一种基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧场oh基瞬态浓度分布的方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧场OH基瞬态浓度分布的方法，利用双向光路激光诱导荧光成像技术测量瞬态燃烧场OH基浓度值的二维空间分布，将得到的二维荧光图像进行处理，首先得到湍流火焰PLIF图像中某一高度OH基浓度值分布信息，再对火焰中所有高度的OH基浓度值进行计算，进而确定整个湍流火焰PLIF图像中OH基浓度的瞬态二维空间分布。这就有效地解决了通常的PLIF技术无法对火焰中的OH基浓度值二维定量化及无法对非稳态火焰进行定量化的问题。本发明可广泛应用于各种流场和燃烧过程中各种组分的诊断，为燃烧学、计算流体动力学以及燃烧诊断技术的研究提供基础实验数据。
【专利说明】一种基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流 燃烧场OH基瞬态浓度分布的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量预混湍流火焰中OH基瞬态二维空间浓度分布的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来,随着超声速燃烧器、航空航天发动机、大型锅炉燃烧系统和大型燃气轮机 等研究领域对燃烧过程机理研究的不断深入，急切需要定量地测量燃烧过程中间产物(如 OH基、CH基等）的浓度和温度等信息。平面激光诱导荧光（PLIF)诊断技术作为一种对燃烧 过程中各组分浓度和温度空间分布进行二维成像的非接触式光学测量手段，一直具有不可 替代的作用。目前国际上所使用的PLIF技术绝大多数只能定性地测量湍流火焰燃烧过程 中间组分(如OH基和CH基等自由基)，国际上尚无法对湍流火焰OH基浓度进行定量测量。 目前，对湍流火焰中的OH基浓度的定量测量受到多方面因素的制约，因而无法有效开展， 这些因素主要表现在以下三个方面 ： 第一，实际的燃烧系统(如航空航天发动机、超燃冲压发动机和大型燃气轮机等设备） 的燃烧方式都是湍流燃烧，湍流火焰中流场与燃烧场存在强烈耦合与相互作用，并且火焰 存在极快的脉动周期rms量级)，这使得每一时刻的火焰组织空间分布形态都不相同。因 此，湍流火焰的这种不可重复性使得对湍流火焰OH基浓度的定量测量举步维艰，导致所有 对湍流火焰的研究只能停留在定性的层面上。
[0003] 第二，由速率方程理论导出的PLIF荧光信号强度与被激发粒子浓度的关系满足 下式：
【权利要求】
1. 一种基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧场OH基瞬态浓度分 布的方法，其特征在于所述方法步骤如下： 步骤一、利用NchYAG激光器产生波长为532nm的激光泵浦染料激光器产生618. 480nm 的激光，该激光光束经过倍频器产生波长为309. 240nm的激光光束，此光束依次经过第一 紫外全反镜反射、第一棱镜反射后进入紫外分光镜中被分成两束光，其中第一路光被紫外 分光镜反射后进入第二紫外全反镜中，随后进入第一紫外光学整形系统中被耦合成紫外片 状光束I，第二路光从紫外分光镜中透射出去并沿着入射方向继续传播，并依次被第二棱镜 和第三棱镜反射进入第三紫外全反镜中，被第三紫外全反镜反射后的光进入第二紫外光学 整形系统中被耦合成紫外片状光束II，紫外片状光束I和紫外片状光束II对向入射到湍流火 焰燃烧器中，并保证在同一平面上重合，且紫外片状光束I和紫外片状光束II经过火焰的时 间间隔为l(T20n S ; 步骤二：第一 KXD相机记录紫外片状光束I通过火焰时荧光图像，第二KXD相机记录 紫外片状光束II通过火焰时的荧光图像； 步骤三、提取两幅荧光图像的荧光强度灰度值，计算出某一高度上的OH基一维浓度分 布，再对所有高度的OH基一维浓度分布进行计算，最后将计算得到的所有高度的OH基浓度 值一维分布进行二维图像重构，得到平面瞬态火焰组织的二维浓度分布信息。
2. 根据权利要求1所述的基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧 场OH基瞬态浓度分布的方法，其特征在于所述两束光的能量之比为1: 1，且每束光的能量 范围为0. 5~10mJ，脉冲宽度为10ns。
3. 根据权利要求1所述的基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧 场OH基瞬态浓度分布的方法，其特征在于所述紫外片状光束I和紫外片状光束II的高X厚 为 40mm X0. 5mm。
4. 根据权利要求1所述的基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧 场OH基瞬态浓度分布的方法，其特征在于所述第一紫外光学整形系统和第二紫外光学整 形系统相同。
5. 根据权利要求1所述的基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧 场OH基瞬态浓度分布的方法，其特征在于所述第一 ICCD相机和第二ICCD相机相同。
6. 根据权利要求1所述的基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧 场OH基瞬态浓度分布的方法，其特征在于利用DG645数字延时信号发生器对Nd: YAG激光 器、第一 KXD相机和第二KXD相机进行相对延时使其同步。
7. 根据权利要求1所述的基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧 场OH基瞬态浓度分布的方法，其特征在于所述火焰为CH 4/02/N2预混湍流火焰，且化学当量 比为0. 9。
8. 根据权利要求1所述的基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧 场OH基瞬态浓度分布的方法，其特征在于利用matlab软件从荧光图像中提取出荧光强度 的灰度值。
9. 根据权利要求1所述的基于双向光路的激光诱导荧光成像技术定量测量湍流燃烧 场OH基瞬态浓度分布的方法，其特征在于所述OH基的浓度与荧光光强和OH基有效峰值吸 收截面存在如下关系：
其中^fqkCt)和FbacxCr)分别是前向光束和后向光束的PLIF荧光信号强度，σ。是待测 组分的有效峰值吸收截面。
【文档编号】G01N21/64GK104374755SQ201410569675
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】于欣, 杨振, 彭江波, 李晓晖, 马欲飞, 杨超博, 于杨 申请人:哈尔滨工业大学