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科研笔记和一些想法

三月 22, 2025

激光燃烧诊断是应用研究

光谱学本身和火焰研究关系很密切。 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

笔者的博士导师是研究分子光谱,纯理论研究。 但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。 笔者现在又来研究激光燃烧诊断算是重新回到了应用研究上来。

一些个人观点: 燃烧诊断主要是成像和光谱在燃烧中的应用。 研究的任务,需要理解为何要做实验和发展燃烧诊断方法,需要用激光诊断方法解决什么问题,可以参考 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。 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本身的规律和在燃烧室中的工程应用。

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。

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三月 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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二月 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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十一月 8, 2024

TDLAS的空间分辨率问题

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

是用前几年做的一个4172nm QCL测CO2的方法在腔体里面测固体颗粒燃烧的信号。

实验装置图

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。 这样应用起来就不够直接,不是一种普遍可用的方法。

典型数据结果

从典型的实验结果来看,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。

典型的科研中的路径依赖。

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 方法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,测量的一条路径上,需要考虑分布不均匀的问题。

所以空间分辨率是个大问题。

方法一、tomographic 最好还是用综横多路再反演的方法得到空间分辨率。但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。

方法二、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。这样就可以得到比较高的空间分辨率。但成本的确也高。高速红外相机很贵。 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。

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十月 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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十月 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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闫伟杰.基于光谱分析和图像处理的火焰温度及辐射特性检测.2014.华中科技大学,PhD dissertation.

by [张家艺]/xliu-group/zh/people/zhangjiayi/

光谱法火焰温度和黑度测量方法总结

一、火焰光谱数据采集

1.采集对象与范围:利用光谱仪通过多个观测孔采集可见光波段的火焰光谱辐射强度分布。

2.关键特征识别:光谱中会出现碱金属的特征谱线,可初步判断火焰温度,判断依据就是不同种类的碱金属在燃烧时对应的特征谱线惠子啊不同的温度下消失。

3.数据特性说明:采集到的是视线方向上的辐射累积值,后续计算得到的温度、黑度均为视线路径上的平均值。

二、双色法火焰灰性波段判断

1.波长间隔选取:

波长间隔的选取需要遵循两点原则:首先,波长间隔应尽可能小,间隔越小,相邻两个波长下的黑度差异就越小,以此保障火焰灰性假设的成立;其次,波长间隔也不能过小,否则会受限于光谱仪输出光谱的波长分辨率。

2.火焰温度与黑度的分步计算

首先是基于双色法的初步计算:利用相邻波长的光谱辐射强度比值,结合普朗克定律初步计算目标波段内火焰的温度和黑度随波长的分布。紧接着进行温度修正与平均温度计算。去除碱金属特征谱线处波动剧烈的温度值,计算计算波段内的平均温度(同一火焰对象的温度与波长无关,仅存在一个恒定温度)。将平均温度代入辐射强度与黑度的关系式,重新计算火焰黑度随波长的分布,消除温度波动对黑度的影响。最后进行灰性验证与结果确认灰性判断标准:根据式$\sigma_T = \dfrac{ \sqrt{ \dfrac{1}{m-1} \sum_{i=1}^{m} (T_i - T_a)^2 } }{ T_a }$,通过计算波段内温度、黑度的相对均方误差验证灰性。

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