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Diagnostic

Mon, 30 Jun 2025 01:26:06 +0800

激光燃烧诊断技术通过测量激光与燃烧场中物质的吸收、发射、散射相互作用，可以得到原位定量的火焰温度、组分浓度和流场密度、压力、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。常见的激光与燃烧场介质相互作用包括激光吸收光谱（红外波段TDLAS）、自发光、平面激光诱导荧光（PLIF）、米散射（PIV）、瑞利散射（Rayleigh）、拉曼散射（Raman）、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。采用激光的测量方法具有极高的空间、时间和光子频率的精度。通过在不同波段扫描激光波长得到光谱，激光测量的能量精度，可以精确测量物质的能级结构。激光的相干性，使其可以在空间上精确控制。而在时间上，纳秒、皮秒、飞秒、甚至阿秒激光脉冲可以用于测量湍流、激波、分子内部原子核与电子的运动。

“一代激光器,一代测试方法”。

近年来，使用超短脉冲激光、高频脉冲串激光、高功率光纤激光等先进激光的新一代燃烧流场测试技术迅速发展，其特点为高重复频率、高脉冲能量、高可靠性。先进燃烧诊断方法逐渐从实验室基础研究方法，发展为可以用于复杂恶劣环境的发动机实验台实用测试工具，成为世界各航天强国工程应用的主要方法和关注热点。

光测诊断方法的优点是对火焰无干扰¹。火焰中的分子或者颗粒作为“探针”，通过考察分子和光（通常是激光）的相互作用，获得难以测量的流体（特别是反应流体）的温度、压力、速度、浓度等信息。用非接触方法测量反应流体，不会影响要测的流体，也不会烧坏探针。

从激光与物质的相互作用区分，可以分为吸收（TDLAS）、吸收发射(LIF)、散射(Rayleigh Raman)三大类。更多简介，请看笔者写的一个光谱诊断方法的简介文件。光谱诊断方法简介

从测量方法分，光测方法主要分为两类：

一、测光谱。这里包括吸收光谱、荧光、散射等光谱。光谱方法的优点是得到分子本身的信息多，可以得到定量的信息。二、成像拍照。包括PIV PLIF Rayleigh Raman等成像。成像方法可以提供较高的空间分辨率，采用恰当的数据处理方法，目标是直接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).

从测量得到的信息区分：

	温度	浓度	速度
点	CARS		LDA
线	TDLAS	TDLAS	TDLAS（Doppler）
面	PLIF/Rayleigh（分布）	PLIF（分布）	Rayleigh PIV

激光能量相对于火焰不是太大，但在LII中有激光能量加热soot的问题。 ↩︎

PIV

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

PIV是最常用的实验流体力学测试方法。笔者早年刚刚做激光测量时，参加 Gordon 会议，咨询普度大学的 Lucht 作为课题组如何开始激光诊断方面的研究。Lucht 想也没想就告诉我，做 PIV。

我想原因有两点：

一、PIV 好做，一个532nm激光器，一个相机双曝光就可以做起来了。当然这时第二帧曝光时间太长，拍火焰还是不行。但是PIV很好拍，总会拍到图像；算法很成熟，有了图像，总会算出速度场。就有了很好的实验结果。

二、PIV 应用广泛，可以得到速度场。2D2C 二维图像很直观，也可以复杂一点2D3C 3D3C 图像。速度场就是流体力学研究的对象，很有用。所以PIV方面有现成的系统卖，比如 DaVis Dantec TSI MicroVec 等等。

我们在PIV方面的工作主要还是用高频串脉冲激光器，做高频变化环境中的测量。

软件，我们自己编写的软件可以进行光流法计算流场、AI计算流场、DMD分解等功能。

TDLAS

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

吸收光谱是比较简单直接的测量方法，在燃烧诊断中常用的是用半导体激光的TDLAS。

TDLAS基本知识

吸收光谱简介 TDLAS中用到的模型和定量关系。爱因斯坦系数，HITRAN数据库中线强单位，双色测温原理等。

HITRAN数据库用法介绍一个比官方hapi简化的voigt线形、光谱仿真程序。包含了图形界面。

反应流体光谱仿真程序包含 cantera 和 HITRAN 仿真的反应流体仿真程序。版本更新1 版本更新2

空间分辨率问题

空间分辨率问题从两个不大成功的TDLAS实验说起，讨论了TDLAS方法用于燃烧测量的空间分辨率问题。

最近，读文献中也发现了这个问题。比较成功的例子是在火焰中测高温的CO2吸收峰，我们用这种很简单的方法在扩散火焰和旋流预混火焰中都测的很好。因为只有火焰中才有高温的CO2，没有背景。

只有火焰燃烧才产生N2O，用N2O的吸收光谱去测火焰，这也没有问题，但是不能加腔体。或者因为压力环境的要求，要加腔体，那就要吹扫。但吹扫就要避免对气体火焰有影响。

燃烧器

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

我们的研究对象是各种燃烧器。包括：

平面燃烧器 2025年氢氧火头 2026年氢氧火头

我们制作的平面燃烧器有良好的空间均匀性和时间稳定性。可以用于各种激光诊断方法的标定。可以烧氢氧火焰，温度达到3000K。

横向射流燃烧器

对冲火焰燃烧器

文献讨论

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

横向射流火焰熄火压力的影响

2026年3月