相對(duì)于其他診斷技術(shù)PLIF 具有如下特點(diǎn):
1)非接觸式測(cè)量,不干擾待測(cè)環(huán)境;
2)時(shí)間/空間分辨率高,時(shí)間分辨可達(dá)納秒量級(jí),可獲得二維空間信息;
3)靈敏度高,個(gè)別組分探測(cè)下限可達(dá)106個(gè)粒子/cm3;
4)測(cè)試目標(biāo)范圍廣,可實(shí)現(xiàn)原子、分子、離子以及自由基團(tuán)的診斷。
基本原理
PLIF基本原理是待測(cè)環(huán)境(如火焰)中痕量組分的分子或原子在入射激光的作用下由低能態(tài)躍遷到高能態(tài),能級(jí)差與入射光共振,以達(dá)到在高能態(tài)布聚的效率,為獲得熒光信號(hào)提供前提,隨后部分粒子從受激的高能態(tài)回落到不同的低能態(tài),從不同波長(zhǎng)組成的熒光光譜帶,通過總熒光強(qiáng)度測(cè)量實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)可視化。
由于熒光的檢測(cè)時(shí)間分辨為納秒量級(jí),對(duì)于個(gè)別壽命較短的組分,尤其是化學(xué)反應(yīng)中的中間產(chǎn)物,熒光測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)組分分布的瞬態(tài)凍結(jié),從而可以從中提取有用的信息。例如針對(duì)燃料的燃燒過程,能夠誘導(dǎo)熒光的痕量組分有OH、NO、CHO、H2、H2O和NO2等,它們是火焰化學(xué)反應(yīng)中是活躍和重要的因素,通過對(duì)自由基濃度和分布的分析,可以得到火焰結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理、燃燒效率等方面的信息。
一般情況下,熒光的強(qiáng)度與溫度、壓力、組分濃度以及一些已知的實(shí)驗(yàn)參數(shù)有關(guān),通過采取適當(dāng)措施,可以使熒光強(qiáng)度與組分濃度相關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)濃度場(chǎng)的定量測(cè)量。另外可以利用粒子從受激能態(tài)向低能態(tài)回落與溫度的相關(guān)性,通過比較兩個(gè)單脈沖激光誘導(dǎo)的熒光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。由于光與物質(zhì)相互作用發(fā)生的時(shí)間非常短暫,激光誘導(dǎo)熒光方法具有很高的靈敏度。與拉曼散射和瑞利散射相比,激光誘導(dǎo)熒光的信號(hào)強(qiáng)度要高出5~15個(gè)數(shù)量級(jí),這樣更有利于瞬態(tài)信息的捕捉、量化。
PLIF系統(tǒng)采用片狀激光激發(fā)待測(cè)環(huán)境的瞬態(tài)組分,測(cè)量特定熒光光譜,對(duì)該特定光譜進(jìn)行記錄,通過圖像處理,得到相關(guān)成分濃度或者診斷場(chǎng)溫度的空間分布。以火焰為例,通過不同技術(shù)可獲取燃燒過程中組分的一維、二維、三維空間分布,從而確定不同環(huán)境燃燒情況、燃燒效率及燃燒過程。
熒光激發(fā)物理過程示意圖
應(yīng)用
1. 燃?xì)廨啓C(jī)
2. 汽車引擎
3. 工業(yè)燃燒
4. 清潔能源
5. 爆震與爆轟
6. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)
7. 空氣動(dòng)力學(xué)
8. 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)
9. 航空航天動(dòng)力
10. 湍流燃燒與CFD驗(yàn)證
典型射流火焰瞬態(tài)組分分布
射流擴(kuò)散火焰OH二維濃度分布
審核編輯黃宇
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