產(chǎn)生熒光，由于兩個熒光過程中的能級躍遷共享同一上能級，能夠抑制甚至消除由壓強(qiáng)變化引起的熒光淬滅對溫度測量的影響，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)溫度場測量。由于采用可見光激光進(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)的測量。In原子在流場中的撒播方式通常是將InCl3溶液添加至發(fā)動機(jī)燃料中，InCl3隨燃料的流動分布在整個流場中，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)實現(xiàn)了1.4 MPa高壓SI發(fā)動機(jī)內(nèi)溫度場的測量，實驗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)動角度的平均溫度場圖像，測溫精度約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溫誤差約60 K。

3.3 速度測量技術(shù)

湍流燃燒涉及復(fù)雜的湍流流動，流場速度的測量可以確定湍流強(qiáng)度、剪應(yīng)力和湍流動能，還可導(dǎo)出湍流長度和漩渦尺寸，速度場的測量可揭示環(huán)流與逆流區(qū)以及加速和減速區(qū)?；诩す獾乃俣葴y量技術(shù)主要包括利用多普勒頻移測速原理的激光多普勒測速計(Laser Doppler Velocimetry，LDV)和平面多普勒測速儀(Planar Doppler Velocimetry，PDV)，利用粒子位移測速原理的粒子成像測速儀(Particle Imaging Velocimetry，PIV)和分子標(biāo)記測速技術(shù)(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)。前3種技術(shù)的工作原理、實驗裝置、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)在低溫流場或較低馬赫數(shù)高溫流場中已獲得很好的應(yīng)用。但由于粒子跟隨性問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的速度測量。

MTV技術(shù)是以分子作為標(biāo)記示蹤的流場速度測量技術(shù)，它與PIV技術(shù)的測量原理類似，都是根據(jù)示蹤物在已知時間間隔內(nèi)跟隨流場的移動距離計算流場的速度分布。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)在超高速流動尤其是含有強(qiáng)激波的流場中的示蹤粒子跟隨性問題。能夠用于流場顯示的示蹤分子需滿足幾個條件：(1)在空間上具有可區(qū)分性；(2)壽命足夠長，通常要求在ms量級以上；(3)標(biāo)記分子可輻射光或通過PLIF的方式被單獨顯示。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速度的測量。振動激發(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532和580 nm)將O2通過拉曼激發(fā)的方式激勵到振動激發(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]對系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，但仍局限用于良好的實驗室環(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)，通過多光子激發(fā)方式，與流場中的N2作用產(chǎn)生原子態(tài)N，N在復(fù)合的過程中產(chǎn)生長壽命寬帶的可見光輻射，但飛秒激光器對運行環(huán)境要求較為苛刻。

這里主要介紹適用于高溫高速流場速度測量的羥基分子標(biāo)記測速(Hydroxyl Tagging Velocimetry,HTV)技術(shù)[70]。作為流場標(biāo)記的羥基(OH)是用激光解離流場中的水分子產(chǎn)生的，它不需要從外部往流場中撒播粒子。HTV測速技術(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，基于時間-位移相關(guān)算法計算流場速度。1988年，Shirley等人[74]使用輸出波長為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，而且更多的水分子處于振動的激發(fā)態(tài)，使得對193 nm光子的吸收截面大大增加(1 500 K溫度下，水對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速度的測量。Pitz等[76]利用多線交叉網(wǎng)格HTV方法對超燃發(fā)動機(jī)燃燒室凹腔內(nèi)2 Ma預(yù)熱來流的速度分布進(jìn)行了測量研究，給出了凹槽內(nèi)速度的分布。Alexander等人[77]利用HTV方法對SR30縮比型渦輪發(fā)動機(jī)和全尺寸J85渦輪發(fā)動機(jī)的尾流進(jìn)行了速度測量，得到了較好的速度圖像。Perkins等人[78]利用該技術(shù)測量了置于激波管內(nèi)頭部為弓形和錐形的試件表面的流動速度分布，流場氣體為含水的氦氣。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)動機(jī)燃燒室內(nèi)部流場速度分布和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)記線圖像和計算的速度分布數(shù)據(jù)，其中(a)、(b)、(c)分別對應(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)的同時高時空分辨測量更利于理解湍流與燃燒的相互作用過程。例如，Barlow等人[79]聯(lián)合1D-SRS、FRS和PLIF方法對溫度場、主要組分濃度、火焰面結(jié)構(gòu)標(biāo)示物(OH/CO)濃度場進(jìn)行同時可視化測量，獲得了湍流燃燒溫度場和OH/CO濃度場的精細(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力學(xué)過程。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火焰面結(jié)構(gòu)及火焰動力學(xué)的作用機(jī)理。Sjoholma等人[83]采用多色PLIF方法實現(xiàn)了甲烷湍流火焰中四組分(OH/CH/CH2O/ toluene)的同時成像，并將其用來研究預(yù)混射流湍流火焰的結(jié)構(gòu)特性。

隨著計算機(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。因此除了定量逐點測量之外，為了達(dá)到驗證的目的還需要空間和時間相關(guān)的信息，例如不同空間方向上的溫度和組分濃度等標(biāo)量的梯度及其時間相關(guān)性等[85]。美國桑迪亞國家實驗室、德國宇航中心、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、一維、二維測量，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，測量的時間分辨力達(dá)到了納秒量級、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)理研究和模型驗證的實驗數(shù)據(jù)[86-87]。近十年來，隨著高重頻大能量Nd∶YAG激光器和高重頻微弱信號成像器件的發(fā)展，基于RS、SRS、PLIF技術(shù)的10 kHz以上時域成像技術(shù)在湍流燃燒診斷中已顯現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。例如，Sutton等人[88]采用10 kHz以上的高重頻(OH/CH2O)PLIF、1D-SRS 和RS方法組合對清潔湍流火焰組分濃度及溫度場精細(xì)結(jié)構(gòu)的快速演變進(jìn)行了可視化測量，研究燃燒釋熱對湍流強(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)的時間相關(guān)標(biāo)量，且能夠進(jìn)行湍流脈動測量，這對闡明湍流與燃燒的相互作用過程以及LES模型的時域驗證十分重要。工業(yè)應(yīng)用中，高重頻時域成像技術(shù)在發(fā)動機(jī)點火和熄火研究、火焰穩(wěn)定動力學(xué)研究，以及燃燒裝置設(shè)計缺陷的監(jiān)測等方面都能夠發(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)是燃燒場主要組分濃度測量的重要方法，激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)是微量組分測量的有力手段，腔衰蕩光譜技術(shù)可探測低濃度的化學(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放式火焰中間產(chǎn)物濃度的測量。

相干反斯托克斯拉曼散射技術(shù)具有信號方向性好、不易受強(qiáng)光背景干擾、測溫精度高等優(yōu)點，一次測量通常僅能獲得單點溫度，通過截面內(nèi)網(wǎng)格點掃描探測方式可獲得二維空間分布平均溫度場信息；基于雙線法的PLIF技術(shù)可用于瞬時二維溫度場的可視化測量，但其測溫精度通常也會相應(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)行組合實現(xiàn)溫度和組分濃度的同時測量，但不適合大分子碳?xì)淙剂匣鹧鏈囟鹊臏y量。

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

激光燃燒診斷技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用已是現(xiàn)代燃燒科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的不可或缺的動力。隨著高重頻大能量激光器和高重頻微弱信號成像器件的發(fā)展，多參數(shù)、高時空分辨的同時診斷將在湍流與燃燒相互作用機(jī)理研究、CFD仿真驗證、發(fā)動機(jī)燃燒室設(shè)計中發(fā)揮越來越重要的作用。隨著高性能高參數(shù)發(fā)動機(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的相互作用更為復(fù)雜，光譜信號的高信噪比探測以及湍流燃燒參數(shù)的反演變得更加困難，激光燃燒診斷技術(shù)仍面臨諸多問題與挑戰(zhàn)。