PLIF法定量测量甲烷-空气火焰二维温度场分布

　　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