Diagnostic
刘训臣
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 |
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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。 ↩︎