科研笔记和一些想法

六月 22, 2025

腔体流量测定实验失败复盘

近期开展的几组腔体标量测定实验均以无合理结果告终。按推论，超声速射流的二氧化碳应发生相变，然数次实验混合多种浓度，始终未观测到相变现象，直至拆下设备，才发现隐蔽却致命问题——底座焊缝漏气，该被忽视细节成贯穿实验的“数据杀手” 。

一、实验过程与数据异常记录

（一）首次实验

核心目标：测定腔体在不同浓度二氧化碳下的标量数据。实验初始参数为压力 0.103896MPa、温度 26.1℃。测试数据如下：

纯空气测试：发现垫圈处存在 3.3L/min 漏气，修正后记录流动态流量 125L/min、压力 0.502MPa；
混合气体测试：CO₂浓度 10%和 50%工况下，压力稳定在 0.641MPa，但温度数据剧烈波动，由 26.1 摄氏度到 24.9 摄氏度不等，现猜测可能是底部剧烈漏气导致腔内温度变化；
最终结论：因数据离散度过高，判定实验存在异常。

第一组实验数据记录！

（二）二次实验

改进方向：更换合适垫圈并优化气路控制，杜绝不合理漏气，初始压力 0.103421MPa、温度 27.2℃。实验现象依旧反常：

纯空气阶段：流量 120L/min 数据正常，但进入混合气体测试后失控；
10% CO₂混合：空气/CO₂流量比理论 9:1，实测达 11.6:1，压力波动超±0.02MPa；
70% CO₂混合：温度压力仅记录平均值，数据失去代表性。

第二组实验数据记录！

二、隐藏缺陷的发现过程

因需更换实验，将腔体从底座拆下，拆卸全部管路前心血来潮再次实验，发现孔口气流微弱，排查气路后，确定底座焊缝存在严重漏气，基本大部分流量和压力都在此损失。

原因追溯：

结构设计盲区：焊缝位于底座隐蔽处，常规检查难以发现；
实验惯性思维：首次实验将漏气归因于垫圈问题，未对腔体整体密封性做系统性排查；
缺乏预实验检测：未在实验前单独对腔体做气密性测试，导致隐患持续影响数据质量。

三、系统性改进方案

更换新的腔体，同时修改高度尺，此前实验存在喷嘴高度过低问题，致使纹影系统需拆除底座才能拍摄出口平面，此次一并修正。

四、经验总结

这次失败深刻揭示**“隐蔽位置 = 安全盲区”的认知误区**。实验设计中，不能仅关注直观可见部件，更要对设备结构做系统性检查，避免同类问题再发生。科研路上，每个失败数据都是珍贵的“排雷记录”，正是这些教训推动实验设计不断迭代升级。

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六月 22, 2025

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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六月 17, 2025

航空燃烧室技术界的一些错误提法

前言

人们常说航空发动机是如何的难搞，像是什么皇冠上的珍珠。其实，依照笔者经验也不是那么难，搞过航空燃烧室的预先研究（至今仍未停止）、技术研发、型号研发、型号使用中排故等，深知怎么搞，即搞的路线或者说是研发体制，是关键所在。但在这一切之先，首先概念要正确，基础知识牢固，各种概念和提法要正确，这将是本文的要点。

一、燃烧室没有总压恢复系数

参考文献[1] 中有表1：涡扇发动机加力燃烧室性能提升（台架状态）如下所示。其中提到总压恢复系数，这是一个概念错误。本文将在下文讨论，提到总压恢复系数还在其他地方也出现。

$$ \sigma_\text{B} = \frac{P_{t4}}{P_{t3}} $$

燃烧室的总压恢复系数一般在0.92~0.96（不包含由燃烧导致的热租损失）。” 这里明确说明总压恢复系数是燃烧室出口总压与进口总压之比，不清楚该章节作者所说压力损失到什么程度又恢复到0.92~0.96 。参考文献[2]在3.3节《设计输入》之下的 3）性能参数要求中第（1）项就是$\sigma_B$：总压恢复系数。

笔者曾与某设计所燃烧副总师讨论问题时，该副总师提到他们总压恢复系数是多少。笔者当场严肃指出这是一个基本概念错误。总的来说，总压恢复系数这个错误概念扩展甚广。

以下说明为什么这是基本概念错误：机械能与热能的转换是热力学第二定律范围内的事情。热力学第二定律有多种表达方式，简单地说，由机械能向热能转换是可以自发地产生，没什么条件；但由热能向机械能转换是有条件的，而且不可能百分之百地转换。也就是由机械能向热能转换了之后，不可能自然地逆转回来。总压是压力与动压头相加，是机械能。总压损失了是转变为热能，那时不可能自然地恢复回来的，所以没有恢复的提法。

更为深入的说明为总压损失是一个熵增过程。熵增过程都是不可逆的，那么要说明什么是熵？熵是状态或然率的函数，用一个例子可以说明这状态或然率的函数是什么含义。有一容器，左、右两部分，中间有一隔板密封地隔开。左边是氮气（N2），右边是氧气（O2）。如果中间的隔板打破掉了，容器内必然是氮气与氧气混合，试想一下中间隔板打破后氮气仍然集中在左边，氧气仍然集中在右边，这样一种状态其出现的或然率有多少？显然为零。而相互混合的状态是或然率最大的状态。所以由相互各自集中一边的状态到相互混合的状态是熵增大的过程。这也清楚地说明熵增后不可能自然出现熵减的过程。

有人一定会问，这是一个基本概念，有那么重要吗？笔者与 A. H. Lefebvre 讨论如何搞发动机燃烧室，两人都赞同以下观点：“搞航空燃烧室是以基础知识来解决燃烧室的各种问题。” 要强调这里是基础知识，而不是基础研究。首先必须具有良好的基础知识，然后要有以基础知识去解决各种问题的能力（和经验）。 Lefebvre曾批评某发动机公司搞燃烧的人基础知识太差，他的原话是：“ As for combustion fundamental, they know nothing.” （说一无所知，有点夸大了。）要具备良好基础知识，必须先重视基础知识，重视基本概念。说“总压恢复系数”的人就是不重视基础知识。

二、有贫油燃烧，但没有贫油喷嘴

参考文献[3]研究了（以其标题而言）“贫油直喷喷嘴”。这个提法错了。喷嘴在一定压力降下喷出燃油，只有在燃烧室某个工况下与进燃烧区的空气量相组合燃烧时才有贫油燃烧、富油燃烧或化学恰当比燃烧。喷嘴本身不存在贫油喷嘴或富油喷嘴。按照该文的内容应该是《用于贫油直喷燃烧的喷嘴雾化特性实验研究》。

顺便提一下，贫油直喷燃烧是三十年前路易斯（Lewis）研究中心工程师提出的，没有什么设计方案和设计理念的一个建议，以取代贫油预混预蒸发的低污染燃烧（Lean Premixed Prevaporized, LPP）。其实在低污染燃烧室之前的除了蒸发管燃烧室之外，全部都是没有预混合的燃油直喷，要取代LPP的应该是贫油直接混合燃烧（LDM, Lean Direct Mixing）。

同时也需要指出，通常讲喷雾特性，不单是液滴滴径（索特平均直径），还有液滴尺寸分布指数（显示其尺寸分布的均匀性）。

三、没有中心分级燃烧室

参考文献[4] “针对中心主、副模分区的燃烧室头部组织结构的单管燃烧室模型进行数值模拟研究”。该文的研究得出高温升燃烧室在设计研发上很有意义的结果，证实了过去在实验中得到的现象。但其标题中提出的“中心分级燃烧室”是不对的。在贫油预混预蒸发低污染燃烧室出现之前，几乎所有的常规燃烧室都是先由副油喷射工作，然后主油打开工作，这种方式从来不叫分级燃烧。只在LPP燃烧室中出现主油分级，即主油不是一次全部打开，而是分级打开的。参考文献[4] 所研究的就是先由副油工作然后主油打开工作，这种方式不应称之为分级燃烧室。正确的提法应该是“以同心圆排列的副油主油分区燃烧，副油燃烧位于中心，主油燃烧位于外圈。” 这样的分区燃烧是近二十年来燃气轮机燃烧室（不仅是航空燃烧室）技术的一大进展。

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六月 16, 2025

在hugo网页中实现latex显示

又一次靠DeepSeek的帮忙，最近搞定了如何在我们这个网站中显示latex 公式的问题。how nice !

$$ \int_0^1 \frac{xdy}{\sqrt{1-x^2y^2}} = \arcsin(x), \text{for} |x|<1

\left| A \right|

用 hugo 编译 markdown 文件的方式产生网页的方法主要参考官方的这个说明文件： Mathematics_in_Markdown 。但一直不能正常显示。最近用DeepSeek 找了几个方法试验，终于不经意间解决了问题。

需要3个步骤：

修改设置文件 /config.toml

[markup.goldmark.renderer]
unsafe = true  # 允许原始HTML
xHTML = true

[markup]
[markup.goldmark]
  [markup.goldmark.parser]
    attribute = true
    autoHeadingID = true
[params]
math = true

配置模板 /layouts/_default/baseof.html ，需要包含下面内容

  {{ if .Param "math" }}
  {{ partial "math.html" . }}
{{ end }}

添加 mathjax /layouts/partials/math.html 。注意，这里和官方说明文件不一样，主要是DeepSeek 给出建议改这个文件，发现如果延迟初始化Mathjax的执行就好了。发现是需要保证Mathjax 正确的初始化。

<script>
// 添加初始化检查
if (!window.MathJax) {
  window.MathJax = {
    tex: {
      inlineMath: [['$', '$'], ['\\(', '\\)']],
      displayMath: [['$$', '$$'], ['\\[', '\\]']],
      processEscapes: true
    },
    svg: {
      fontCache: 'global'
    },
    startup: {
      ready: () => {
        MathJax.startup.defaultReady();
        console.log("MathJax is fully initialized");
      }
    }
  };
  
  // 创建并加载 MathJax 脚本
  const script = document.createElement('script');
script.src = 'https://cdn.bootcss.com/mathjax/3.0.5/es5/tex-mml-chtml.js';
//script.src = 'https://cdn.jsdelivr.net/npm/mathjax@3/es5/tex-svg.js';
// 或
// script.src = 'https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/mathjax/3.2.0/es5/tex-svg.js';
  script.async = true;
  script.id = 'MathJax-script';
  document.head.appendChild(script);
}
</script>

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五月 12, 2025

使用 LabVIEW 实现AFG-C9000系列气体质量流量计瞬时流量的读取和储存

流量计瞬时流量的读取和储存

以AFG-C9000系列气体质量流量计为例, LabView VI code: 485读数

原计划采用4-20mA模拟量采集方式，通过计算机端进行流量数据的读取。然而，该方法所使用的自带软件仅能直接读取并显示电流值的波形图，且存储的数据同样为电流值（如下图），需在实验完成后通过特定公式进行换算，以转换为实际的流量值。

由于4-20mA信号无法直接实现流量的实时查看，为确保瞬时流量的精准读取与可靠存储，拟采用LabVIEW开发基于RS-485通讯协议的程序。通过该程序，利用RS-485通讯实时读取瞬时流量数据，并按照预设格式进行本地存储，以保证数据的完整性、准确性。

首先，优先检索Excel表格是否存在。使用条件判断结构，若指定路径下不存在目标文件，则根据预设的文件命名规则和表头结构，在对应路径下自动创建新的Excel文件，保证文件真实存在，以实现数据的存储。为便于后续数据检索与管理，文件名将以当前时间的年月日格式命名，确保文件名唯一且易于识别。

依据流量计的通讯协议，通过发送十六位功能码实现瞬时流量的精准读取。为确保数据采集的稳定性和可控性，程序中增加延时，可以设置灵活的读数间隔时间。例如，设置间隔时间为1000毫秒时，每隔一秒读取一次流量数据；设置间隔时间为100毫秒时，每秒读取十次流量数据，以满足不同应用场景下的数据采集频率需求。

在运行程序并成功发送功能码后，流量计将返回一组数据（如下图），在返回的数据中，返回的第7-10位，为返回流量数值。

以图中数据为例，返回的十六进制数值00E5通过转换计算（14×16+5）得到十进制流量值为229。该数值存在放大倍数，为10，故实际流量为22.9L/min。

为便于实时监测与分析，将计算所得的流量数据以数值形式显示于前面板，同时绘制动态波形图表，以直观展现流量的具体数值及其变化趋势。

前面板的设计效果如图所示。为确保操作的直观性和功能的可靠性，界面布局经过优化，以清晰呈现流量数据、波形图表及其他关键信息。

最后将采集的流量数据及其对应的时间同步存储至程序初始化时创建的Excel文件中。

程序运行结果如下图，经观察比对，计算机端的读数与流量计读数相吻合，验证了数据采集与处理的准确性和可靠性。

欢迎大家讨论，指正。

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五月 9, 2025

连云港实验第一次

实验概述

本次实验主要测试新设计的炉体水冷结构方案的可行性。实验结果表明，水冷系统能有效保护炉体，承受燃烧温度。

水冷结构测试

冷却水温上升不明显，最高温度低于40℃。
停止燃烧后炉面温度较低，验证了水冷结构的有效性。

流量记录

实验中的流量数据记录如下：
{width=“5.26in” height=“4.92in”}

问题发现与改进

问题描述

气体从气管进入炉体时，因缺乏静压室结构，导致出气不均匀。以下是氢气流量为50和200时的火焰照片：
{width=“2.7in” height=“2.16in”} {width=“2.7in” height=“2.16in”}

改进方案

增加静压室结构，通过挡板和孔板使气体均匀分布：

改进后气体流速分布均匀性显著提升：
{width=“4.93in” height=“2.49in”}

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五月 9, 2025

使用 LabVIEW 实现对CC-M3H040-NN14伺服电机的控制

使用 LabVIEW 实现对伺服电机的控制

本次要控制的伺服驱动器的型号是：CC-D3P040A2-A；伺服电机是：CC-M3H040-NN14。

伺服电机图片

labview control to read motor position

labview control to read/move

1. 控制器地址设置

地址设置图示
在需要使用多个控制器的情况下，需要设置好控制器的地址，用以在发送控制码的情况下区分不同的控制器。控制器的地址位发生改变相应的代码上的地址位也要改变，那么代码最后的校验码也要重新进行计算。

例如 01 即为地址位；最后两位为校验码。

2. 使能控制与通讯模式设置

在单独使用 LabVIEW 控制不开启上位机软件的情况下，要在发送距离、速度、启动和启动复位代码前发送使能开的代码，或者其他用于控制通讯模式的代码。例如本次所控制的驱动，不仅要使能开，且要额外增加两个代码，让其控制模式从 I/O 变为通讯模式：

通讯模式设置代码
写入两个代码让其都变为通讯模式（使用 485 控制是通讯模式）。

3. 电子齿轮比设置

电子齿轮比参数设置
要开始设置电机的移动量，在此之前要知道电机的电子齿轮比为多少。例如在这个电机的默认齿轮比下，我发送 1000 个脉冲它只能旋转 0.1 圈，因此想要让其在一次动作下旋转一圈，就要发送 10000 个脉冲或者改变它的齿轮比。

上图即为需要改变的参数的图片，例如我输入是 1000 个脉冲，但我想让其旋转 1/5 圈，但是在现在齿轮比下只能旋转 1/10 圈；现在齿轮比分母为 2500，则我要将其改变为 1250。

4. 转速设置

设置好转速。

5. 启动与复位设置

在设置启动，需要多次连续启动的情况下，同时也要设置启动复位，确保连续启动的顺利。

6. 多段代码写入延时

延时设置图示
另一个问题是在 LabVIEW 写入时写入多段代码时，使用多个写入 VISA 中间要加入延时的程序（试过顺序结构写入但是感觉还是会崩溃），确保写入的代码不会混乱。

7. 多电机控制方式

要控制多个电机时可以有多种方式进行选择，首先最简单的你想要实时读取两个电机的参数可以使用轮询的方式，将两个电机的 485 通讯线的 AB 口分别接到一起（这种方式在别的控制方式选择下依然是较好的方式，因为可以不用反复选择不同的 COM 口，且在设置好不同的地址位的情况下，并不会相互影响），选择一个条件结构，将其的条件设置好，分别发送两个对应不同电机的问询码，控制器读到与自己相对应的码时会反馈，这样两个控制器便会轮流反馈其的位置。

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五月 8, 2025

利用OpenCV初步实现张正友标定法对棋盘格进行标定并校正图片

进行张正友标定法需要拍摄照片，既然说到拍摄，那就离不开相机。在计算机视觉和机器人领域中，我们需要将现实世界的三维物体“翻译”成相机捕获的二维图像。相机坐标系是这个过程中的核心桥梁，它帮助我们建立起“三维空间”与”二维像素“之间的数学映射关系。首先为大家介绍一下相机模型中的四个坐标系，分别是：像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系和世界坐标系。

像素坐标系

如图1所示，像素坐标系u-v的原点为O₀，横坐标u和纵坐标v分别是图像所在的行和列，在视觉处理库OpenCV中，u对应x，v对应y。

图像坐标系

如图1所示，像素坐标系x-y的原点为O₁，为像素坐标系的中点。

图像坐标系与像素坐标系关系图

从上图可知，O₁在u-v坐标系下的坐标，假设d_x和d_y分别表示每个像素在横轴x和纵轴y的物理尺寸，单位为毫米/像素，O₁在图像坐标系和在像素坐标系的坐标的关系是：

$$ u = \frac{x}{d_x} + u_0 $$$$ v = \frac{y}{d_y} + v_0 $$

利用线性代数的知识把方程用矩阵表示出来：

$$ \left[ \begin{array}{c} u \\ v \\ 1 \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{ccc} \frac{1}{d_x} & 0 & u_0 \\ 0 & \frac{1}{d_y} & v_0 \\ 0 & 0 & 1 \end{array} \right] \left[ \begin{array}{c} x \\ y \\ 1 \end{array} \right] $$

相机坐标系

相机坐标系与图像坐标系的关系如下图：

相机坐标系与图像坐标系关系图

通过三角形相似我们可知：

$$ \frac{AB}{c\mathrm{O}} = \frac{X_c}{x}, \quad \frac{AO_c}{c\mathrm{O}_c} = \frac{Z_c}{f}, \quad \frac{PB}{c\mathrm{O}} = \frac{Y_c}{y} $$

将上述式子与图像坐标系的两个式子联立可得：

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四月 22, 2025

Laval Nozzle experiment

大家好！最近这段时间，我全身心投入到一项纹影实验中。过程跌宕起伏，充满挑战，但也收获颇丰。今天就想和大家分享这段难忘的实验历程。

3月20日，我迎来了首次实验。本怀着满满的期待，却遭遇了“当头一棒”。反复调试纹影设备后，始终无法捕捉到任何气流特征图像。无奈之下，我立刻与老师沟通，经过一番深入分析，初步怀疑是喷嘴出口与纹影视场距离过远，导致气体结构无法完整呈现。本计划通过抬高喷嘴来解决问题，可检查时发现伺服电机尚未接电，只能将希望寄托于次日。

3月21日，伺服电机完成接电，我第一时间抬高喷嘴，可结果依旧不尽人意，纹影画面中仍然看不到气流结构。仔细观察后发现，即便电机升至最高位置，喷嘴出口面与视场之间仍存在较大高度差。面对这一难题，我只能继续思考新的解决方案。

3月22日下午，我决定对试验台进行全面调整，将电机层整体抬高，希望借此让喷嘴出口完全进入视场。经过一下午的忙碌，终于完成了调整，视场中也顺利出现了喷嘴出口面。随后，我开启空压机接入高压气，然而，还是没能观测到气体特征。不过，在开阀瞬间，视场中闪过一道黑影，由于缺乏足够线索，暂时无法确定其成因。老师针对这一情况，提出了两种可能：一是视场范围过小，难以清晰捕捉气流全貌；二是气体流量不足，尚未形成明显的激波结构。受限于现有条件，实验不得不暂时中断。

为了解决视场问题，3月23日，我定制了孔径更小的喷嘴，期望以此确保气流边界能够完整呈现在视场中。当天下午，我还安装了流量计进行流量测定，结果显示实际流量远超100L/Min的量程，这意味着流量并非实验失败的原因，问题大概率出在视场方面。由于新喷嘴需要一定制作时间，实验只能继续推迟。

3月24日，因等待新喷嘴制作，实验没有实质性进展。

3月25日中午，我拿到了1mm和2mm孔径的新喷嘴。下午安装完毕后，我开始核查流量，却又遇到了新问题：实际测定流量与计算流量存在较大偏差，除1mm喷嘴外，其余喷嘴均无法正常测量流量，只能先搁置这一问题。当晚，我使用1mm喷嘴再次进行实验，终于成功拍摄到了第一张气体结构的纹影照片！

第一张气体结构的纹影照片！

那一刻，内心的喜悦与成就感难以言表。有了前一天的经验，3月26日，我换上2mm孔径的喷嘴继续实验。这次获得的气体结构图像更加清晰，与理论预期基本吻合，实验终于步入正轨。\

更加清晰的激波图片

3月27日，我更换了视场更大的新相机，对1mm喷嘴射流重新进行纹影拍摄，又取得了新的实验成果。

更大视场的图片，可以看到6个马赫环

到了3月28日，纹影实验暂时告一段落。接下来，我计划对试验台进行调整，搭建与纹影系统垂直的TDLAS光路，进一步深入研究。目前，流量测定值与计算值偏差较大的问题仍未解决，我也在不断思考优化方案。此外，后续实验还打算加装腔体，开展空气和二氧化碳混合喷射实验。我会继续记录实验进展，到时候再和大家分享新的发现与挑战！

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三月 23, 2025

甲醛的光谱和PLIF测温

在燃烧诊断中，平面激光诱导荧光（planner LIF）是常用的对火焰成像的方法，常用的三种双原子自由基是 OH、NO、CH，例如经典的羟基双色PLIF测温方法就是在283nm波段测 Q1(14)和Q1(5)跃迁对应的LIF信号的强度比值的来计算OH在这两个态的布局数比值来测温[1]。

当然，定量计算用的数据，都是在经典的LIFbase 软件中包含了的这三个分子的激发态跃迁速率数据，用软件可以用来定量预测计算LIF光谱和算温度。这些基础的工作都是Crosley等大神在1980-1990年代做的[2][3]，那个时候算是原子分子物理的黄金时代吧。甚至更早，二战之后那段时间，是分子光谱发展的黄金年代，把战时大量做的雷达里面的微波源拿出来就可以测微波光谱，不同的分子，不同的波段，一个一个测过去。

燃烧流体中为何要对这些自由基成像，而不是测稳定的N2和O2这些分子呢？原因是这些稳定分子的HOMO－LUMO能级差比较大，电子跃迁都在真空紫外波段，要在地球大气层中实际应用，就没办法了。所以一般用红外吸收光谱的方法来测水、二氧化碳这些有偶极的稳定分子，毕竟体积分数大多了。

NdYAG激光的三倍频在355nm，可以直接测到甲醛分子的荧光信号，所以研究甲醛的LIF光谱，也很有实际应用的意义。

甲醛分子的光谱研究的比较多了，是最早被研究的多原子分子。甲醛只有C、O两个重原子，加上两个氢原子，在基态，这四个原子核是平面的。由于原子数多，甲醛的光谱就比较复杂，不像双原子那样，只需要考虑一个转动常数B，而要考虑A B C 三个转动常数。1983年 Dennis Clouthier 和 Ramsay 在Annual Review of Physical Chemistry 上的综述[4]，分子的基态和激发态的光谱参数基本都有了，可以用来对甲醛分子在355nm 处激发态的吸收光谱做仿真。

absorption

355nm 这个吸收带对应的是355nm这里的4^1_0 弯曲振动模式。有趣的是，这个吸收带的高分辨率光谱的工作还没发表过。 Clouthier综述中提到数据来自 Ramsay 和 Till 未发表的工作，后人似乎一直也就这么用了。再往前，范德堡大学的Innes，我们Alberta大学的Birss 都提到最早是UCL的 Parkin 的博士论文中提到过这个band。南方科大的杨东老师去上海交大交流时候，当时杨老师还在UCL，问他去复印的Parkin的博士论文。感谢杨老师帮忙找到的论文！但看了半天好像也没具体到这个band，似乎是因为太弱了吧。可能也是因为和别的振动模式有耦合干扰。

把杨老师复印的Parkin 的博士论文作为附件上传在这里吧，的确不好找。

Download file

Anyway，就用Couthier 论文中的参数来仿真这个吸收带，似乎也还不错。找到了哈佛大学2005年的一篇文章[5]，里面有转动能级分辨的吸收光谱，和仿真对比，效果还不错。整体上对应的很好的，但要用的355nm就是在28183cm-1这里，正好有微扰，吸收峰对不上。所以仿真的光谱和实验测到的光谱不能完全一致，但是可以定量的对应上是没问题的。

absorption-simulation

实验中制备高温的甲醛还是比较难的。甲醛在高温时候会聚合反应。需要一边加热一边进料。好在，只测温的话对浓度的控制要求不高。我们直接在coflow 扩散火焰里面测火焰燃烧中产生的甲醛。层流火焰很稳定，我们可以一个点一个点扫描激光波长，拍PLIF信号，得到每个点上的LIF光谱。结合层流火焰里面每个点的温度，就知道了不同温度下的甲醛LIF光谱。这里，特别要感谢金汉峰博士，帮忙找人做的仿真计算，算了3个不同的火焰。未来可以都测测，实验和仿真对照一下。

甲醛双色PLIF测量，借鉴了用OPO的单激光单相机的串脉冲激光双色PLIF方法，也是很新的方法。很好用，发出一对不同波长的激光对，不用管时间和空间上的波动了。用355nm 三倍频直接测，激光能量大，很方便。这个方法很有发展前途，266nm 四倍频可以测到OH、NO，未来应该可以取代染料激光、OPO这些复杂的步骤，在实验台测量上很有用。最近在工程热物理学报发表了一篇论文，详细讲了这个方法。

2024 - 单激光单相机双色PLIF测量火焰温度场

[1]: KOSTKA S, ROY S, LAKUSTA P J, 等. Comparison of line-peak and line-scanning excitation in two-color laser-induced-fluorescence thermometry of OH[J/OL]. Applied Optics, 2009, 48(32): 6332. DOI:10.1364/AO.48.006332.

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