李明，高強，陳爽，李博

（1 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津300072）

（2 中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽621000）

0 引言

氣體流場的速度測量是流體科學(xué)中的一項重要任務(wù)，精確的速度測量有助于研究和了解與流動相關(guān)的量，如渦度和切應(yīng)力［1-3］，也有助于建立更加完善的數(shù)值模型，在研究湍流及熱動領(lǐng)域有著十分重要的意義。傳統(tǒng)的流場速度測量技術(shù)以侵入式測量為主，需要向待測流場中放置測量探針，常見的有皮托管測量法［4］和熱線風(fēng)速儀［5］測量法。傳統(tǒng)的測量方法具有價格低廉的優(yōu)點，但是會對流場產(chǎn)生干擾，而且測量探針還有一定的響應(yīng)時間，影響測量的實時性和準(zhǔn)確性。

激光測速技術(shù)屬于非侵入式測量技術(shù)，對待測流場的干擾小，具有較高的測量精度，還可實現(xiàn)實時在位測量，所以近年來在流場和燃燒診斷領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展。根據(jù)測速原理的不同，激光測速技術(shù)主要分為兩大類。一類是基于多普勒效應(yīng)的測速技術(shù)，利用示蹤粒子的散射光相對于入射光的頻移來反演流場的速度信息，例如激光多普勒測速（Laser Doppler Velocimetry，LDV）技術(shù)［6-7］和平面多普勒測速（Planar Doppler Velocimetry，PDV）技術(shù)［8］。這類測速方法適用于高速流場，但速度反演的過程相對復(fù)雜，并且反演過程存在不確定性因素。另一類是基于示蹤劑單位時間內(nèi)的位移實現(xiàn)測速的技術(shù)，這類測速技術(shù)比較直觀，能夠?qū)崿F(xiàn)對多點瞬時速度場的同時測量，還可獲得與空間相關(guān)的信息。根據(jù)示蹤劑的大小，這類測速技術(shù)又可分為粒子成像測速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)［9-10］和分子示蹤測速（Molecular Tagging Velocimetry，MTV）技術(shù)［11-12］。PIV 技術(shù)通過連續(xù)兩次拍攝散布在流場中的示蹤粒子，能夠給出流場的二維速度信息，但在高速流場環(huán)境下，由于示蹤劑粒子的跟隨性較差，測量受到一定的限制。MTV 技術(shù)以分子作為示蹤劑，不存在流場跟隨性問題，大大提高了速度測量范圍。MTV 技術(shù)經(jīng)常以雙乙酰［13］、丙酮［14］、二氧化氮［15］以及金屬原子［16］等作為示蹤分子，也可以直接標(biāo)記流場中的分子，例如通過標(biāo)記光解氧氣產(chǎn)生的O3作為示蹤分子的臭氧示蹤測速（Ozone Tagging Velocimetry，OTV）技術(shù)［17］；通過標(biāo)記水蒸氣解離產(chǎn)生的OH作為示蹤分子的羥基示蹤測速（Hydroxyl Tagging Velocimetry，HTV）技術(shù)［18-19］；通過標(biāo)記非線性受激拉曼過程產(chǎn)生的振動激發(fā)態(tài)的O2作為示蹤分子的拉曼激發(fā)激光誘導(dǎo)電子熒光（Raman Excitation Plus Laser-Induced Electronic Fluorescence，RELIEF）示蹤測速技術(shù)［20］和通過標(biāo)記NO 作為示蹤分子的空氣光解-重組示蹤（Air Photolysis and Recombination Tracking，APART）測速技術(shù)［21］。以上MTV 技術(shù)通常需要兩束激光，一束激光標(biāo)記流場中特定的示蹤分子，另一束激光用來讀取示蹤分子，因此測量裝置和測量過程比較復(fù)雜。

2011年，MICHAEL J B 等［22］開發(fā)了飛秒激光電子激發(fā)示蹤（Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging，F(xiàn)LEET）測速技術(shù)，在純N2流場中，通過飛秒激光光解N2產(chǎn)生的N 原子在重組過程中釋放的長壽命熒光，實現(xiàn)對流場的標(biāo)記測速。該技術(shù)只需一束激光便可實現(xiàn)速度測量，大大簡化了實驗裝置和步驟。在此基礎(chǔ)上，JIANG N 等［23］使用波長為202.5 nm 的飛秒激光，通過共振激發(fā)-光解過程實現(xiàn)對N2的標(biāo)記，大大提高了FLEET 技術(shù)的激發(fā)效率。但總體而言，F(xiàn)LEET 技術(shù)的熒光信號強度仍然較弱，信噪比差，熒光壽命短，因此速度測量精度和測量范圍具有一定的局限性，尤其是在低速流場環(huán)境下，由于需要長時間延遲（幾十微秒延遲）才能獲得可分辨的位移信息，此時熒光信號已極大衰減，導(dǎo)致該技術(shù)在低速條件下的測量效果較差。

針對此問題，本文開展了熒光信號增強方法研究，在N2中加入少量CH4，利用飛秒激光誘導(dǎo)CH4和N2發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生發(fā)光強度強，持續(xù)時間長的氰基（CN）熒光信號，可以提高測速精度，擴(kuò)大測速范圍，相對于FLEET 測速技術(shù)更具優(yōu)勢。本工作主要研究該方法的熒光信號產(chǎn)生機(jī)制、增強效果和持續(xù)時間，進(jìn)而分析該方法的測速范圍、測量極限、測量誤差以及延遲時間和激光能量對測速精度的影響等。

1 實驗裝置

本實驗是在溫度壓力恒定的超凈間內(nèi)進(jìn)行的，實驗室溫度20 ℃，濕度50 %，壓力1 個大氣壓。實驗裝置如圖1所示。本實驗使用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器（Spitfire Ace，Spectra-Physics）產(chǎn)生中心波長為800 nm 的飛秒激光，激光脈寬為45 fs，重頻為1 kHz，最大脈沖能量為7 mJ。800 nm 的飛秒激光經(jīng)過三倍頻后輸出中心波長約為267 nm 的飛秒激光。實驗采用267 nm 的飛秒激光是因為相較于800 nm 的飛秒激光，267 nm 的飛秒激光誘導(dǎo)的光絲更細(xì)、更長，能夠提高速度測量的精度，擴(kuò)大速度測量的空間范圍［24］，同時267 nm 的飛秒激光所需的成絲閾值能量更低，有助于減小熱效應(yīng)等因素對流場的潛在擾動［24］。267 nm 的飛秒激光的最大脈沖能量為300 μJ，經(jīng)過能量衰減器可以調(diào)節(jié)激光的能量。激光通過焦距為300 mm 的聚焦透鏡聚焦于CH4/N2待測流場，產(chǎn)生飛秒光絲。CH4/N2待測流場由McKenna 燃燒器產(chǎn)生。CH4/N2混合氣分別通過McKenna 的中心管和燒結(jié)多孔金屬板產(chǎn)生中心射流和外圍協(xié)流。中心管的直徑為2 mm，燒結(jié)多孔金屬板的直徑為60 mm。氣體的流速由質(zhì)量流量控制器（HORIBA METRON）控制。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental setup

飛秒光絲在CH4/N2流場中會誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生熒光信號。對于熒光光譜測量，使用焦距為100 mm的聚焦透鏡，將熒光信號等大成像至光譜儀（Acton SP-2300i，Princeton Instrument）入射端的狹縫中。狹縫寬度為100 μm，平行于流場的流動方向放置，以獲得沿流場速度方向的空間分辨光譜。光譜儀收集到的熒光信號經(jīng)光柵（300 grooves/mm，閃耀波長為300 nm）分光后，由光譜儀出口端連接的ICCD 相機(jī)（PIMAX4：1024i，Princeton Instruments）拍攝成像。對于流場速度測量，其測量原理是激光標(biāo)記流場中的分子，使其產(chǎn)生躍遷，發(fā)出熒光，經(jīng)過一段延遲時間后，流場中的標(biāo)記分子產(chǎn)生位移，基于位移和延遲時間，即可推算出流場的速度信息。被標(biāo)記分子的熒光信號由一臺ICCD 相機(jī)直接拍攝成像，以獲得不同延遲時間下（微秒量級）被標(biāo)記分子的位移。成像系統(tǒng)的空間分辨率為27 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜分析

為了確定熒光信號來源，實驗在500 ppm（1 ppm=1×10-6mol/L）的CH4/N2混合氣中進(jìn)行空間分辨光譜測量。如圖2（b）所示，CH4/N2混合氣分別通過McKenna 燃燒器的中心射流管和外圍多孔金屬板產(chǎn)生中心射流場和外圍協(xié)流場。圖2（a）為飛秒光絲穿過流場激發(fā)產(chǎn)生的熒光信號，圖中水平方向上的紫色細(xì)線為飛秒光絲所在位置，其激發(fā)的熒光信號隨流場向上移動。從圖中可以看出，該熒光信號非常明亮，且熒光信號的持續(xù)時間較長。圖2（c）是熒光信號經(jīng)光譜儀分光后，利用ICCD 相機(jī)成像獲得的空間分辨光譜圖，橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為高度。ICCD 相機(jī)的延遲時間為0 μs，門寬為100 μs。沿著圖2（c）中的白色虛線提取數(shù)據(jù)，可獲得該位置處的光譜曲線，如圖2（d）所示。從圖2（d）中可以看出，較強的熒光信號分布在358 nm、387 nm、414 nm 和448 nm 附近。這四處信號都是由CN 自由基B2Σ+→X2Σ+的振動能級躍遷產(chǎn)生。

熒光持續(xù)時間決定了該方法的速度測量范圍，本文研究了信號強度隨延遲時間的變化關(guān)系。在CH4濃度分別為500 ppm、1 000 ppm、2 000 ppm 和5 000 ppm 的CH4/N2混合氣中，使用ICCD 相機(jī)拍攝不同延遲時間下熒光信號的單脈沖圖片，相機(jī)的門寬為1 μs，選取0.5～150 μs 范圍內(nèi)共11 個延遲時間點。將每張圖片的熒光信號積分，得到整體熒光信號的強度，繪制的信號強度衰減曲線如圖3所示。圖3 的橫坐標(biāo)為延遲時間，縱坐標(biāo)為信號的強度。從圖3 可以看到CN 熒光的持續(xù)時間很長，可到微秒量級。而相關(guān)研究表明，CN的熒光壽命只有幾納秒［25］。原因在于飛秒激光將CH4/N2光解后，發(fā)生了持續(xù)產(chǎn)生CN 的化學(xué)反應(yīng)。前期工作中，我們已經(jīng)對持續(xù)的化學(xué)發(fā)光過程給出了相應(yīng)的解釋［26］，如N+CH→CN（B）+H，生成直接處于高能級的CN（B）［27］，或者處于低能級的CN（X）從N2（A）或N2（X）中獲得能量并被激發(fā)到CN（B）態(tài)［28］。這些生成CN（B）的化學(xué)反應(yīng)過程相對較慢，在微秒量級，所以CN 熒光的持續(xù)時間較長。而在熒光強度上，CH4/N2混合氣流場的熒光信號要比純N2流場的熒光信號強1～2 個數(shù)量級［26］。如此長的熒光持續(xù)時間和高強度的熒光信號可以為速度測量提供重要保證。

仔細(xì)觀察圖3 可以發(fā)現(xiàn)，信號強度隨延遲時間呈先升高后下降的趨勢。CH4濃度越高，曲線達(dá)到峰值的延遲時間越短，曲線的峰值越大，曲線的衰減速率越快。圖3 中曲線先上升后下降是由于CN 的生成反應(yīng)［27-28］和消耗反應(yīng)［29-30］相競爭的結(jié)果，如CH4濃度為500 ppm 的曲線中，15 μs 之前CN（B）的生成反應(yīng)占主導(dǎo)地位，CN（B）逐漸積累使信號強度增大，而在15 μs 之后，CN（B）的消耗占優(yōu)勢，信號強度開始下降。DILECCE G 等［31］在氣體放電實驗中，也觀察到CN 熒光先上升后下降的趨勢。圖3 中CH4濃度越高，激光光解產(chǎn)生的含碳CN 前驅(qū)物越多，生成CN（B）的反應(yīng)越迅速，所以曲線達(dá)到峰值所需的延遲時間越短，曲線的峰值越大。而在CH4濃度大于5 000 ppm 時，熒光壽命曲線呈現(xiàn)指數(shù)衰減。

由圖3 可知，通過改變CH4的濃度可以改變熒光強度和熒光持續(xù)時間，而熒光強度直接影響速度測量的精度，熒光持續(xù)時間決定了速度測量的范圍，所以在進(jìn)行速度測量時，需要綜合考慮測速所需的熒光強度和熒光持續(xù)時間，選擇合適的CH4濃度，以實現(xiàn)最佳的速度測量效果。在測量高速流場時，幾微秒的延遲時間便足夠了，可以選擇CH4濃度較大的CH4/N2混合氣，在較短的延遲時間下獲得更大的信號強度，從而提高速度測量的精度；而測量低速流場時，需要幾十微秒甚至更長的延遲時間，可以選擇較低的CH4濃度以獲得更長的熒光持續(xù)時間。

2.2 速度測量

圖4（a）和圖4（b）分別為延遲時間0 μs 和10 μs 時，在2 000 ppm 的CH4/N2混合氣中拍攝的單脈沖圖片，相機(jī)門寬為1 μs，圖片左上角為長度2 mm 的比例尺。外圍協(xié)流氣體的速度為0.1 m/s，在1 μs 的相機(jī)門寬內(nèi)，位移可以忽略不計，所以認(rèn)為延遲時間0 μs 時標(biāo)記的協(xié)流分子的位置為測速起始時刻的位置，如圖4（a）所示。在一段延遲時間內(nèi)，標(biāo)記的中心射流分子會發(fā)生位移，如圖4（b）所示。將射流分子的位置減去協(xié)流分子的位置即為延遲時間內(nèi)射流分子的位移。在進(jìn)行測速實驗時，由于光絲具有一定的直徑，所以熒光信號也有一定的寬度，需要對熒光位置進(jìn)行精確定位。分別截取圖4（a）中的協(xié)流信號區(qū)域和圖4（b）中的射流信號區(qū)域進(jìn)行高斯擬合，取高斯擬合最大值所對應(yīng)的位置為熒光信號的位置，如圖4（a）和圖4（b）中的紅色虛線所示。圖4（a）中的紅色虛線為協(xié)流場熒光信號的位置，圖4（b）中的紅色虛線為射流場熒光信號的位置，兩條虛線的距離為射流分子在延遲時間內(nèi)的位移。由位移除以延遲時間，即可求出射流場的速度。

圖4 標(biāo)記分子定位示意圖Fig.4 Location diagram of marker molecule

在進(jìn)行速度測量時，熒光信號的寬度對測量精度具有一定的影響。寬度越窄，定位的準(zhǔn)確度越高，速度測量的精度越高。熒光信號的寬度除了與光絲直徑相關(guān)外，還受相機(jī)門寬的影響。相機(jī)的門寬越小，熒光信號的寬度也越小。但門寬過小又會使熒光信號強度減弱，影響定位的準(zhǔn)確性，所以在進(jìn)行速度測量時，需要綜合考慮相機(jī)門寬對熒光信號寬度和強度的影響。在本實驗的條件下，1 μs 的相機(jī)門寬最為合適，所以后續(xù)實驗均選取1 μs 的相機(jī)門寬。

為了研究延遲時間和激光能量對測速的影響，選取不同的激光能量和延遲時間進(jìn)行測速實驗。圖5 為不同的激光能量和延遲時間下，在2 000 ppm 的CH4/N2混合氣中拍攝的單脈沖圖片。圖中射流場的速度為60 m/s，協(xié)流場的速度為0.1 m/s。激光能量依次為100 μJ、150 μJ、200 μJ 和250 μJ，延遲時間依次為2 μs、5 μs 和10 μs。每種工況下分別拍攝50 張圖片，并對速度測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。

圖5 不同激光能量和延遲時間的成像Fig.5 Images with different laser energies and delay times

從圖6 可以看出，隨著延遲時間的增大，整體速度呈現(xiàn)減小趨勢。由于延遲時間增加，氣體走過的距離變遠(yuǎn)，速度會逐漸降低，因此測得的平均速度也會減小。此外，隨著延遲時間的增大，測量誤差逐漸減小。由于該方法的測量誤差主要來源于圖像識別熒光信號移動距離S時產(chǎn)生的誤差ΔS，而ΔS的大小只與熒光信號的寬度和強度有關(guān)，因此在延遲時間t增加時，ΔS/t會降低，使測量誤差減小。如激光能量250 μJ，延遲時間2 μs 時的測量誤差約為3%，而延遲時間10 μs 時的測量誤差僅為0.8%。

圖6 不同激光能量和延遲時間的測速結(jié)果Fig.6 Velocity measurement results of different laser energy and delay time

從圖6 還可以看出，延遲時間10 μs 時，隨著激光能量的增大，測量誤差呈現(xiàn)減小的趨勢。結(jié)合圖5 可知，10 μs 時熒光強度隨著激光能量的增加而明顯增強，使熒光定位的準(zhǔn)確性提高，從而提高了測速精度。而延遲時間2 μs 和5 μs 時，在較低的能量下熒光強度已經(jīng)很強，定位的準(zhǔn)確性很高，繼續(xù)增加激光能量對測速的精度影響不大。

本文還研究了該方法的速度測量范圍。對于高速流場，流速越快，所需的延遲時間越短，熒光信號的強度越高，圖片的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）越大。在信號位移不變的情況下，延遲時間理論上可以設(shè)置為無窮小，因此本方法的測速上限理論上為無窮大。但實際測速上限還要受延遲觸發(fā)設(shè)備硬件的時間分辨能力，成像系統(tǒng)的空間分辨能力和相機(jī)的最小門寬等因素的影響。對于低速流場，流速越低，測速所需的延遲時間越長，熒光信號的強度越小，圖片的信噪比越差，所以本方法存在測速下限。

不同的CH4濃度，熒光信號的衰減速率也不同，需要選擇合適的CH4濃度以實現(xiàn)低速流場的速度測量。圖7 和圖8 分別為不同延遲時間下，在2 000 ppm 和500 ppm 的CH4/N2混合氣中拍攝的熒光單脈沖圖片。圖片左上角和右上角分別標(biāo)有延遲時間和信噪比。為了便于觀察，圖片選取不同范圍的色度條。對比圖7 和圖8 可以看出，CH4濃度為2 000 ppm 時，在50 μs 的延遲時間下圖片的信噪比僅為3，而CH4濃度為500 ppm時，在120 μs 的延遲時間下圖片的信噪比為8，說明通過調(diào)節(jié)CH4濃度確實能夠有效延長熒光的持續(xù)時間，從而適用于低速流場的速度測量。圖9 為信噪比隨延遲時間的變化曲線。從圖9 可以看出，500 ppm 的CH4/N2混合氣在較大的延遲時間下，圖片仍具有相對較高的信噪比，適合低速流場的速度測量，所以本文在該濃度條件下測量測速下限。圖8 中500 ppm 的CH4/N2混合氣在120 μs 的延遲時間下，圖片的信噪比能夠滿足測速需求，所以保守認(rèn)為120 μs 為該濃度下的最大延遲時間t。結(jié)合本實驗中ICCD 的最小可識別空間位移S為27 μm，可以算出該濃度下的測速下限為0.23 m/s。進(jìn)一步減小CH4濃度，可以獲得更低的測速下限。

圖7 2 000 ppm CH4信號強度隨延遲時間的變化Fig.7 Signal intensity vs.delay times with CH4 concentration of 2 000 ppm

圖8 500 ppm CH4信號強度隨延遲時間的變化Fig.8 Signal intensity vs.delay times with CH4 concentration of 500 ppm

圖9 不同CH4濃度信噪比隨延遲時間的變化曲線Fig.9 Signal-to-noise ratio vs.delay time at different CH4 concentrations

本測速方法通過在N2中摻混少量CH4，實現(xiàn)了對熒光信號的增強和熒光持續(xù)時間的延長，相對于FLEET 測速技術(shù)更具優(yōu)勢。FLEET 技術(shù)的測速下限為7 m/s［32］，而本方法大大擴(kuò)展了測速范圍，獲得了0.23 m/s 的測速下限。由于本方法與FLEET 技術(shù)的測速原理相同，可以適用于所有滿足FLEET 測速的場景，在超音速流場的速度測量方面有很好的應(yīng)用潛力［22-33］。該方法也存在一定的局限性，例如本方法主要應(yīng)用于一些非反應(yīng)流場的速度測量，如超聲速射流管，風(fēng)洞等環(huán)境，在反應(yīng)流場或燃燒場中還存在一定問題。

3 結(jié)論

本文研究了飛秒激光誘導(dǎo)化學(xué)發(fā)光測速的方法。利用267 nm 飛秒激光誘導(dǎo)CH4/N2混合氣，生成發(fā)光強度強，持續(xù)時間長的CN 化學(xué)發(fā)光，并用于速度場測量。通過改變CH4濃度可以改變CN 熒光信號的強度和持續(xù)時間，進(jìn)而適用于不同速度的流場，以獲得最佳的測速效果。此外本文還研究了該方法的測速范圍。該方法沒有理論測速上限，但存在測速下限。在CH4濃度為500 ppm 的實驗條件下，獲得了0.23 m/s 的測速下限。與FLEET 技術(shù)相比，本方法信號強度提升了1-2 個數(shù)量級，信噪比高，提高了測速精度和測速范圍，在流場速度測量中更具優(yōu)勢。本方法在航空航天等領(lǐng)域，如寬范圍風(fēng)洞速度場的測量與標(biāo)定，具有很大的應(yīng)用潛力。