燃烧场参数的激光诊断技术研究

 介绍了燃烧场参数的激光诊断技术的研究进展，给出了用自发拉曼散射、激光诱导荧光、相干反斯托克斯拉曼散射法诊断燃烧场温度和组分的实验系统和部分实验结果，单次测量火焰的温度和组分浓度相对误差小于10%；利用平面激光诱导荧光技术获得了稳定燃烧场二维OH荧光图像，并分析了激光作用区域火焰二维温度场的分布。     

煤油燃烧场主要组分浓度测量

利用自发振动拉曼散射技术测量了煤油燃烧场主要组分的摩尔分数。基于355nm激光激发振动拉曼散射建立了自发拉曼散射实验系统,测量了空气中主要组分的摩尔分数,分析了该技术的测量精度;测量了煤油蒸气在355nm激光激励下产生的荧光光谱,分析了荧光信号对拉曼信号的干扰;对不同燃烧条件下的煤油燃烧场进行了诊断,获得了贫油条件下煤油燃烧场主要组分(N2,O2,H2O,CO2等)的拉曼光谱,计算了组分摩尔分数及其随燃烧时间的变化规律。     

用BOXCARS技术诊断含铝固体燃剂燃烧场

介绍了用单脉冲BOXCARS技术测量含铝固体燃剂燃烧场的温度及氮气的浓度。分析了激光光束质量对CARS信号强度的影响,给出了在燃烧场中取得的单脉冲CARS光谱,并进行了理论拟合,得到了燃烧场的温度及组份浓度数据。在燃烧场中心高5mm处温度值约为2550K,氮气浓度平均为25.5%。测量了燃烧场中不同高度处CARS光谱,给出了燃烧场温度、氮气浓度随高度变化的曲线,对结果进行了分析。     

用于噪声抑制的碘分子滤波瑞利散射技术研究

为了解决激光瑞利散射技术诊断燃烧场时存在的米散射和背景杂散光干扰问题,发展了基于碘分子超精细吸收凹陷的滤波技术。介绍了分子滤波的原理和碘分子的吸收光谱,设计了用于产生稳定数密度的碘分子滤波器,并采用种子注入、可调谐Nd：YAG激光器测量了碘分子的吸收谱。采用碘分子滤波器,在稳态燃烧场和瞬态燃烧场上分别进行了结构诊断的滤波瑞利散射实验,获得了清晰的燃烧场结构图像。实验表明碘分子滤波器能够有效抑制532nm激光瑞利散射实验中的米散射和背景杂散光,提高信号图像的清晰度。     

单脉冲BOXCARS技术在瞬态燃烧场测温中的应用

 用单脉冲交叉相干反斯托克斯喇曼散射技术测量了两种不同固体燃剂的瞬态燃烧场的温度。对燃烧场进行了优化，给出了在燃烧场中取得的部分典型单脉冲CARS光谱及其理论拟合结果，得到了燃烧场的温度及其随高度的分布；稳定燃烧时两种燃剂燃烧场的温度基本保持不变，平均值分别为2 260，2 090K；测量了实验的纵向空间分辨率。结果表明，BOXCARS技术能较好地完成复杂的瞬态燃烧场温度的测量工作。     

分子过滤瑞利散射技术测量火焰温度和密度

 为了解决瑞利散射光易受米散射和背景杂散光干扰的问题,发展了结合窄线宽激光器、分子过滤器以及像增强器等技术的分子过滤瑞利散射技术。在图像诊断的基础上,依据测量的碘蒸气吸收光谱曲线,对CH₄/air预混火焰进行了诊断,获得了密度场和温度场分布。距炉面15 mm火焰中心区域处,分子过滤瑞利散射(FRS)技术测量的温度为1 827 K±84 K,密度为0.19 kg/m³,其测温结果与CARS法的测温结果基本吻合。最后分析了FRS技术测温不确定度。实验表明FRS技术具有较高的信噪比,可以定量测量温度和密度信息,有望应用于超音速燃烧流场、紊流场等复杂流场的诊断。     

自发喇曼散射技术对燃烧场的诊断

 介绍了利用Nd:YAG激光的三倍频激发自发振动喇曼散射技术对燃烧场的诊断及相关的实验原理，测量了不同配比条件下的CH₄-air预混火焰内的主要组分(N₂，O₂，H₂O，CH₄)及其相对浓度；并分别用分子浓度测温法和斯托克斯谱与反斯托克斯谱强度比法测量了火焰的温度；还对该技术测温、测浓度的不确定度进行了分析。将该技术应用到对复杂的固体燃剂燃烧场的诊断，取得了燃烧场中几种主要燃烧组分（N₂，H₂CO，CH₄，H₂O）的喇曼光谱，以及这些组分在燃烧过程中的变化信息。     

LIPS技术测量CH_4/空气预混火焰温度

简述了激光诱导偏振光谱技术的测温原理和实验方法,并利用激光诱导偏振光谱技术测量了常压CH4/空气预混火焰的温度分布。该技术灵敏度高,且不受碰撞猝灭的影响,适于诊断各种实际的燃烧过程。通过研究激光能量与信号强度的关系,获得了激光功率密度与信号强度的关系曲线以及实验中的最佳激光功率密度;记录并测量了燃烧场中OH分子A2∑＋-X2Π（0,0）跃迁带中P 1（2）和Q 1（8）两条吸收线的强度,用双线法计算了相应的温度,给出了CH4/空气预混火焰中不同化学配比条件下燃烧场温度的空间分布,实验结果与CARS的测量结果吻合较好。     

基于激光的燃烧场温度诊断方法综述

在燃烧相关的研究中，温度场、速度场、组分场、压力场的时空分布特性非常重要.为了计算热传导、热对流和热辐射或捕捉火焰区域，最直接的方法是获取燃烧场的温度.近年来，基于激光的非接触诊断技术快速发展，Rayleigh散射温度测量、激光诱导荧光、激光诱导磷光、Raman散射测温法、相干反Stokes Raman散射、简并四波混频、可调谐二极管激光吸收光谱等技术已经被成功地应用在温度诊断研究中.文章综述了上述激光测温技术的基本工作原理和应用条件，为从事相关领域工作的研究人员提供一定的参考.      

基于离轴积分腔输出光谱的燃烧场CO浓度测量研究

CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物,常常被作为反应燃烧效率的标志物,燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、减少污染物排放具有重要意义。离轴积分腔输出光谱（OA-ICOS）是一种利用物质对激光的特异性吸收,实现对该物质分析和测量的技术,具有非接触、稳定和高灵敏度等优点。针对燃烧场CO浓度低,背景信号干扰强等特点,采用分布反馈式（DFB）激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统,通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。利用仿真模拟的方法,在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出,高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程;通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差,得到最佳波长扫描频率;通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。探究了不同燃烧情况下CH₄/Air预混平焰炉上CO的产生情况,根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。当量比为1.0时,在10 ms的测量时间分辨率下,噪声等效灵敏度（NEAS）为3.67×10-7 cm-1·Hz-1,系统测量误差小于4.5%,燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。改变当量比从0.8到1.2时,得到平均温度变化范围为1 275~1 368 K,CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。研究发现随着当量比的提高,燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、检测灵敏度高等优点,可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。     

FTIR光谱遥测红外药剂的燃烧温度

本文利用遥感FTIR光谱，对红外药剂的燃烧特性进行了研究。在分辨率为4cm^-1时，收集4700－740cm^-1波段的光谱。从HF等燃烧产物发射的分子振转基带精细结构的谱线强度分布，可以对燃烧温度进行遥感测定，并给出了燃烧温度随时间的变化关系，实验结果表明燃烧表面附近温度梯度很大，存在着急剧的变化温度场，同时也说明，在不干扰火焰温度场的情况下，利用遥感FTIR光谱对剧烈的、非稳态快速燃烧的火焰温度进行连续实时的遥感测量，是一种快速、准确、灵敏度高的测温方法，显示了它在燃烧温度测量、产物浓度测试以及燃烧机理研究等方面的应用前景。     

二极管激光燃烧诊断与燃烧过程控制

燃烧过程的实时准确诊断及其性能控制,意义重大。本文首先简述了二极管激光吸收光谱术(DLAS)用于燃烧多 组分多参数测量和控制的原理和方法。然后,通过应用实例,阐述了将该法用于燃烧过程的自适应实时控制的方法和实施 效果。结果表明, DLAS技术为燃烧的基础研究及实施燃烧监控提供了一种适应性强、速度快、准确性高的有效手段。     

铟活化诊断氘氘中子产额不确定度分析

介绍了铟活化诊断氘氘中子产额的测量原理,分析了中子产额测量不确定度的来源及评定方法。中子产额测量不确定度主要由灵敏度标定不确定度、活化射线净计数不确定度、立体角测量不确定度及测量系统的随机误差等构成。评估了灵敏度标定过程中加速器中子与聚变中子能量差异、大厅散射中子本底等因素对灵敏度标定的影响,并评估了宇宙射线本底对活化射线净计数测量的影响。分析了中子产额处于不同量级时起主要作用的不确定度分量,提出了减小灵敏度标定不确定度的方法。以实验数据为基础,对具体的实验数据进行了分析计算。结果表明:利用伴随粒子法在加速器中子源上标定出铟活化测量系统灵敏度的相对标准不确定度为4.3%。中子产额低于1010时,产额测量不确定度大于7%,活化射线净计数误差是产额测量误差的主要来源;产额大于1010时,测量不确定度好于7%,中子产额测量不确定度主要由灵敏度标定不确定度引起。     

Simulation of the infrared radiation characteristics of high-temperature exhaust plume including particles using the backward Monte Carlo method

The analysis of the infrared radiation characteristics of high-temperature free-stream flow including particles is very significant for the field of target detection, combustion diagnosis and temperature measurement of flame. In this paper, the infrared radiation characteristics of high-temperature free-stream flow are calculated and analyzed using the backward Monte Carlo method, considering the effect of the directional radiation heat flux due to the particle scattering and the different boundary conditions. The calculation results of emitting, absorbing and anisotropically scattering media are compared with the forward Monte Carlo and finite-volume methods results, which shows the superiority on computational efficiency with the backward Monte Carlo method.     

基于光谱诊断的烃类火焰碳烟形成机理研究综述

碳烟主要是烃类燃料不完全燃烧生成的产物,其对人类健康、空气质量以及燃烧装置的使用寿命都会产生有害影响。碳烟生成是一个复杂的物理化学过程,控制碳烟排放,需要克服碳烟生成和燃烧过程中物理和化学演化的巨大差异,这些差异表现为对碳烟纳观结构和表面官能团随碳烟氧化活性反应变化的深入探索研究。近些年,研究人员对碳烟的生成机理开展了系列研究,对碳烟生成各个物理化学反应阶段有了一定认识。结合光谱诊断技术可深入了解燃烧系统碳烟形成过程,确定碳烟颗粒分子组成、精细结构、浓度分布等特征,也可从碳烟结构变化、黑体辐射强度等方面详细了解碳烟形成过程。该文旨在阐述光谱诊断技术对烃类火焰碳烟表征的研究进展和发展趋势,探讨LIBS, LII和LIF等作为诊断工具在包含背景辐射的火焰中检测碳烟生成过程产生辐射强度准确性等问题。主要介绍了烃类火焰碳烟的形成机理(从前驱体产生、生长到颗粒生成、凝聚,最后进行颗粒氧化)。总结了探测碳烟性质光谱诊断方法的应用以及光谱诊断技术对燃烧过程中碳烟表征的研究现状,包括对碳烟体积分数、温度和基于图像处理的碳烟结构表征,反应碳烟前驱体(多环芳烃)、反应气氛、温度等对碳烟颗粒物生成的影响。最...     

Laser absorption spectroscopy for combustion diagnosis in reactive flows: A review

Laser absorption spectroscopy (LAS) has been rapidly developed and widely applied to combustion diagnosis in recent decades. As a cost-effective tool for measuring multiple combustion parameters, LAS provides unique properties in terms of accuracy and sensitivity for understanding the reactions and kinetics in reactive flows. Line-of-sight and tomographic LAS techniques have stimulated numerous applications and been proved to be robust for in situ combustion diagnosis in uniform and non-uniform combustion fields, respectively. This review highlights the breakthroughs in the evolution of LAS techniques from the viewpoints of key principles, sensors and instrumentations developed for combustion diagnosis, with particular emphasis on a series of spatially-resolved LAS techniques with their recent applications on obtaining high-fidelity measurement results with minimal intrusion to the practical combustors. Along the way, we note some challenges and requirements for further development of the LAS-based combustion diagnosis.     

关于上临界场和不可逆场测量方法标准化的思考

本文回顾了超导体上临界场强度 H c2 和不可逆场强度 Hirr 的相关物理背景及定义, 汇总了不同测量技术的原理和方法, 以及影响测量不确定度的主要因素, 指出 H c2 和 Hirr 测量的根本区别在于前者不应在测量中引入磁通运动相关的能量损耗. 分析了 H c2 和 Hirr 测量的难点, 介绍了以往国际上对建立单一测量方法标准所做的努力, 总结归纳了不同方法测量结果不一致的根本原因, 在于测量条件决定的测量分辨率以及人为设定的不同判据.因此如果可以精确控制测量条件和判据, 四引线电阻法最简便因而最适宜选做标准化的测量方法. 考虑到高场强磁体在国内实验室的普及程度, 现阶段有可能实现标准化的只有液氦冷剂浸泡下变磁场测量 Nb-Ti 复合超导线的J c 从而确定 Hirr(4.2 K)     

高能高功率激光参数测量技术研究

简述了高能高功率激光技术的发展现状及其计量测试需求，介绍了近年来开展的高能高功率激光参数计量测试研究取得的进展，给出激光功率能量、时域参数和空域参数等测量原理和方法。指出了高能高功率激光参数测量面临的主要问题及需要突破的关键技术，包括大动态范围功率能量“无畸变”衰减技术、激光功率能量现场测量技术和功率能量计溯源及后向散射补偿方法等。     

波长调制吸收光谱技术的燃气轮机燃烧室温度组分二维分布测量方法

可调半导体激光光谱技术（TDLAS）可实现温度、组分浓度等多参数同时测量,具有体积小、响应速度快、环境适应性高等优点,逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术,其中强度归一化的波长调制技术,适合存在振动、湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。基于TDLAS技术,开展了1f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作,并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、热态试验验证,实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H₂O、CH₄浓度二维分布测量。采用1f归一化波长调制技术抑制台架振动、热辐射背景噪声,采用1 392,1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器,三支激光器的出光方式为时分复用,选取H₂O的7 185.6,6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线,两两组合使用,测量热态下一定范围内的温度和H₂O浓度;采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器,选取CH₄的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH₄浓度测量。实验室对测量系统可靠性进行验证,配置4%~6%范围内的CH₄气体进行测量并与实际值对比,浓度测量最大相对偏差为3.72%;在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶,充入纯水汽,计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值,温度测量最大相对偏差3.07%,浓度测量最大相对偏差为-2.00%,验证了该测量系统的可靠性。台架燃气轮机实验中,集成了一套小型化测量仪器,设计多束激光收发一体的测量结构。实验采用两个电动位移台,搭载测量结构,每间隔5 mm逐点移动采样,对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量,获取了若干工况下冷热态结果。通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图,结果分别反映了测量区域范围内CH₄和火焰分布的真实状态。为燃气轮机喷嘴燃料、空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。