摘 要: 利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术,通过选择适合的OH自由基激励线,定量测量了甲烷-空气燃烧火焰的二维温度场分布。给出炉面中心上方火焰温度随离炉面高度的变化和距炉面12 mm高处沿炉面水平方向变化的实验测量结果并进行了讨论与分析。与利用相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)技术进行测温的实验结果相比,该测量的相对不确定度优于5%。
温度是燃烧物理学中的一个重要参量,因此对测温技术的研究至关重要。一些常规的测温方法,如接触法(热电偶)及一些非接触法(红外热辐射吸收法)测温,或由于测量时探头需要置于燃烧场中对燃烧本身带来干扰,引起测量的不精确,或由于测量的空间和时间分辨率差,影响测量精度。平面激光诱导荧光技术(planarlaser induced fluorescence,PLIF)作为一种非接触的激光燃烧诊断技术,除可以用来检测燃烧场中一些重要的燃烧成为( OH,O2,NO,CH及CO等)在燃烧过程中的二维组分分布外,还可以定量测量燃烧火焰温度场分布。该技术对燃烧过程无干扰,可以进行精确测量,而且时空分辨率高(时间分辨率纳秒,空间分辨率微米量级),二维测量,具有可视性,形象直观。因此近年来PLIF技术成为激光燃烧诊断技术的研究热点[1~4]。OH基作为一种重要的燃烧中间产物,参与燃烧过程中的众多化学反应,而且其几乎存在于所有的燃烧火焰中,随着温度的升高其粒子数急剧增加,因此,选择OH基作为PLIF测温的对象,无需注入特定的测量粒子,对测量非常有利。
1 实验原理
激光诱导荧光的过程如图1所示。测量时,调整激光光束的输出频率,使之和待测分子的某一电子基态与激发态之间的跃迁频率相同。当激光通过燃烧火焰时,共振吸收使得待测分子从某一电子基态i激励到某电子激发态i*。由于激发态所处的能级非常高,因此,在共振吸收之前,处于该态的分子数几乎为零,共振吸收中激发态i*的分子总数正比于i态的分子密度NI。态i*的分子经历以下过程:首先,上能态的分子由于碰撞转移到附近的转动态和振动态(碰撞转移速率以Q表示);其次,被激光泵浦到上能态的分子及由于碰撞转移而增加的附近上能态的分子发出荧光信号,荧光散发速率以F表示。这里F只与激发态分子的自然特性有关,而Q与压强,分子密度,气体组分,温度等燃烧环境有关。
激光能量远小于饱和能量时,荧光的强度S可表示为
式中:η为包括光路和探测器的总收集效率;na为探测分子的分子密度;f(T)为吸收分子激光耦合基态密度与探测分子总密度的百分比,在热平衡条件下,它服从玻尔兹曼分布定律;比率F/(F+Q)为荧光的产生效率(通常用表示);BI为激光的泵浦效率,其中B表示爱因斯坦吸收系数,I表示激光的功率密度;g(νL.νa)表示激光谱线线形gL和由于碰撞、多普勒频移及时间展宽等原因引起的吸收线线形ga的叠加系数,它的定义为
式中:νL表示激光器的中心频率;νa表示测量分子共振跃迁线的中心频率。
PLIF技术测温原理如图2所示:由于气体中当分子的转动能级处于热平衡状态时,分子在量子态i的分子数密度ni服从玻尔兹曼分布,ni=na(2j+1)exp(-Ei/kT),这里k是玻尔兹曼常数,j代表总角动量,Ei代表量子态i的能量。选择两个不同的激光共振频率激励态1和态2,测出相应激发态的荧光信号S1和S2,因此测得的比率R与温度T满足
式中:参量C可以通过理论计算出来,但更多的是把它作为一个标定常数看待,以消除系统误差;Δε12表示两个吸收基态的能量差。
由公式(3),我们可以得出温度T为
测量灵敏度可以表示为
公式(5)的推导可以由公式(3)求导得出。
通过公式(5)可知测温灵敏度主要由|Δε12|/kT这一项决定,通常把它定义为灵敏度斜率。随着灵敏度斜率增大,在比率R的误差相同时,得出的温度误差降低。对于具体燃烧场测量,提高测温的灵敏度意味着提高|Δε12|值,即在选择激励线时,增大两个基态之间的能量差。但是,能量差增大,意味着我们必须增大Δj,即要把其中的一条激励线选择在j值较高的状态,而根据玻尔兹曼分布规律,j值过高的态其分子数密度很小,因此荧光信号减弱,又会增加R的误差,影响测量精度。因此,在温度测量中,选择合适的激励线是非常重要的。一般情况下,应使|Δε12|/kT这一项在温度最高处其值接近1比较合适。
2 实验装置
PLIF技术的实验装置图3所示。该实验系统可以分为四部分:激励部分、光路部分、数据采集部分和同步系统。图中,L为凸透镜,A为狭缝,F为滤波片,CL为柱面透镜,EM为:能量计。
激光器由三部分组成:Nd∶YAG激光器、OPO/OPA激光器和紫外倍频设备,其紫外波长的调谐范围为F225~355 nm,线宽小于0.3 cm-1。光路部分中利用一空间滤波/扩束器来提高激光光束的质量和改变光斑的大小,然后经过一组柱面透镜(长焦柱面透镜和短焦柱面透镜共焦安置)聚焦后,把激光束横截面压窄,形成激光片(laser sheet)。由于激光经过燃烧火焰时,激光光束与燃烧产物相互作用,除产生荧光信号外,还产生拉曼散射、瑞利散射和米散射等散射光,用带通滤波片把其它干扰光滤掉,只保留荧光信号,经光学透镜把荧光成像到像增强器ICCD上。实验的数据记录及处理系统主要由专用分幅相机完成,包括紫外镜头、ICCD、计算机及专用软件。该系统1 s最多可以拍摄30幅图像,该相机在获取图像信息时可以采用门控开关的形式,最小开门时间可定义为3 ns,实验中设定100 ns,利用门控形式可以大大降低杂散光的干扰,提高测量精度。同步系统主要通过数字信号发生器实现燃烧、激光及相机的同步。同步系统以OPO/OPA激光器的同步输出信号为主触发源,驱动DG535,再由DG535输出的TTL信号触发相机,以保证在“开”门的时间内获取荧光信号。
3 结果及讨论
我们以甲烷-空气火焰作为研究对象,测量其二维温度场分布。实验中甲烷、空气的流量为1.5 L/min,15L/min,化学平衡比为1。激光片的截面尺寸为8 mm×0.5 mm。其下沿距燃烧炉面5 mm,相机的横向拍摄尺寸约24 mm,拍摄范围包括燃烧面中心位置至燃烧面边缘24 mm处。根据公式(5),选择不同的激励线对实验测量精度有非常大的影响,实验中我们选择OH基A2∑+←X2Π(1,0)跃迁的Q2(11)及P1(7)激励线进行温度测量,因为该对激励线的下能态能量差|Δε12|/k=2 046 K[7],与燃烧炉的最高温度相比,非常接近,可以获得较高的信噪比。另外,这两条激励线的激励波长也非常接近,分别为35 068.44 cm-1(Q2(11))和35 076.86cm-1(P1(7)),两条波长接近的激励线可以把由调谐激光波长引起的光束质量和能量变化所带来的误差降至最低。
图4中左图为积累100次时OH的荧光图像,因甲烷-空气火焰在稳定燃烧时,在距燃烧炉面5~13 mm的范围内,其OH浓度和温度变化梯度不是特别大,因此从图中可以看出OH的荧光图像非常均匀;右图为根据前面到的PLIF测温原理,计算得出的燃烧火焰二维温度场分布,为了验证测温的不确定度,我们与相同条件下利用CARS技术进行点测温的结果进行了对比。CARS技术为相干测量,脉冲平均时,利用CARS进行点测温的相对不确定度约2%。
图5(a)图是炉面中心处火焰温度4随离炉面高度的变化曲线,(b)图是在距炉面12 mm高的位置火焰温度沿炉面水平方向的变化曲线。从图5可以看出,两种测量方法所测结果比较一致。实验中的测量误差主要来自激光能量的抖动及ICCD相机的热噪声。
参考文献:
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本文作者：关小伟, 刘晶儒, 黄梅生, 胡志云, 张振荣, 叶锡生
