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March 22, 2025

激光诊断方法

激光燃烧诊断技术通过测量激光与燃烧场中分子的吸收、发射、散射相互作用,得到原位定量的火焰温度、组分浓度和流场密度、速度等信息,具有极高的时空分辨率、灵敏度与选择性, 是最主要的非接触燃烧实验方法。常见方法包括瑞利散射、米散射、拉曼散射、荧光散射、吸收效应和多普勒效应等过程,这几种测试方法各有优缺点、互为补充,总的发展趋势是从线平均测量到场分辨测量,从低频稳态测量到高频动态测量。激光燃烧诊断的核心设备是激光光源。可以说是“一代激光器,一代测试方法”。

光谱诊断方法的优点是对火焰无干扰,成像方法可以提供较高的时间和空间分辨率,通过图像能够准确地区分不同组分,并精确地测量温度、不同组分的浓度。 下面是常用的几种激光诊断方法的示意图。

常见的激光诊断方法 [Wolfrum](https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2002/fd/b107878j).

应用光谱研究火焰的历史可以追溯到1860年Kirchhoff和Bunsen针对火焰中金属的光谱测量和1857年Swan对蜡烛火焰的测量。

学术家谱

博士导师研究分子光谱,发现导师的前面的导师可以追溯到剑桥大学的Sugdun,是做了很多工业实际应用研究。再之前的 Norrish 就是做的用光谱方法研究闪光灯热解。 现在算是重新回到了应用研究上来。

燃烧诊断主要是光测和光谱知识在燃烧中的应用。宏上要观理解为何要做实验和发展燃烧诊断方法,为何需要诊断方法解决什么问题。 参考driezler 上课ppt中的说法,燃烧诊断的任务包含如下几个:

  1. 燃烧理论,这方面比较成熟了;
  2. 仿真对照,精细测量,验证CFD;
  3. 燃烧器中的火焰结构和运动(主要是成像),研究燃烧现象,火焰结构和运动,湍流燃烧机理,包含标准火焰的研究;
  4. 发展技术和方法,发展实际应用的传感器(tdlas 主要问题是空间分辨率问题,对于燃烧器的尺寸来说,TDLAS测量的空间分辨率太粗,可以做传感器,但研究其他问题不够用)

燃烧诊断研究基本问题是测量温度,组分,压力,速度;进一步需要和燃烧学结合,目标和主线是研究火焰和燃烧室,燃烧诊断的目标是解决燃烧研究的问题。因此很多时候,是要把特定的实验方法用在特定的燃烧研究里面。 诊断研究现在阶段需求,理论研究比较成熟,要以工业应用需求为主,还是从燃烧室的现象和要解决的问题出发。

一个光谱诊断方法的简介文件。 光谱诊断方法简介

如何做燃烧的仿真?湍流燃烧还是很难算的,Fluent 可以大概算算。用 Cantera 和 Chemkin 算一般的反应动力学计算,比如火焰温度。 分子光谱仿真?就很小众了,图形化的有 pgophor,最全的应该是 SPFIT/SPCAT 。LIFbase是专门的几个双原子分子的LIF光谱数据库仿真。 几何光学仿真用 zemax,但感觉一般也不需要。

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March 10, 2025

热工基础

热工基础课程的前两周上完了,讲了前4章。基本把热力学的内容讲完了。 在极少的课时下,如何讲完? 热力学作为很成熟的知识,的确也应该更加精炼,大学里面的课程,总的趋势就是成熟的知识逐渐减少课时。学生总要学习新知识。未来可能中学里面就要学很多现在大学的知识吧。

我想我做了比较好的尝试。思路是从统计力学2个基本假设开始讲,引出配分函数和熵的概念、不同的系综;进而可以联系到热力学的4个基本假设,然后建立热力学函数。 这门课不讲化学平衡和相平衡。 主要还是内能和焓的概念。 然后是理想气体,从熵的公式引出绝热等过程的熵变和热功变化。

从几个基本假设出发的思路还是很清晰的。避免了从现象出发的很多绕弯子。也是前面推荐Daily书的初衷。

第三周开始讲喷管流动,这部分主要是可压缩的空气动力学。参考书主要是《Thermodynamics-An engineering approach》和清华大学吴望一的《流体力学》。 不得不说,老外的书详细,适合自学和教学;但是吴的书,精妙之处更多,很多数学推导更简洁更优美。多看几本书总有好处,空气动力学经典的Anderson 以后再看吧。

第四周开始讲传热。首先是从随即行走模型导出了扩散方程。按照这个思路比较好,从基本原理出发,比较直观地就可以得到傅里叶公式。 传热的其他部分没有很多重要的内容了,毕竟现在都是用有限元直接算就可以了。

Lecture-1

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March 4, 2025

TDLAS

之前写过的一个TDLAS技术的简介,好像被放在某本书里面了。但当时版本可能有笔误,故在此放一下最新的版本。

TDLAS

吸收光谱研究的是光与物质作用过程中最基本的吸收过程,是最基本的燃烧诊断方法。吸收光谱有易于操作、选择性强、定量准确、灵敏度高的优点。

在燃烧诊断中,通过测量透射光强被火焰吸收而减弱的定量信息,可以获得燃烧体系中分子浓度、温度、压力和速度的信息。

现代的激光吸收光谱用的是高亮度、窄线宽的红外可调半导体激光光源,通过扫描激光的波长,光电探测器直接测量不同波长激光在通过燃烧体系后的光强损失,从得到所扫描的激光波长范围内的火焰吸收光谱。

吸收光谱所测量的光谱有位置、强度、和线宽三个基本信息,可以定量地研究反应流中分子浓度、温度、压力和流速等各种信息。谱线的位置由所测量分子的能级结构决定,与燃烧体系的温度压力等热力学状态与流场结构无关。因此可以通过测量燃烧体系的吸收谱准确地区分所测量的不同分子,具有极高的选择性(selectivity)。 需要学一点分子光谱学。

在高压燃烧环境中,分子碰撞导致的能级降低和多普勒效应还会引起的微小的吸收峰位置的移动。

在谱线强度测量方面结合高频调制、光腔共振等方法,吸收光谱可以测量ppt量级的分子浓度,具有很高的灵敏度(sensitivity)。研究吸收光谱所测量的谱线吸收强度只需考虑体系状态从低能级到高能级的光子吸收这一简单过程,可以忽略上能级过程,实验和理论计算均可较准确的定量研究。因此吸收光谱的最大特点为定量准确(absolute)。

文章前面介绍了一些Einstein A B 系数的介绍。 可以参考HITRAN 官方的介绍文献:

Šimečková M, Jacquemart D, Rothman L S, Gamache R R, Goldman A. Einstein A-coefficients and statistical weights for molecular absorption transitions in the HITRAN database[J]. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2006, 98(1): 130–155.

absorption model

一个比较重要的结论是 通过联系宏观上的观测量光强 I 和微观的分子跃迁常数 B 与分子数密度 N,得到Beer-Lambert 定律:

d \tau(v) = k(v) N dl

这里\tau(v)是频率v处的光学厚度(optical depth);k(v)是吸收系数(absorption coefficient),单位是[1/(molecule cm-3 cm)]; 定义\mu = k(v) N 为衰减系数(attenuation coefficient),单位是 [1/cm]; k(v) 在波数(wavenumber)轴上的积分得到线强 S,单位是[cm-1/ molecule· cm-3· cm],进行单位约化后,也可以被写为[1/cm-1]

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February 20, 2025

lvpyio

今天尝试了 LaVision 公司的 python package,太坑了,又发现 DeepSeek 太香了。

lvpyio 的网址: https://www.lavision.de/en/downloads/software/python_add_ons.php

之前都是把 DaVis 计算得到的速度场或者标量场结果存成文本文件,例如 B00001.txt 再用python读。下面是我写的读标量场和矢量场的函数,其中load_piv 中 size 参数非0时,会将数据 binning 降低数据数量,提高对比度。

#%% read DaVis txt file

def load_piv(filename, size):
    """
    extract PIV data
    filename: txt file name
    size: average size
    """
    lavision = open(filename)
    step, xnum, ynum = lavision.readline().split(' ')[3:6]
    lavision.close()
    step = int(step)
    xnum = int(xnum)
    ynum = int(ynum)
    size = int(size)

    oned = pd.read_csv(filename, decimal=',', sep='\t', skiprows=1, header=None)
    X = np.reshape(oned.values[:, 0], (xnum, ynum), 'C').astype('float64')
    Y = np.reshape(oned.values[:, 1], (xnum, ynum), 'C').astype('float64')
    U = np.reshape(oned.values[:, 2], (xnum, ynum), 'C').astype('float64')
    V = np.reshape(oned.values[:, 3], (xnum, ynum), 'C').astype('float64')
    
    if size != 1:
        X = X[:int(xnum // size) * size, :int(ynum // size) * size].reshape(int(xnum // size), size, int(ynum // size),size).mean(axis=(1, 3))
        Y = Y[:int(xnum // size) * size, :int(ynum // size) * size].reshape(int(xnum // size), size, int(ynum // size),size).mean(axis=(1, 3))
        U = U[:int(xnum // size) * size, :int(ynum // size) * size].reshape(int(xnum // size), size, int(ynum // size),size).mean(axis=(1, 3))
        V = V[:int(xnum // size) * size, :int(ynum // size) * size].reshape(int(xnum // size), size, int(ynum // size),size).mean(axis=(1, 3))
    X = X.astype('float32')                                                                           
    Y = Y.astype('float32')
    U = U.astype('float32')
    V = V.astype('float32')
    return step, xnum, ynum, X, Y, U, V   

def load_plif():
    plif = open(filename)
    firstline = plif.readline().split(' ')
    x_num,y_num = firstline[3:5]
    delta_x,x0 = firstline[6:8]
    delta_y,y0 = firstline[10:12]
    plif.close()
    x_num = int(x_num)
    y_num = int(y_num)
    x0 = float(x0)
    y0 = float(y0)
    delta_x = float(delta_x)
    delta_y = float(delta_y)
    X = np.arange(x0, x0+(x_num)*delta_x, delta_x)
    Y = np.arange(y0, y0+(y_num)*delta_y, delta_y)   
    plif_txt = pd.read_csv(filename, decimal=',', sep='\t', skiprows=1, header=None)
    plif = plif_txt.values
    return x_num,y_num,X,Y,plif

貌似用官方的软件包可以读更多的文件格式吧。于是就开始安装了。 首先发现不知道为什么 spyder 启动出问题了,numpy 版本不对,需要重装 numpy,就好了。

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November 8, 2024

TDLAS的问题

最见看到之前课题组近年燃烧年会发的会议论文,没有接受口头报告,只有一个海报。

论文题目

是用我发展的4um QCL测CO2的方法在腔体里面测固体颗粒燃烧的信号。 看了一下实验记录,是2020年夏天做的实验。 固体推进剂这个方向,本来也不是我该做的,合作只是奉命服务。

但也非常欣慰,毕竟发表了,了却了一桩心事。顾明明博士本来不做 TDLAS,去交大做博后才接触,青年基金也是做的中红外TDLAS 数据处理的方法。把 line mixing 模型用来处理 4.2um 的CO2带头部分的谱线,还是挺成功。但即使是这个新的模型,根本问题还是参数多,需要调。应用起来就不够直接。

实验装置图

这个实验不是很成功。根本问题还是由于 TDLAS 是线积分测量,无法区分腔体内部路径上不同位置的信息。 测到的温度,其实是路径平均的温度,虽然4.2um那高温信号占主要的,但也要考虑这么长路径上腔体里面其他位置扩散出去的CO2的干扰。 其实还不如不加腔体,那样的话在大气环境中还扩散的快一点。

这就叫路径依赖。

想起来之前还做过一个失败的实验。用5um NO2 吸收逢的QCL激光测在真空腔体里面的 不同NH3含量的Mckenna 火焰。这个是之前用石英喷嘴取样加紫外光电离质谱做过的体系。用取样测量方法的话,周围环境中的燃烧产物、扩散出去的物质是不用管的。但是用吸收光谱的方法就不行了。低压环境倒是有利于TDLAS测量,NO2 两个分裂的吸收峰很清楚,但是测到的温度又很低,后来发现是因为腔体里面有扩散出去的产物的吸收。 这就很难办了。也可以吹扫,但再加上这些过程复杂的方法,都很不可靠。

核心问题,还是如何在TDLAS线积分信号的基础上得到空间分辨率。考虑过用饱和吸收,或者用FLDI频谱特征去提取。但似乎都不很靠谱。 TDLAS方法在大气研究中有成功的应用,比如用吸收池抽气进去低压测量各种污染物的浓度,再比如卫星测大气柱的辐射或者吸收光谱。 这是因为空间尺度不同的问题。大气研究中,空间尺度大,TDLAS测量的就是一个点的数据。而燃烧诊断中,研究的火焰尺寸不会很大,TDLAS 测量的一条路径上,需要考虑分布不均匀的问题。 最好还是用综横多路再反演的方法得到空间分辨率。 这样空间分辨率就不会很高,若要提高空间分辨率,似乎很难。最近有用高速红外相机做探测器来测TDLAS光谱的,把一个激光束扩束后,在红外相机上成像测量扫描波长后图像强度。 如果红外相机帧频不够高,还可以在采集端用光纤束分光,也可以提高空间分辨率,多个pd探测器,多路数据采集。 这样就可以得到比较高的空间分辨率。但成本的确也高。

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October 15, 2024

介绍好书:John Daily 统计热力学

封面

最近读到一本好书,剑桥大学出版社2018年出版的 John Daily 《Statistical Thermodynamics an Engineering approach》。 最早知道 Daily 还是读到他在PECS上关于LIF 的综述,算是比较早期这方面的综述了。当时他还是在伯克利大学,后来去了科罗拉多大学主持了燃烧研究中心做机械系主任。 这本书是John 在伯克利大学和科罗拉多大学教研究生《高等热力学》的教材。

面向热流体方向(机械工程、航空工程、动力工程)的热力学气体动力学课程,早期有 Sonntag & Van Wylen: Fundamentals of Statistical Thermodynamics ; 斯坦福大学的 Vincenti & Kruger: Introduction to Physical Gas Dynamics。 作者的这本教材可以看作是前面书的简化版,包含了最主要的内容。 之前给本科上的物理化学和准备的热工基础课程想包含的内容,这本书都有:量子力学、分子能级、配风函数、热力学量、JANAF表、Boltzmann方程等等,基本该涉及的知识点都有。

作为研究生教材,这本书更多的可以作为一个地图和指引,告诉研究生哪些内容需要去看的提要。面向本科生教学的话,可以先简单介绍一些基础知识。这本书还有对应的Coursera 课程,有视频和PPT,一开始就介绍了一些基本知识。 https://www.coursera.org/learn/macroscopic-microscopic-thermodynamics

这本书最大的优点是采用了公理化的热力学体系,即 Herbert B. Callen 在 《Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics》 中提出的四大公设的体系。 一门学科在历史上发展的顺序和学科体系查成熟后的体系肯定是不同的。 最终在课程中的呈现,肯定和历史发展的顺序不同。 比如现代量子力学的教学,如果学时多,尚可以慢慢来从两朵乌云开始讲,但很多时候已经不再是按照历史顺序来讲了,而是按照现代的体系来讲。

在AI时代,本科生要学的东西越来越多。现在教学的课时越来越少了,传统课程的教学要跟上时代,就是要体现新的思路,顺应时代的发展。 可以预见,未来的热流体课程中,热力学和统计力学也不应该分开慢慢讲了,也不应该第一定律、第二定律出发那样讲了。 未来的热力学教学,应该按照这样简洁明了的公理化体系来讲,节省时间。 时代的进步发展总是这样,留给一成不变旧内容的时间总是越来越少。

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October 1, 2024

新网站上线了

今天是国庆节,才有有时间投个稿,又上线了课题组的网站。

中国的科研工作者真不容易。放假了才有自己的时间。 不过外国的科研人员也不容易。我国只不过是现在本科生都有国自然了;前几天看到一篇OL上的文章就是美国高中生发的。为了卷大学入学嘛,可以理解。那小孩的爹也挺厉害。

以后我们的高中生就可以进实验室搞SCI嘛,欢迎本科生来我实验室做点研究,最好能发点SCI论文。只不过是刚到山科大来,没给本科生上课,接触学生还不多。 研究生就不用说了,硕士基金,博士博士后基金都卷起来。 同行们多来关注我们吧!

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利用Hantek万用表对小电源输出电压结果的测试

在电子设备的使用中,电源输出电压的稳定性至关重要。今天,我将通过实际测量和数据分析,使用最小二乘法拟合它的输出电压值,结合得到的方差来评判它的输出电压效果。

测试方法

首先,介绍一下测试方法。我使用万用表作为测量工具,将电源输出电压从 0V 开始,以 0.1V 为步长逐步调节,直至达到 5V。我这里用到的是 Hantek 的 HDM3065 系列的万用表来测量小电源的输出电压,我们将万用表连接到测电压端,红黑表笔分别接到小电源的正负极,用来测量小电源的输出电压。连接到其他的地方以后也可以测试电流、电阻等。我们将红色线接到电源正极,黑色线连接到电源负极。

该万用表有专用的 IO 控制软件,将万用表连接到电脑以后,我们可以通过电脑的 IO 软件发送指令,万用表便会执行相应的操作。为了保证数据的可靠性,针对小电源的每个电压值,我都进行了五十次测量,并将测量的数据都记录下来。

测量连接示意图

数据处理

数据记录下来之后,我们需要用到 Python 来处理这些数据,运用最小二乘法对数据进行处理。最小二乘法的核心思想是通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。在这里,我们假设电源输出电压与设定电压之间存在线性关系,通过最小二乘法拟合出一条直线,来描述这种关系。经过计算,可以得到拟合直线的方程。

通过计算方差来评估电源输出电压的稳定性。方差是用来衡量一组数据离散程度的统计量,方差越小,说明数据越集中,电源输出电压越稳定。分别计算每个设定电压点下十个测量数值的方差,发现大部分电压点的方差都较小,说明该电源在不同输出电压下的稳定性表现良好。

测试结果

测试结果如下图所示:

最小二乘法拟合图 残差图

我们可以看到该小电源的线性效果还是很好的,方差也很小,说明电压输出比较稳定。右图为残差图,残差图上的点代表对应设定电压下,输出电压实际值与拟合模型预测值的差值,可以看出这些点的值都比较小,残差绝对值大多在 0.006V 以内,数值很小,表明实际值和拟合预测值偏差不大,模型对该电源电压数据的拟合精度较高。这张残差图显示模型拟合效果不错,误差随机且整体很小,能较好描述设定电压和输出电压的关系。

另外,我还对每个电压值下测量的电压输出值查看其分布规律,根据测试结果生成的数据大致都有如下图的趋势。这里由于数据过多,我就不列出来了,拿出几个图来看一下分布规律即可:

0.9V 电压分布 1.1V 电压分布

2.9V 电压分布
4.3V 电压分布

图中每个蓝色柱子代表“输出电压落在某一小区间内的测量次数密度”,且直方图与曲线贴合度较高,故可以看出,电压的波动符合正态分布规律。

结论

通过最小二乘法得到了输出电压的估算值,我们大致了解到了该小电源输出电压的大致水平;结合方差的计算结果,我们对其稳定性也有了清晰的认知。从本次测量结果来看,该小电源的输出电压效果整体表现良好,在每个电压值下都能提供接近于小电源显示电压值的输出电压;但会存在一定的波动,所以在对于电压稳定性较高要求的条件下不适用。在今后的电子项目的实验中,掌握这种评估电源输出电压效果的方法,有助于我们更好地选择合适的电源,保证项目的顺利进行。

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使用镜片搭建光路发出片光拍摄粒子

设备准备

实验所需的镜片如下所示:

型号 名称 型号 名称
D25.4×3mm(中心厚) F=-25mm 石英平凹柱面镜 D25.4mm F30mm 石英平凸透镜
50(母线方向)×100×2mm F500mm 石英平凸柱面镜 D25.4mm F35mm 石英平凸透镜
100(母线方向)×50×2mm F1000mm 石英平凸柱面镜 D25.4mm F40mm 石英平凸透镜

由于定制的平凸柱面镜尺寸较大,需定制镜架,其示意图如下图所示:

镜架示意图1 镜架示意图2

对其进行组装后,实物图如下图所示:

组装实物图

小的笼板与大的镜架之间需要用一个转接板来连接,转接板的尺寸与形状如下图所示:

转接板示意图

实验原理

光路结构图

如图所示即为光路的结构:

图中1为紫外LED光源,利用该光源发出扩散状的紫外光。 图中2和3分别为焦距为40mm和焦距为35mm的平凸透镜,且都为平面朝向光源,利用两个平凸透镜聚焦原扩散的光。 图中4为焦距30mm的平凸透镜,并且放置的方式为平面背向光源,利用该透镜将原本聚焦的光线进行发散,使其发出的光束为一接近平行的光束。 图中5为转接板,用于连接小的笼板与大的镜架。 图中6为平凹柱面镜,将平行光束向两个方向发散,形成一束椭圆形的光束。 图中7和8均为平凸柱面镜,平凸柱面镜在母线方向具有曲率,因此可以在母线方向将平行光束聚焦成为一条线,因此7、8两平凸柱面镜分别在两个母线方向上将光束聚焦,形成一束片光。

在8的后面接近比色皿的地方放置一个光学狭缝,来控制通过的光,形成片光。

最终形成的片光大约为一束长度大约10cm,宽度大约2mm的片光。

实验过程

由于光路搭建的前期,定制的镜架还没有制作好,因此先利用平行光束对比色皿里的粒子进行照射,并利用相机对其进行拍摄,但由于前期光束会将整个比色皿都照亮,而且前期对于BAM蓝粉量的把控没有做好,因此导致第一次拍摄的效果不尽人意,第一次拍摄的效果如图下图所示:

第一次拍摄效果

可以看到蓝色荧光粒子过于繁杂,整个被紫外光照亮的区域都会被拍到,因此效果并不理想。

待定制镜架到了以后,将其搭建成如原理图所示的光路,使其形成片光,用片光照射比色皿,只让片光区域的粒子发亮,并且减少BAM蓝粉的用量,拍摄的结果如下图所示:

第二次拍摄效果1 第二次拍摄效果2

可以看得出来,粒子数量明显减少,不像第一次拍摄时那么混乱,不过此次相机调试没有进行好,导致图像偏暗,后续还需对相机继续进行调试。

该光路并不完善,由于其间隔的距离较长,利用6mm光杆固定不稳定,需要在利用丝杆来固定。另外想要避免其他光源的干涉,并为了保证镜片的干净,需要在光路的外围添加一层铝发黑的铝板,用来隔绝其他光源,并可以使镜片在其他环境下依旧保持干净。

实验还需继续完善,经过此次实验,可以为后续的液体及气体实验奠定基础,为以后的经验积累经验,熟悉后续实验的操作流程,剩下的实验我会继续记录,到以后会继续和大家分享。

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