田子陽 趙會杰 尉昊赟 李巖

(清華大學(xué)精密儀器系,精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

溫度測量對燃燒過程中的污染控制與節(jié)能減排具有重要意義,而實(shí)際應(yīng)用中復(fù)雜的動態(tài)高溫燃燒場對溫度測量技術(shù)的測量精度與響應(yīng)速度提出了嚴(yán)格的要求.相干反斯托克斯拉曼散射技術(shù)作為一種較為先進(jìn)的光譜測溫技術(shù),具有較高的空間分辨率,可以在高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度測量,具有應(yīng)用于復(fù)雜燃燒場的潛力.針對復(fù)雜的動態(tài)高溫燃燒場的測溫需求,本文提出了一種基于二次諧波帶寬壓縮方法的混合飛秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射測溫方法,實(shí)現(xiàn)了對動態(tài)高溫燃燒場溫度的準(zhǔn)確測量與動態(tài)響應(yīng).實(shí)驗(yàn)中利用標(biāo)準(zhǔn)燃燒器模擬了1700—2200 K 溫度范圍內(nèi)的動態(tài)高溫燃燒場,利用該測溫方法,以千赫茲的光譜采集速率,對模擬的動態(tài)火焰的溫度進(jìn)行了連續(xù)70 s 測量.測量結(jié)果顯示,該方法在高溫下溫度測量的相對誤差小于1.2 %,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.8 %,同時(shí)能動態(tài)追蹤0.2 s 內(nèi)的溫度變化過程,驗(yàn)證了該方法測溫的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及響應(yīng)速度,為復(fù)雜的動態(tài)高溫燃燒場的溫度測量提供了一種新的測量方案.

1 引言

溫度作為燃燒診斷過程中的重要參數(shù),會直接影響燃燒效率與燃燒產(chǎn)物的生成.準(zhǔn)確檢測燃燒溫度進(jìn)而調(diào)控燃燒狀態(tài),不僅有助于避免如CO,NOx等有害廢氣的產(chǎn)生,同時(shí)可以提高燃燒效率,節(jié)約能源[1,2].然而實(shí)際應(yīng)用中的燃燒場多是動態(tài)高溫狀態(tài),這種復(fù)雜燃燒場對溫度測量方法的時(shí)間分辨率、空間分辨率、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度以及響應(yīng)速度均提出了挑戰(zhàn),因此以熱電偶為代表的傳統(tǒng)的侵入式測溫方法難以滿足實(shí)際復(fù)雜燃燒場的測溫需求[3].

相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)技術(shù)最早由Moya等[4]在1975 年應(yīng)用于氣體溫度測量,是一種較為先進(jìn)的光譜測溫技術(shù),具有非侵入式、空間分辨率高、信號便于收集等優(yōu)點(diǎn),該方法在高溫下測溫的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了充分的驗(yàn)證[5-7].然而傳統(tǒng)的納秒CARS 測溫技術(shù)受限于激光器性能,重復(fù)頻率僅有10 Hz 左右[8],不適用于快速動態(tài)的溫度測量,同時(shí)納秒CARS 測溫技術(shù)會受到非共振背景的干擾,CARS 信號與非共振背景信號混疊在一起,導(dǎo)致溫度擬合變得更加困難.而在納秒CARS 基礎(chǔ)上發(fā)展的皮秒CARS 測溫技術(shù)雖然通過延遲探測脈沖避免了非共振背景干擾[9,10],但是皮秒CARS技術(shù)信號的有效激發(fā)需要較高的單脈沖能量,一般為上百毫焦,而通常高能量的皮秒激光器的重復(fù)頻率被限制在10—50 Hz 范圍內(nèi),因此皮秒CARS測溫技術(shù)的重復(fù)頻率也僅有10—50 Hz,動態(tài)測量能力十分有限[11,12].同時(shí)皮秒CARS 測溫?zé)o法忽略分子碰撞帶來的影響[12,13],建模過程十分復(fù)雜.這些因素都限制了納秒以及皮秒CARS 測溫技術(shù)在高溫、湍流等實(shí)際環(huán)境下的測量精度與響應(yīng)速度.因此,隨著近年來飛秒激光技術(shù)的進(jìn)步與成熟,飛秒激光器所具有的高重頻、高峰值功率以及寬線寬等特點(diǎn),推動飛秒CARS 技術(shù)逐漸成為主流的CARS 測溫技術(shù).

飛秒CARS 測溫技術(shù)根據(jù)原理的不同可大致分為3 種,即時(shí)間分辨飛秒CARS,啁啾探測脈沖(chirped probe pulse,CPP)飛秒CARS 以及混合飛秒/皮秒CARS.時(shí)間分辨飛秒CARS 測溫技術(shù)需要利用機(jī)械位移臺進(jìn)行延時(shí)掃描探測[14-16],單次溫度的測量時(shí)間取決于位移臺的掃描速度,適用于穩(wěn)定溫度的測量,無法滿足實(shí)際環(huán)境下動態(tài)測量的需要;而CPP 飛秒CARS 測溫技術(shù)需要在光路中加入玻璃棒[17,18],脈沖的功率受限于玻璃棒的損傷閾值,從而限制了產(chǎn)生的CARS 信號的強(qiáng)度,導(dǎo)致高溫情況下信號容易被淹沒在噪聲中,同時(shí)CPP 飛秒CARS 的模型較為復(fù)雜,參數(shù)計(jì)算可能需要數(shù)天時(shí)間[19],因此CPP 飛秒CARS 測溫技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中局限較大;混合飛秒/皮秒CARS 技術(shù)則是利用飛秒激光作為激發(fā)光,皮秒激光作為探測光,從而可以在單脈沖內(nèi)分辨分子精細(xì)的振動與轉(zhuǎn)動躍遷結(jié)構(gòu)[20-23],是目前較為前沿的CARS 測溫技術(shù),更有潛力應(yīng)用于高溫、變化的復(fù)雜燃燒場的溫度測量中,然而目前該技術(shù)在高溫動態(tài)燃燒場中的應(yīng)用與研究相對較少[24].

本文報(bào)道了一種采用二次諧波帶寬壓縮方法[25,26]的混合飛秒/皮秒CARS 測溫方法,利用飛秒脈沖在BBO 晶體中的和頻過程所獲得的窄帶高能皮秒脈沖作為探測脈沖,在高溫火焰中實(shí)現(xiàn)了千赫茲、單脈沖的溫度測量.針對實(shí)際應(yīng)用中高溫動態(tài)的復(fù)雜燃燒場,本文利用標(biāo)準(zhǔn)燃燒器通過快速改變甲烷/空氣的流速配比,模擬了1700—2200 K溫度范圍內(nèi)的動態(tài)高溫火焰.在實(shí)驗(yàn)中,利用該測溫方法,以千赫茲的光譜采集速率,在模擬的動態(tài)高溫火焰中進(jìn)行了連續(xù)70 s 測量,驗(yàn)證了該方法在高溫動態(tài)環(huán)境下測溫的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與響應(yīng)速度.

2 基本原理與理論模型

2.1 CARS 基本原理

CARS 屬于三階非線性效應(yīng)中的四波混頻效應(yīng),其能級躍遷過程見圖1,當(dāng)泵浦光(ω1)與斯托克斯光(ω2)的頻率差(ω1—ω2)等于介質(zhì)分子的拉曼共振頻率ωR時(shí),介質(zhì)分子本征的振動或轉(zhuǎn)動得到共振增強(qiáng),此時(shí)探測光(ω3)入射,產(chǎn)生向高頻方向偏移的CARS 信號(ω4).CARS 的過程滿足動量守恒與能量守恒,即k4=k1—k2+k3,ω4=ω1—ω2+ω3,其中k1,k2,k3k4與ω1,ω2,ω3,ω4分別為泵浦光、斯托克斯光、探測光以及CARS 信號所對應(yīng)的波矢與中心頻率.

圖1 能級躍遷示意圖Fig.1.Diagram of energy level transitions.

動量守恒條件的存在對CARS 過程的空間相位匹配提出了嚴(yán)格的要求,目前常見的CARS 信號的空間相位匹配方式如圖2(a)—(c)所示.圖2(a)為共線式相位匹配,多用于生化樣品分析或均勻氣體中,其空間分辨率較低,不適用于燃燒場溫度測量.圖2(b)為Eckbreth[27]提出的BOXCARS 的相位匹配方式,3 束入射光與CARS 信號以不同的角度在空間上分離,從而獲得了較高的空間分辨率.在BOXCARS 的基礎(chǔ)上,研究者進(jìn)一步提出了折疊式BOXCARS 的相位匹配方式[28],如圖2(c)所示,通過將入射光與CARS 信號的波矢分布在垂直于傳播方向的兩個平面內(nèi),進(jìn)一步提高了CARS過程的空間分辨率,是目前CARS 測溫領(lǐng)域中最常用的相位匹配方式,本文使用的相位匹配方式便是折疊式BOXCARS.

圖2 (a)共線式相位匹配圖;(b) BOXCARS 相位匹配圖;(c) 折疊式BOXCARS 相位匹配圖Fig.2.(a) Diagram of collinear phase matching;(b) diagram of BOXCARS phase matching;(c) diagram of folded BOXCARS phase matching.

2.2 CARS 理論模型

CARS 信號的強(qiáng)度正比于三階非線性極化率模的平方,而三階非線性極化率由共振和非共振兩部分組成[29],故CARS 信號的強(qiáng)度可表示為

在混合飛秒/皮秒CARS 方法中,可以通過調(diào)節(jié)探測光相對于泵浦光和斯托克斯光的時(shí)間延遲抑制非共振背景,因此非共振部分在理論計(jì)算時(shí)可以忽略.而共振極化率的時(shí)域表達(dá)式為

式中Pres為共振極化率;E1,E2,E3分別為泵浦光、斯托克斯光以及探測光的時(shí)域電場包絡(luò);t為時(shí)間;t2為相干作用時(shí)間;τ12和τ23分別是泵浦光相對于斯托克斯光以及探測光相對于激發(fā)光的時(shí)間延遲;ω1和ω2為泵浦光和斯托克斯光的頻率;R(t)是分子響應(yīng)函數(shù).CARS 理論建模最主要的過程就是對于分子響應(yīng)函數(shù)的計(jì)算,分子響應(yīng)函數(shù)R(t)可表示為[29]

其中n,m代表分子躍遷的低能級和高能級,是拉曼散射截面,Δρnm是躍遷能級之間的粒子數(shù)分布之差,ωnm是躍遷能級之間的頻率差,Γnm是拉曼線寬.拉曼散射截面[30,31]、粒子數(shù)差[30,32]、頻率差[29,30,33]以及拉曼線寬[34,35]的計(jì)算模型都已經(jīng)較為成熟,且參考文獻(xiàn)較多,代入理論溫度與壓強(qiáng)就可以完成計(jì)算.

將計(jì)算得到的頻率差、粒子數(shù)差、拉曼散射截面以及拉曼線寬代回分子響應(yīng)函數(shù)的公式(3)中,可以得到分子響應(yīng)函數(shù)在時(shí)域的曲線,而進(jìn)一步在(2)式中,將分子響應(yīng)函數(shù)與泵浦光和斯托克斯光電場包絡(luò)的乘積做卷積計(jì)算,之后再乘上探測光電場包絡(luò),可以得到分子的共振非線性極化率,而時(shí)域CARS 信號強(qiáng)度等于非線性極化率幅值的平方,最后將時(shí)域CARS 信號強(qiáng)度做傅里葉變換即可得到理論計(jì)算的CARS 光譜.

本文選擇氮?dú)?N2)分子作為CARS 探測的目標(biāo)分子,這是由于一方面N2分子在大部分燃燒環(huán)境中大量存在,另一方面氮?dú)夥肿拥睦碚撃Ｐ洼^為完善,便于理論建模與溫度擬合.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 CARS 光路系統(tǒng)

混合飛秒/皮秒CARS 測溫系統(tǒng)如圖3 所示,飛秒激光器(Astrella,Coherent)作為整個系統(tǒng)的光源,產(chǎn)生中心波長在795 nm,重復(fù)頻率為1 kHz,脈寬約為35 fs 的近似變換極限的高斯脈沖,脈沖能量約為6 mJ.入射光經(jīng)過分光鏡BS1 后,約50%的光發(fā)生反射,泵浦OPA (OPerA Solo,Coherent)裝置,產(chǎn)生中心波長在670 nm 的飛秒激光,作為CARS 過程的泵浦光.經(jīng)過第1 個分光鏡BS1 后的透射部分,經(jīng)過分光鏡BS2 后再次被分為兩路,其中透射光部分作為CARS 過程的斯托克斯光,電動位移臺1 用于調(diào)節(jié)泵浦光和斯托克斯光在時(shí)域上的重合,保證激發(fā)效率最大.

圖3 混合飛秒皮秒CARS 光路系統(tǒng)圖.BS1-BS3,分光鏡;M1-M15,反射鏡;G1-G3,光柵;CL1 和CL2,柱面透鏡;RM1和RM3,凸面反射鏡;RM2 和RM4,凹面反射鏡;E1 和E2,直邊;L1-L3,透鏡;OPA,光學(xué)參量放大器;EMCCD,電子倍增電荷耦合器件Fig.3.Diagram of hybrid femtosecond/picosecond CARS optical system.BS1-BS3,beam splitter;M1-M15,mirror;G1-G3,grating;CL1 and CL2,cylindrical lens;RM1 and RM3,concave rear mirror;RM2 and RM4,convex rear mirror;E1 and E2,edge;L1-L3,lens;OPA,optical parametric amplifier;EMCCD,electron multiplying charge coupled device.

經(jīng)過分光鏡BS2 后的反射光部分經(jīng)過1 個4f系統(tǒng),在柱面透鏡CL2 后被分光鏡BS3 分為兩路,兩路光分別經(jīng)過放置于柱面透鏡CL2 焦點(diǎn)前d距離和焦點(diǎn)后d距離位置的光柵G2 和G3,從而在兩路光中分別引入相等的正負(fù)線性啁啾.圖3 中藍(lán)色圓點(diǎn)為柱面透鏡CL2 的焦點(diǎn)位置,實(shí)驗(yàn)中d為45 mm,柱面透鏡CL1 和CL2 的焦距均為200 mm.兩路具有相等正負(fù)線性啁啾的光分別經(jīng)過由1 個凹面反射鏡和1 個凸面反射鏡組成的縮束系統(tǒng)后,以約3°的夾角入射BBO 晶體中,產(chǎn)生中心波長在約401.8 nm,譜寬約為0.128 nm 的窄帶和頻信號,作為CARS 過程的探測光,探測光的脈沖能量約為120 μJ,時(shí)域半高全寬約為4 ps.電動位移臺3用于調(diào)節(jié)探測光相對于激發(fā)光的時(shí)間延遲.

三束光經(jīng)過透鏡L1 后,按照2.1 節(jié)中的折疊式BOXCARS 方式進(jìn)行相位匹配,激發(fā)焦點(diǎn)處的N2分子,從而產(chǎn)生波長約在367 nm 附近的CARS信號,在激發(fā)區(qū)域處泵浦光、斯托克斯光以及探測光的脈沖能量分別約為90,60 和120 μJ.利用光闌在空間上將信號光分離,信號光經(jīng)過透鏡L3 聚焦在光譜儀(Andor,Shamrock)的狹縫上,從而被EMCCD (Newton,Andor)接收.實(shí)驗(yàn)中光譜儀狹縫寬度設(shè)為30 μm,利用CCD 的成像模式測量出聚焦點(diǎn)的空間尺寸約為64 μm,驗(yàn)證了BOXCARS相位匹配方式高空間分辨率的特點(diǎn).

3.2 標(biāo)準(zhǔn)燃燒系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)所用的燃燒器為目前燃燒實(shí)驗(yàn)普遍使用的McKenna (Holthuis &Associates)燃燒器,其實(shí)物圖與燃燒火焰圖如圖4(a)和圖4(b)所示.燃燒系統(tǒng)使用甲烷和空氣作為燃料,氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣,示意圖如圖4(c)所示.McKenna 燃燒器作為標(biāo)準(zhǔn)燃燒器,在不同流速下的火焰溫度都有公認(rèn)的測量數(shù)據(jù)作為參考,本文使用德國宇航局的測量數(shù)據(jù)[36]作為不同流速下的參考溫度,測量區(qū)域選擇在燃燒器中心上方15 mm 附近,如圖4(b)所示.

圖4 (a) 燃燒器實(shí)物圖;(b) 平面火焰圖;(c) 燃燒系統(tǒng)圖Fig.4.(a) Image of burner;(b) image of flat flame;(c) diagram of combustion system.

為模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的高溫動態(tài)燃燒場,實(shí)驗(yàn)中選擇了4 個不同溫度的甲烷/空氣流速配比,通過在某一時(shí)間快速改變甲烷和空氣流量計(jì)的流速,實(shí)現(xiàn)火焰溫度的快速改變.4 個不同的流速配比及其對應(yīng)的參考溫度如表1 所列.

表1 4 種流速配比及其對應(yīng)參考溫度[36]Table 1.Four flow velocity ratios and their corresponding reference temperatures.

4 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中,探測光時(shí)間延遲約取為32 ps,光譜儀采集速率為1 kHz,連續(xù)采集時(shí)間為70 s,共采集光譜70000 幅.在70 s 的采集時(shí)間內(nèi),按照表1的流量順序共進(jìn)行了4 次流量切換,模擬了1700—2200 K 范圍內(nèi)的高溫動態(tài)火焰.為避免長時(shí)間采集下光譜坐標(biāo)軸抖動帶來誤差,對所采集到的光譜的峰進(jìn)行了校準(zhǔn).

4.1 光譜擬合

通過將實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)代入2.2 節(jié)中的理論模型,可獲得符合實(shí)驗(yàn)條件的、不同溫度下的理論光譜庫,理論光譜庫的溫度范圍為300—2500 K,溫度間隔為1 K.利用最小二乘法計(jì)算采集到的單幅光譜與理論光譜庫中不同溫度下的理論光譜的誤差,從而得到每個單幅光譜在不同溫度下的擬合誤差曲線,理論擬合溫度為單幅光譜擬合誤差曲線最小值所對應(yīng)的溫度.下面選擇一幅光譜為例具體說明.

該幅光譜原始光譜如圖5(a)所示,原始光譜信噪比約為2373.5,高于此前報(bào)道的高溫下的單幅信噪比[33],側(cè)面說明了本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單脈沖穩(wěn)定測量的能力,這里信噪比是指光譜峰的最大值除以背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差.對原始光譜進(jìn)行處理,減去背景噪聲,將波長轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的拉曼頻移,就可以得到如圖5(b)所示的歸一化光譜.按照上文所述,利用最小二乘法,計(jì)算2201 幅理論光譜與處理后的歸一化光譜的擬合誤差,誤差曲線如圖5(c)所示,誤差最小值約為0.05832,對應(yīng)溫度為1705 K,則該幅光譜的擬合溫度便為1705 K.實(shí)際光譜與誤差最小溫度下的理論光譜的對比如圖5(d)所示,可以看出,實(shí)際光譜與理論光譜拉曼峰的位置與強(qiáng)度基本一一對應(yīng).

圖5 (a) 原始光譜;(b) 處理后的歸一化光譜;(c) 擬合誤差曲線;(d) 擬合光譜與實(shí)際光譜的對比Fig.5.(a) Original spectrum;(b) normalized spectrum after processing;(c) curve of fitting error;(d) comparison of fitting spectrum with actual spectrum.

4.2 動態(tài)結(jié)果分析

按照4.1 節(jié)的步驟,對70000 幅光譜進(jìn)行了分析,得到70 s 內(nèi)連續(xù)測量結(jié)果如圖6 所示.

圖6 中各段的紅色線條為該段流速配比所對應(yīng)的參考溫度,可以明顯地看出,在約8.5,28.6,48.8 和62.2 s 時(shí)間位置處,由于改變甲烷和空氣的流速配比,火焰溫度發(fā)生了變化.圖6(a)和圖6(b)分別為28.6—29 s 以及65.2—65.6 s 時(shí)間段溫度變化趨勢的局部放大圖,可以看出,改變流量后溫度變化過程發(fā)生在0.2 s 內(nèi).千赫茲采集到的單幅光譜的擬合溫度準(zhǔn)確描述了火焰溫度遞增與遞減的改變過程,與溫度本身過程量的特征相符合,驗(yàn)證了本系統(tǒng)對于動態(tài)變化的高溫火焰的響應(yīng)能力.

圖6 中前4 個流速配比下單幅光譜的測量溫度的分布直方圖如圖7 所示,圖7 中紅色直線表示該流速配比的參考溫度,左上角為該流速配比下的參考溫度與平均溫度的具體數(shù)值.

圖6 70 s 動態(tài)溫度測量結(jié)果 (a) 28.6—29 s 局部放大圖;(b) 65.2—65.6 s 局部放大圖Fig.6.Results of dynamic temperature measurement within 70 s:(a) Local enlarged between 28.6 s and 29 s;(b) local enlarged between 65.2 s and 65.6 s.

圖7 中Ttag為該流速配比下的參考溫度,Tmean為平均溫度,可以看出,4 個流速配比下的單幅光譜的測量結(jié)果與平均溫度均分布在參考溫度附近,說明高溫下的測量結(jié)果較為準(zhǔn)確穩(wěn)定,溫度的抖動是由于高溫下的熱噪聲以及火焰中折射率不均勻?qū)е孪辔黄ヅ涞穆晕⒆兓a(chǎn)生的.

圖7 不同流速配比下測量溫度的柱狀分布圖 (a) 0—8 s 段;(b) 9—28.5 s 段;(c) 28.9—48.8 s 段;(d) 49—65.3 s 段Fig.7.Histograms of temperature measurements in different flow velocity ratios:(a) From 0 s to 8 s;(b) from 9 s to 28.5 s;(c) from 28.9 s to 48.8 s;(d) from 49 s to 65.3 s.

為進(jìn)一步定量評價(jià)各段的測量精度,計(jì)算了4 個流速配比下溫度測量的相對誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,相對誤差是利用該流速配比平均溫度和參考溫度的差的絕對值除以參考溫度計(jì)算得到的,而相對標(biāo)準(zhǔn)偏差是利用單幅光譜擬合溫度的標(biāo)準(zhǔn)差除以平均溫度計(jì)算得到的,結(jié)果如表2 所列.

表2 4 個流速配比下測溫的誤差分析Table 2.Error analysis of temperature measurement in four different flow velocity ratios.

4 個流速配比下測溫結(jié)果的相對誤差均小于1.2 %,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于1.8%,說明單脈沖溫度測量結(jié)果較為真實(shí)可靠,驗(yàn)證了本系統(tǒng)在高溫火焰中千赫茲、單脈沖溫度測量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性.

4.3 不同溫度下光譜對比

為進(jìn)一步說明混合飛秒/皮秒CARS 測溫的原理,從4 個流速配比下各選擇1 個單幅光譜,對比其與最佳擬合的理論光譜,結(jié)果如圖8所示,其中第1 段所選擇光譜與4.1 節(jié)中選擇光譜一致.

圖8 單幅光譜擬合結(jié)果 (a) 0—8 s 段;(b) 9—28.5 s 段;(c) 28.9—48.8 s 段;(d) 49—65.3 s 段Fig.8.Fitting results of single shot:(a) From 0 s to 8 s;(b) from 9 s to 28.5 s;(c) from 28.9 s to 48.8 s;(d) from 49 s to 65.3 s.

從圖6 可以看到,隨著溫度的變化,CARS 信號的拉曼峰的相對強(qiáng)度也發(fā)生了變化,這是由于:根據(jù)玻爾茲曼分布規(guī)律可以知道,溫度直接影響N2分子的粒子數(shù)分布,而不同能級上粒子數(shù)分布的多少會直接影響該能級所對應(yīng)的拉曼峰的強(qiáng)度,如圖8(d)和圖8(a)對比,溫度升高后,低能級粒子數(shù)減少,高能級粒子數(shù)增加,所以可以看到右側(cè)拉曼峰的強(qiáng)度降低,而左側(cè)拉曼峰的強(qiáng)度升高,通過拉曼峰的相對變化,就可以準(zhǔn)確分辨出溫度的變化.同時(shí)不同溫度對應(yīng)的N2分子的粒子數(shù)分布是各不相同的,因此不同溫度對應(yīng)的N2分子的拉曼光譜具有唯一性.

實(shí)驗(yàn)中為了驗(yàn)證各階段測溫?cái)?shù)據(jù)的真實(shí)可靠,選擇利用標(biāo)準(zhǔn)燃燒器模擬動態(tài)高溫火焰,所以受限于標(biāo)準(zhǔn)燃燒器的溫度參考數(shù)據(jù),4 個流速配比下的最小溫度變化幅度為93 K,而最終測量結(jié)果能夠準(zhǔn)確追蹤0.2 s 內(nèi)的溫度變化過程,同時(shí)各階段的測溫結(jié)果較為準(zhǔn)確穩(wěn)定,因此該方法具有推廣到實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行動態(tài)高溫火焰溫度測量的潛力.

5 結(jié)論

本文利用基于二次諧波帶寬壓縮方法的混合飛秒/皮秒CARS 測溫系統(tǒng)在高溫動態(tài)火焰中實(shí)現(xiàn)了溫度的準(zhǔn)確測量與動態(tài)響應(yīng).實(shí)驗(yàn)中采用中心波長為800 nm 的飛秒激光器作為系統(tǒng)光源,通過將兩束具有相等正負(fù)線性啁啾的飛秒光束非共路入射BBO 晶體中,獲得了高能窄帶的和頻信號,將和頻信號作為CARS 過程的探測光,實(shí)現(xiàn)了高溫火焰中千赫茲、單脈沖的溫度測量.利用標(biāo)準(zhǔn)燃燒器,通過快速切換甲烷/空氣的流速配比,模擬了1700—2200 K 溫度范圍內(nèi)的高溫動態(tài)火焰.利用該測溫方法在模擬的動態(tài)火焰中,進(jìn)行了連續(xù)70 s 的溫度測量.將采集到的單幅光譜與理論光譜利用最小二乘法進(jìn)行擬合,得到了單幅光譜所對應(yīng)的擬合溫度.70 s 時(shí)間內(nèi)的連續(xù)測量結(jié)果顯示,該方法在高溫下溫度測量的相對誤差小于1.2 %,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.8 %,準(zhǔn)確分辨了0.2 s內(nèi)的溫度變化過程,驗(yàn)證了該系統(tǒng)在高溫動態(tài)環(huán)境下測溫的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性,為復(fù)雜的動態(tài)高溫燃燒場的溫度測量提供了一種新的測量方案.本文在甲烷/空氣的標(biāo)準(zhǔn)燃燒器火焰中對該測溫方法進(jìn)行了驗(yàn)證,未來可以將該方法推廣到實(shí)際應(yīng)用場景下對未知溫度的動態(tài)火焰的溫度測量中,如工業(yè)燃燒爐、煉油反應(yīng)塔等,從而為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)作用.