2. 陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏南京 210007
2. State Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation of Explosion and Impact, PLA Engineering University, Nanjing 210007, China
温度是燃烧研究中的关键参数之一, 也是国际单位制中7个基本物理量之一.温度决定了整个燃烧过程的效率, 在燃烧研究中, 获取温度场是一个基础且关键的问题.获取燃烧场的温度后, 可以直接有效地计算热传导、热对流和热辐射或捕捉火焰形态.在冷态流场中获取单点或局部的高精度温度分布较为容易; 而在燃烧场中, 尤其是在高温、高压、振荡等因素同时存在的极端条件下, 获得高时空分辨率的温度场却比较困难.
燃烧场中的温度测量方法, 包括传统的接触式方法以及一些基于激光或辐射的非接触式测量方法.传统的接触式测量方法分为膨胀式测温法、电量式测温法和热色式测温法等.其中, 膨胀式测温法中, 双金属温度计及压力式温度计等都是常见的测温方法; 电量式测温法中最具代表性的是1885年开始使用的热电偶测温方法[1], 其测量过程中会对流场产生较大影响; 热色式测温法中, 较为成熟的是液晶测温法, 其常用于壁面温度的测量, 测温精度较高, 但其温度测量范围有限.接触式测温方法会对火焰中的化学反应和流动过程产生干扰, 造成局部区域温度场变化, 难免造成较大误差.
由于接触式方法难以克服的缺陷, 近年来高时空分辨的非接触式光学测温方法得到快速发展和广泛应用.非接触式测温方法可分为辐射法测温、光谱法测温、激光干涉测温和声波/微波法测温等.辐射法测温中应用较为广泛的是自发辐射测温, 比较常用的仪器为红外测温仪.结合当前研究热点, 本文仅讨论基于激光的非接触式测温方法.非接触的测量方法可以避免温度传感器对流场的扰动, 且可在极端高温和有化学反应的条件等复杂的情况下进行快速整场测量.
1 激光温度测量方法概述近年来, 随着激光技术和制造技术的发展, 基于激光的燃烧诊断占据了愈来愈重要的地位.激光诊断技术是随着现代高温燃烧和复杂流场的测温需求发展起来的, 具有非线性、在线测量、高分辨率和可视化等优点.在燃烧诊断中, 激光光谱的测温原理主要分为两种:(1)燃烧场的温度可基于状态方程(如理想气体方程)通过总的粒子数密度来反演, 这种方法的前提是所测量的燃烧场处于等压燃烧状态, 且光谱信号转换成温度信息需要提前标定; (2)燃烧场的温度可通过探测分子所处不同能级(转动能级和标定能级)上的粒子数分布来获取, 在平衡状态下分子不同能级的粒子数分布服从Boltzmann定律, 且实际燃烧场基本都处于热平衡状态, 采用该方法反演获得的燃烧场温度不需要事先标定[2].在具体的测量方法上, 又分为线性和非线性的方法, 其中Rayleigh散射技术、自发Raman散射技术、激光诱导荧光等都属于线性的方法, 这些技术的信号强度和探测组分浓度线性密切相关.
本文介绍了燃烧实验研究中常用的几种基于激光的非接触式测温技术, 并对其工作原理及应用条件进行了综述.希望能够对从事燃烧场测量和诊断的人员提供一定指导.
2 基于激光的测温方法原理介绍 2.1 Rayleigh散射(Rayleigh scattering, RS)温度测量当所测量场中的粒子尺度远小于入射光波长时(小于波长的十分之一), 其各方向上的散射光强不同, 该光强与入射光波长的4次方成反比, 这种现象称为Rayleigh散射. Rayleigh散射强度 Is表述如下
| $ {{I}_{\text{s}}}=C{{I}_{\text{l}}}N\mathit{\Omega }l{{\left( \frac{\text{d}\sigma }{\text{d}\mathit{\Omega }} \right)}_{\text{eff}}}=\frac{PK}{T}{{\left( \frac{\text{d}\sigma }{\text{d}\mathit{\Omega }} \right)}_{\text{eff}}} $ | (1) |
其中, C是一个常数, Il是入射激光强度, N是观测流场内的分子数密度, Ω是立体角, σ是Rayleigh散射截面面积, l是激光束能够成像在探测器上的长度[3]. Rayleigh测温法的测量原理如图 1所示.如式(1)所示, Rayleigh散射强度由光学系统和气体的各种性质决定.对于温度测量, 只考虑散射强度与分子数密度之间的关系.由理想气体状态方程将分子数密度转化为气体的温度和压力作为方程(1)的第2种表达, 得到方程(2), 其中P为气体压力, T为气体温度[4].在方程(1)中, 假定所有的光学常数值和气体的分子数密度仅由理想气体状态方程决定.如式(1)所示, Rayleigh散射信号与温度成反比, 当温度低时, 分子密度增大, 散射强度增大.因此, 低温测量时, Rayleigh散射测温法信噪比较高, 测温精度高、分辨率高.式(1)中的常数K可以通过参考条件下标定的温度、压力和散射强度来获取.因此, 气体温度可通过如下公式得到[5]
| $ T=\frac{{{I}_{\text{ref}}}P}{{{I}_{\text{s}}}{{P}_{\text{ref}}}}{{T}_{\text{ref}}} $ | (2) |
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| 图 1 Rayleigh散射温度测量原理示意图 Fig.1 Schematic diagram of Rayleigh scattering thermometer measurement |
Rayleigh散射技术一大优势是实验系统相对简单且信号强度较强, 可基于激光片光进行二维温度场测量.对于激光源的要求较低, 一般可见光至紫外波段的激光器均可作为其光源.浙江大学的朱燕群等[6]基于Mckenna标准火焰燃烧器搭建了一套Rayleigh散射(RS)测温系统, 对典型的烟煤气化合成气层流火焰温度场进行测量研究. 图 2是典型烟煤气化合成气当量比为0.65~0.9时层流预混火焰温度的Rayleigh散射图像, 图中截取的是火焰中20 mm×20 mm范围内的Rayleigh信号图像, 可看到:由于Rayleigh散射信号强度与气体温度成反比, 随着当量比增加, 火焰温度增高, 而Rayleigh信号强度越来越弱, 在测试区内呈现的颜色从红色逐渐向黄、绿色过渡.并通过与传统热电偶测量结果和化学动力模拟结果对比验证了RS技术可用于合成气流层测量的可行性, Rayleigh散射测温在气体燃料的火焰温度定量场测量领域具有极大的潜力.
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| 图 2 典型烟煤气化合成气层流火焰的Rayleigh散射温度图像[6] Fig.2 Rayleigh scattering temperature image of typical coal-gasification syngas laminar flame[6] |
Rayleigh散射光与流场中颗粒物及壁面散射光的重要区别在于Rayleigh散射光的光谱会随温度升高而展宽[7].而滤波Rayleigh散射(filtered Rayleigh scattering, FRS)可以用来解决由粒子Mie散射和燃烧室壁面杂散光干扰引起的问题[8-10].这是因为粒子的Mie散射光比分子的Rayleigh散射窄得多.如果在系统中使用特定的滤光片和窄带激光器, 并且事先获取不同温度和压力下的分子光谱学信息, 就可以过滤掉粒子Mie散射产生的噪声.因此, 滤波Rayleigh散射测温技术可用于含有微量碳烟的燃烧场瞬时二维温度测量[11-12].
图 3是郑尧邦等[13]采用碘分子滤波器系统对平面火焰炉上甲烷/空气(1.5:15的情况下)实验测得的燃烧火焰二维温度分布情况, 采用氮气作为冷却气体, 最终通过ICCD相机获取光强信息, 得到的测量精度较高, 偏差为3%.该系统可用于超声速燃烧场等复杂燃烧场的温度测量.
Kearney等[14]的研究表明FRS技术不仅能够有效消除壁面散射光的影响, 使得近壁面和近光学窗口区域湍流燃烧场的温度测量成为可能, 而且很容易与自发Raman散射(SRS)技术进行组合实现温度和主要组分浓度的同时测量, 这种联合测量方法已具备燃烧室内小分子碳氢燃料预混湍流火焰测量的能力.俄亥俄州立大学的George等[15]采用F-P标准具提纯Nd:YAG激光的光谱, 消除壁面散射光的干扰, 在壁面附近区域获得了射流的高清晰度FRS图像. 图 4(a)是光学表面附近湍流的实验装置图, 图 4(b)显示了远离光学表面处湍流射流的详细结构, 且没有受到任何散射及其他干扰, 这是使用FRS及FPE进行初步近窗测量的一个成功的例子, 也说明了FRS在高速湍流环境中近表面测量具有极大的潜力.
2.2 激光诱导荧光(laser induced fluores-cence, LIF)技术
与Raman, Rayleigh散射相比, 激光诱导荧光(LIF)技术是一种共振的探测技术, 就是选择特定的组分和能级, 然后通过吸收/辐射过程实现对探测组分温度的测量.一般而言, 吸收/辐射过程比散射过程信号强度高约10个量级, 所以LIF技术具有极高的测量灵敏度, 且可以在相同实验系统下基于探测组分能级的Boltzmann分布实现温度反演, 适合开展二维温度场测量[2, 16].
LIF技术可以通过多种方法实现温度测量, 但这些方法都是基于探测组分能级的Boltzmann分布来反演温度.要确保LIF准确测温就得知道探测组分光谱信息及探测能级再分布过程, 该过程取决于具体的探测组分能级、化学成分组成以及压强等, 还须考虑能级相关的自发辐射、碰撞转移以及预分离速率. LIF与PLIF(planar laser induced fluorescence)是一种广泛用于液态、气态等物质燃烧场中各种组分浓度与温度场分析的重要分析方法.原子类粒子的检测可以直接测量, 例如燃烧过程中的很多自由基以及粒子都可以通过LIF与PLIF的方法进行直接测量.但是若实验过程本身并不包含可以通过LIF与PLIF直接激发的粒子, 则必须通过加入示踪粒子的办法进行成像测量.在层流火焰中, 温度可以利用LIF激发谱来反演, 即通过窄线宽的激光扫描多条吸收谱线, 然后在特定的时间和光谱窗口范围内采集辐射的荧光信号.在湍流燃烧场中, 可采用双色PLIF进行温度测量[12], 基本原理为:首先合理选择两束不同波长的片状激光, 然后用这两束激光在较短时间间隔内顺序通过被测流场的同一平面.利用不同转动能级的共振吸收将处于基态的组分分子激励到激发态, 处于激发态的分子向下跃迁产生荧光, 根据两束不同波长激光激发的荧光信号强度的比值即可反映选定组分基态转动能级的分子数密度分布, 由此反演温度场信息[12].中国空气动力研究与发展中心的苏铁等[17]设计了双激发PLIF系统, 选取两条合适的OH自由基激励线, 定量测量了甲烷-空气预混火焰的二维瞬态温度场分布, 通过对两个激光脉冲功率和激光轮廓分布监控以及双ICCD成像的空间位置校正, 提高了测量的精细程度, 并与稳态燃烧场火焰的热电偶测量结果进行了对比, 不确定度优于5%, 实现了在超声速燃烧诊断中的应用. 图 5为根据谱线参数标定结果计算得到的平面火焰炉燃烧场二维瞬态温度分布图, 单位为K.
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| 图 5 平面火焰炉燃烧场二维瞬态温度分布图[17] Fig.5 Two-dimensional transient temperature profile of the combustion field in a planar flame furnace[17] |
另一种基于激光诱导荧光方法的流场测温技术为双线原子荧光法(two line atomic fluores-cence, TLAF), 其可消除碰撞淬灭等因素对荧光信号的影响.在文献[18]中详细介绍了TLAF原理(如图 6所示), 简单地说, 即在燃烧场中撒播特定的金属原子, 其具有两个对温度敏感的能级0和1, 由能级0和1跃迁到其共享的上一能级(能级2)的吸收波长分别是λ02和λ12[19].通过配备干涉滤光片的两个探测器采集到相应的LIF信号F20和F21.在热平衡状态下, F21/F20与包含系统温度T的Boltzmann因子成正比.温度式可表达如下
| $ \begin{align} & T= \\ & \frac{\Delta E/{{k}_{\text{B}}}}{4\text{ln(}{{\lambda }_{21}}\text{/}{{\lambda }_{20}}\text{)+ln(}{{F}_{20}}\text{/}{{I}_{12}}\text{)-ln(}{{F}_{21}}\text{+}{{F}_{02}}\text{)+}\ln C} \\ \end{align} $ | (3) |
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| 图 6 TLAF原理示意图 Fig.6 Schematic diagram of TLAF |
ΔE是两个较低能级之间的能量差, kB是Boltzmann常量, Ii2 (i=0, 1)是激光强度. C是一个系统的校准常数, 需要单独决定, 包括如光谱重叠激光和原子谱线宽度、探测器、光收集效率等因素.
式(3)适用的前提是假设激光强度与LIF信号呈线性关系[20].因此, 在一定的测量条件下, 必须仔细检查饱和和自吸收的影响.自发吸收在富油燃烧中尤其重要, 因为自由原子的氧化率较低, 吸收原子的数量可能会随之增加[21]. TLAF是一种非常有前景的燃烧场二维温度光学测量技术, 具有空间分辨率高、信号信噪比高、测温精度较高、时间分辨率高、抗干扰能力强及测温范围宽等优点.
瑞典隆德大学的Borggren等[22]研究了一种利用二极管激光双线原子荧光(TLAF)对大气压下反应流动进行温度测量的方法, 采用铟和镓原子作为温度标记物进行了TLAF的甲烷/空气火焰的多喷嘴燃烧器1 600~2 000 K间温度测量, 测得的温度范围内铟和镓的准确度分别为2.7%和1%, 与CARS测得的结果比较吻合.镓也被证明是一种很好的TLAF测温法的标记物, 相比铟在低温测量方面更有潜力.
2.3 激光诱导磷光(laser induced phosphore-scence, LIP)磷光是一种缓慢发光的光致冷发光现象, 其与荧光现象类似, 但受激后发光缓慢, 发光持续时间较荧光时间长.当磷光物质经某种波长的入射光照射并吸收光能后进入激发态, 然后缓慢地退激发并发出比入射光的波长长的出射光, 当入射光停止后, 发光现象持续存在[23].荧光的典型寿命从几毫秒到几纳秒不等, 但磷光材料的发射寿命最长可达数小时[24].
LIP的工作原理是将磷光粒子沉积在被测物体表面或流场中, 由合适的波长(主要是紫外波段的激光)激发磷光粒子, 磷光物质受激后会发出磷光.然后, 可以从磷光信号[24]的强度或衰减特性推导出物体表面或者流场的温度信息.对于某些热敏磷光物质, 其受激辐射出的磷光在不同波段的光强与温度相关, 可利用这两个波段的磷光能量比值反演出温度信息.磷光信号强度对比测温方法即利用了磷光物质的这一特性实现温度测量.被测磷光物质在特定波段能量的比值与温度的关系如图 7所示.另外, 激光诱导的磷光的寿命也与温度相关, 在一定温度范围内, 磷光的寿命取决于磷光物质能级之间的相互作用, 其可反演出磷光物质的温度信息[24].
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| 图 7 光谱随温度的变化以及波长之间的比值[24] Fig.7 Spectral response to temperature and the ratio between wavelengths[24] |
激光诱导磷光测温技术适用于壁面和流场的二维温度场测量, 其为非接触式测温方法, 具有较高的准确性、高信号产生率、无碰撞淬灭现象等优点.与其他高温测量方法不同的是, 激光诱导磷光测温方法不受材料发射率、观察窗及周围环境背景反射光或吸收光的影响.这些优点使热像荧光粉能够广泛应用于各种应用场合甚至比较恶劣的测量环境中. LIP表面测温技术应用的关键问题是磷光物质和粘结剂的选择、制备和标定, 这是现在要解决研究的问题[25].
图 8是利用LIP测温方法典型的应用结果, 在发动机内部用于旋转叶片表面温度测量[25].山东大学[26]基于磷光的不同波长随温度变化的不同特性进行温度测量, 用Dy:YAG作为磷光剂, 在一台侧向换气的光学发动机上测试了该发动机压缩行程的二维温度分布, 且与由缸压计算得到的缸内平均温度比较误差均小于5%.这种方法可以测量从常温到1 500 K的温度范围, 磷光剂的分布均匀度和激光片的强度分布会带来测试标准差偏差较大.
2.4 Raman散射温度测量
当频率为v0的单色光入射到尺寸远小于该波长的分子后, 会产生频率为vr=v0±Δv的非弹性散射, 此即为Raman散射, 其中低频一侧(vr=v0-Δv)的线叫做Stokes线, 高频一侧(vr=v0+Δv)叫做反Stokes线. Raman散射是由于分子的振动结构而产生的.处于基态的分子会被入射光激发到不稳定的虚态, 之后分子会掉落到稳定的低能级并发射光子.由于低能级与原始基态能级可能不处于同一能级, 散射光与入射光相比会产生频移, 此频移由分子特性决定.如果最终状态高于初始状态, 频移将为负, 这种现象称为Stokes Raman散射(能量从光子转移到分子).另一方面, 如果最终状态低于初始状态, 则频移为正, 这种现象称为反Stokes Raman散射(能量从分子转移到光子). 图 9为无频移的Rayleigh散射和有频移的Raman散射的能级跃迁对比示意图.
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| 图 9 散射过程中涉及的能量状态 Fig.9 Energy states involved in the scattering process |
相对于其他燃烧诊断技术, Raman散射最显著的优点是:只用一个波长的激发激光就可用来监测流场中的所有物质.较为常用的入射激光是可见或紫外激光, 实际上Raman散射信号强度与入射激光频率的4次方成正比[27].但在实际应用中几乎所有与燃烧场温度测量都使用可见光波段的入射激光, 以此减少紫外波段入射激光引起的荧光噪声. Raman散射测温的另一个优点是:一般情况下不同物质的振动Raman光谱几乎不重叠. Raman散射的最大缺点是其射信号较弱, 因此它的适用性受限.事实上, 不同物质的Raman散射信号强度通常比荧光和Rayleigh散射信号强度弱几个数量级[28].因此, 在Raman散射测量实验中, 要认真地进行激光源和优化信号接收系统的选择, 用于信号接收的光谱仪、滤光片和光电转换器件都需要特殊设计[2].
尽管Raman散射信号采集存在一定的困难, 但该方法在燃烧诊断中仍得到了广泛应用, 可用于实际动力装置燃烧系统的温度测量.例如, Stephen-son[29]测量了二氧化碳和水的高温Raman光谱(1 000~2 200 K), 经常用于在20世纪80年代一些燃烧研究. Gulati[30]采用该技术在航空发动机燃烧室出口处实现了时间分辨的温度测量, 采用甲烷和煤油作为发动机的燃料, 而激光源采用长脉冲氙灯泵浦的染料激光器.
Raman散射技术也可实现一维温度测量, 可用于测量火焰中某条直线上的温度梯度. Brockhinke等[31]利用KrF准分子激光器实现氢气/空气射流扩散火焰温度单脉冲测量, 典型的测量不确定性度约为10%, 主要由光子统计误差引起.
西北核技术研究所的刘健胜等[32]利用可调谐的KrF准分子激光激发振动Raman散射测量了甲烷/空气燃烧火焰内不同空间的主要组分分子浓度及温度, 测量误差小于10%, 通过一次测量同时给出了浓度和温度参数.另外用N2的Raman谱拟合测量了火焰的温度, 测量精度高于5%, 这种方法不受激光能量起伏、压力等燃烧环境的影响, 可以测量3 000 K以上的高温, 是一种非常有应用前景的测温方法.
2.5 相干反Stokes Raman散射法(coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS)目前, 用于温度测量的所有技术中, 相干反Stokes Raman散射(CARS)技术最为成熟, 是一种非线性的相干过程. CARS是一种Raman光谱技术, 它能识别分子的相同振动特征, 通常是化学键的核振动. CARS将涉及到四波混合过程, 并产生与Raman技术不同的相干信号.处理不同分子能级的量子力学模型可以解释CARS的物理原理. ωpump的泵浦光和频率为ωStokes的Stokes光束按一定相位匹配聚焦于采样区, 当泵浦光和Stokes光的频差趋近于待测区域中某种介质的Raman频移ωvib时, 在另一种频率为ωprobe的探测光作用下会产生频率为ωCARS的相干反Stokes Raman光束, 也就是CARS信号, 图 10所示为CARS产生过程的能级跃迁关系.由于信号是相干的, CARS比自发Raman光谱强几个数量级.
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| 图 10 CARS能级图 Fig.10 CARS energy diagram |
因为空气燃料火焰中氮气含量非常丰富, 而且氮气光谱数据是相对完善的, CARS技术通常选择氮气作为探测对象, 可以通过分析氮气Q分支的振转光谱或S分支的纯转动光谱便可获取温度信息.此外, 一些不含氮气的火焰也可以采用其他组分开展CARS测量, 例如, 在火箭发动机中H2/O2燃烧场中, 就可以选择H2作为探测对象, 要注意的是H2的CARS光谱对激光源的模式结构非常敏感.然而, 由于O2, CO, CO2这些组分一般在火焰中含量很少且决定于化学配比和燃烧过程, 也缺乏对应的精确的分子光谱数据, 因此基于O2, CO, CO2的CARS技术在温度测量中很少应用[2].
CARS技术的优点是能有效消除荧光和非相干背景光的干扰, 具有较高时空分辨力, 且其信号具有类似激光的相干特性, 转换效率较高.与自发Raman散射相比, CARS法所需激光能量低1个数量级, 精度更高、易于辨认, 但同时测量装置十分昂贵, 信号的处理相当复杂. CARS技术是点测量, 在实验室火焰中的空间分辨率可达到1 mm, 在实际燃烧装置中约为10 mm.在常压环境下, 测量温度范围通常在300~3 000 K[16].
传统的CARS技术采用的是重复率在10 Hz级别的纳秒窄带泵浦光和Stokes光, 通过对探测器激光的扫描, 可以获得被扫描的CARS信号; 通过对CARS信号的特征光谱分析, 可以得到CARS的温度信息.这种方法获得的是单点信号, 适用于精细光谱的研究, 时空分辨率很低, 且对激光稳定性要求较高, 一般只用于诊断稳定的燃烧场.在实际应用中, 也可以通过探测点的扫描移动, 借助图像重建获得二维温度场分布.西北核物理所的李国华等[33]通过同步扫描测量点及信号接收端的方式, 实验测量了甲烷/空气预混火焰水平界面离散点的温度, 并插值重建了二维温度场, 实现了在扫描过程中对火焰同一空间位置的温度测量, 图 11为线性插值后重建的温度场.
近年来, 随着宽带燃料激光器的出现, 采用宽带Stokes光仅用一个脉冲就可获得完整的CARS光谱线型, 空间分辨率可达到ps量级, 采用CARS技术能够对不稳定燃烧进行实时诊断.在ns CARS技术中, 共振CARS信号产生的同时伴随着非共振四波混频信号, 非共振信号的存在大大降低了CARS测量的精确度和灵敏度[34].近年来, ps和fs激光器技术的问世和发展, 使得超快光谱CARS技术发展很快, 可以有效抑制非共振背景, 极大地提高了测量的时间分辨率, 进一步提高了燃烧场的测温精度和范围, 有利于在高压强环境燃料燃烧过程中的应用研究和测量[33]. Roy等[35]采用脉冲宽度为135 ps的泵浦光和106 ps的Stokes光, 测量了氮的CARS谱, 且有效地抑制了非共振背景.爱荷华州立大学的Chole等[36]使用一种能够同时激发多分子振-转跃迁和纯转动跃迁的双波长混合泵浦fs/ps CARS系统, 通过探测N2和CH4的振动光谱, 以及N2, O2和H2转动光谱, 可以实现在298~2 400 K温度范围内实时测温.超快带宽CARS已经发展成一维近壁区测温的一种手段.美国圣地亚国家实验室的Bohlin等[37]利用双光束CARS相位匹配实现了7 fs泵浦光和Stokes脉冲的重叠, 且使用了75 ps的交叉探测光束来提供确切的空间位置, 同时探测N2, O2, H2, CO, CO2和CH4的温度. 图 12给出了火焰-壁面交互作用(FWI)中O2, H2, CH4和CO2在1 000 K等温线处的热化学状态空间演化的联合剖面, 是采用这种新技术可能实现传统统计的一个典型案例.
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| 图 12 FWI中甲烷/空气预混系数为1.2时直接测量的热化学状态平均值[37] Fig.12 Direct measurement of mean thermochemical states during FWI at premixed CH4/air=1.2[37] |
目前, 使用fs激光的CARS温度测量技术在实验室燃烧器方面已经达到可以采用重复频率5 kHz[38-39].单激光发射条件下, fs-CARS的相应计算模型和实验方法已经发展起来了[40-42].俄亥俄州的Richardson等[43]采用混合fs/ps CARS和啁啾探测脉冲fs-CARS(CPP CARS)两种实验方法, 探测1 600~2 400 K温度范围内的火焰, 对比发现两种方法对于温度测量都具有很好的精确性; 对于空间宽带CPP的初始拟合需要更多的拟合参量且运算复杂. 图 13是进行振动CPP和混合fs/ps CARS测温的光学装置原理图. 图 14是利用混合fs/ps CARS (左面板)和CPP CARS(右面板)进行单激光照射实验, 并采用3个等价比率和两种不同的探针时间延迟进行对应最佳拟合的光谱, 图中每一列所示的数据均与一组单一的模型参数进行拟合, 同时随温度和谐振极化的相对幅值而变化.最佳拟合温度的直方图在每个图中以插图的形式显示, 其中灰色竖线表示绝热火焰温度.明显可看出, 由于在CPP的整个140 cm-1带宽内多振转跃迁的CPP CARS光谱比混合fs/ps CARS光谱明显更加复杂.
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| 图 13 进行振动CPP和混合fs/ps CARS测温的光学装置原理图[43] Fig.13 Schematic diagram of the optical setup used to perform vibrational CPP and hybrid fs/ps CARS thermometry measurements[43] |
简并四波混频(DFWM)是一种3阶非线性光学过程[44], 与CARS一样源自介质对辐射响应的3阶非线性极化率, 类似于荧光激励谱, 是一种利用测量微量组分实现测温的典型相干测量技术.在DFWM中所有泵浦和探测光束频率相同, 因此只需要1个激光器.频率为ν的3束光在非线性介质中相互作用, 当ν与特征组分的吸收谱一致, 就会产生DFWM信号的谐振增强, 并生成频率也为ν第4束辐射信号.根据泵浦和探测束相位匹配方法的不同, DFWM可分为两种:相位共轭简并四波混频(PC-DFWM)和前向折叠式盒状简并四波混频(FFB-DFWM). PC-DFWM利用两束光反向传播的泵浦束相交于探测束, 产生的信号与探测束相位共轭, 并严格沿探测束的反路径传播, 即无Doppler效应.在较弱的情况下可以达到较高的分辨率. FFB-DFWM利用两束泵浦束相交, 探测束作为对角线连接到矩形盒的另一角, 信号产生于盒子的中心, 并沿着第4条对角线传播.其信号在空间上与泵浦束分离较明显, 形成较强的信号强度, 消除交叉谐振的影响.但其信号光谱可以被Doppler增宽, 使信号强度和谱线更复杂.
DFWM法已经成功应用于内燃机等设备, 在火焰研究中常用窄波段激光器扫描, 多数情况下还需要附加温度测量以单个能态布局计算总的组分温度, 且其信号发散角小、抗干扰能力强, 在复杂燃烧诊断中, 具有广阔的应用前景.近年来的研究表明, 宽带DFWM将是其主要发展方向, 它形成的光谱可同时测量温度和组分浓度, 总体上DFWM尚处于发展、完善的阶段, 是CARS法测量温度和组分测量的补充. Bultitude等[45]利用DFWM技术测量甲烷-空气火焰中OH分子在火焰中的DFWM光谱, 并通过DFW信号进行了燃烧场温度测量.但由于这项技术理论复杂, 易受杂散光干扰, 操作起来难度很大, 限制了其应用发展.西北核技术研究所的关小伟等[46]以FB-DFWM技术为基础, 研究了激光能量、调谐波长等对DFWM信号的影响, 探索了如何抑制杂散光干扰等问题.随着技术研究的进步和发展, DFWM会变成一种更完善的测量手段, 广泛应用在燃烧诊断中.
2.7 可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)随着可调谐半导体激光器技术快速发展, 其覆盖的波段越来越宽, 几乎涵盖了整个近红外和中红外波段, 而且输出光功率、激光器线宽等方面也都有了极大提高.因此TDLAS技术迅速发展, 其重要应用是对发动机燃烧室温度等进行测量[47].在高温、高压、非稳态复杂流场等极端条件下, TDLAS可以快速、无损地测量温度[48], 系统集成化、适应性和可靠性都很强.
TDLAS技术采用窄线宽可调谐的半导体激光器做光源, 通过调谐激光器波长, 获得被测流场的特征吸收谱, 进而反演获取被测流场的特性参数, 比如温度等. TDLAS技术在测量方法上主要分为直接吸收法和二次谐波法.
TDLAS直接吸收法测温技术的理论基础是Beer-Lambert定律, 利用可调谐激光光源调谐出待测气体的吸收谱线, 然后进行待测流场温度、组分浓度等信息的测量.假设一束频率为ν的激光束穿过待测区域, 被均匀介质气体吸收, 光路上的积分吸光度可表示为
| $ I/{{I}_{0}}=\text{exp(-}p{{S}_{\text{i}}}\text{(}T\text{)}\phi (\nu )\chi L\text{)} $ | (4) |
式中, I0, I分别是入射激光和经流场吸收后的激光强度, p是气体总压, Si(T)是该谱线的吸收强度(即线强), (ν)是被测吸收谱线的线型函数, χ是气体体积浓度, L是光程. 图 15为线强吸收原理示意图.吸收谱线的线强度是温度的单值函数, 因此可反演得出温度信息.此外, 还可利用多条吸收谱线进行流场温度的测量.气体吸收线强依赖于温度, 由于不同吸收线具有不同的低能级态, 其温度依赖特性不同, 故可以选取同一气体分子的两条吸收线, 利用它们的线强比值来测温.使用多条吸收谱线同时穿过待测流场, 根据测量积分吸收率和低能级能量之间的关系拟合出直线, 求得直线的斜率即可获得待测流场温度.
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| 图 15 线强吸收示意图 Fig.15 Schematic diagram of the line strength absorption |
直接吸收法能够将谱线的线型还原出来, 测量原理简单, 可以避免被测流场压强变化对测量结果的影响, 但其灵敏度较低, 测量易受散射颗粒、湍流以及现场振动的影响; 二次谐波法是基于锁相检测的原理, 能够有效抑制其他频段噪声对测量的影响, 具有测量灵敏度高和抗干扰能力强的优点[49].二次谐波法测温的主要缺点是不能直观地反映谱线线型信息, 测量前须进行标定. TDLAS二次谐波法中, 激光器的输出波长除了以1个锯齿波进行扫描外, 还受1个高频正弦波调制.介质的吸收系数与激发波长之间的关系是非线性的, 因此经过被测介质后的激光将包含很多谐波成分.二次谐波法便是通过测量激光经过流场后调制信号的二次谐波信号实现对燃烧参数的测量[49].
利用TDLAS双线测温法进行温度测量时, 目标光谱的选择很关键.选择谱线对相对独立, 周围无其他较强的谱线干扰; 在待测温度范围内, 两条谱线强度比值应是温度的单值单调函数, 并且两条谱线的线强不能相差太大(通常10倍以内), 以保证温度测量的准确性; 两条谱线的间隔不能太大, 最好是用一台激光器扫描即可同时覆盖, 并且两条谱线的中心频率应位于激光器理想调谐范围内, 以获得更高灵敏度[50-51]. 图 16为测量的甲烷流量为15 L/min、化学配比为1时的标定燃烧炉温度实时在线测量结果, 其测量重复频率为1 kHz[52], 测量数据的抖动是由火焰燃烧中的抖动造成的, 表明TDLAS能够用于复杂瞬态燃烧流场诊断中.
TDLAS技术可以进行气体温度、组分浓度、气流流速的非接触实时测量, 设备质量轻, 占用空间小, 环境适应能力强, 而且抗干扰能力强, 测量数据精度高, 完全拥有在线实时测量能力.然而, TDLAS的不足之处在于它是一种线测量技术, 即测得的光谱吸收信号是沿测量路径的积分值, 反演的温度和气体浓度值则是该光路上的平均值, 不能反映待测区域的场分布情况.近年来国内外正兴起基于TDLAS技术和计算机断层扫描技术(computed tomography, CT)的场分布二维重建研究[53], 但其获得的二维温度场信息的空间分辨率仍然较低.浙江大学的崔海滨等[54]基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术, 研究了高温环境中CO2温度测量方法, 选取位于4 996 cm-1附近的CO2吸收谱线作为高温环境中对CO2温度进行测量的目标谱线对, 对气体吸收池内不同温度(873~1 273 K)、不同CO2体积分数(4%~10%)的CO2/N2混合气体的温度进行了在线测量, 得到测量温度与设定温度的平均偏差为2.07%, 为高温环境中CO2的测量提供了一种新的技术手段. 图 17为所选谱线线强随温度的变化记忆温度敏感性.
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| 图 17 谱线线强随温度的变化以及温度敏感性[54] Fig.17 Variation of spectral line strength with temperature and temperature sensitivity[54] |
装备学院(今航天工程大学)激光推进及其应用国家重点实验室的宋俊玲等[55]采用时分复用技术, 在1 kHz扫描频率下分别扫描H2O的两条吸收谱线7 205.25 cm-1和7 416.05 cm-1, 基于自适应迭代算法采用4个角度投影对温度分布在300~1 100 K范围内的气体温度场进行了重建, 通过在两条光线中间增加虚拟光线的方法提高了重建精度, 为接下来优化光线空间布置和提高气体二维重建精度提供了参考.
中国空气动力研究与发展中心的殷可为等[56]通过火焰炉在导轨上的平移和在转台上的旋转, 获得了24路光束的H2O气吸收光谱信号, 再使用ART算法实现了对待测区域温度场和H2O气体浓度场的重建, 与热电偶的测量结果基本一致, 证明了该重建方法能够实现燃烧场温度二维分布测量.
3 结论
本文总结了几种基于激光的非接触式温度诊断方法, 并结合具体的应用案例对其工作原理及应用条件、特点进行了描述.实际上每种方法都有其自身的实用性及其优缺点, 尚没有哪一种激光诊断技术能够满足所有的测量环境.上文这些燃烧场温度测量方法中, 除CARS外都需要在实验中进行标定. Rayleigh散射测量时采用可见至紫外波段的激光器均可, 适合于气体燃烧场, 在洁净低碳烟的开放火焰中易于获得良好的测量结果.采用LIF/PLIF进行燃烧场温度测量时, 需要知道探测组分光谱信息及探测能级能量再分布过程, 可能需要加入示踪粒子, 适合于气、液体燃烧场, 也可用于固体燃烧.特别地, TALF技术测温需要撒播特定金属粒子(例如铟和镓原子), 适合富油燃烧、液体燃烧, 可适用于富含碳烟的燃烧, 也可用于固体燃烧[30]. LIP技术需要获得一致温度时的图层表面参考发光图像, 适合于液体燃料燃烧.以上这几种测量技术均可以实现二维燃烧场的温度测量.采用Raman散射时需要认真选择激光源和优化信号接收系统, 适合于气、液体燃烧, 也可用于固体燃烧[30], 一般能测量一维温度场.而CARS要求激光源具有高的光束质量和稳定的模式结构, 适合含有高浓度颗粒的两相流场非清洁燃烧, 固体燃烧[30], 可以进行单点/一维测量. TDLAS需要选择合适的气体吸收谱线对, 适合气体测量, 可实现线测量.
成功的燃烧场温度测量取决于具体的实验条件与合适的测量技术的匹配, 因此除了要熟悉各项激光测量技术的工作原理和应用条件外, 还需要把握具体燃烧场的特性及测量需求.不管采用哪种测量技术, 开展测量结果的对比有利于检验测量数据是否可靠, 包括与计算结果进行对比、与其他光学诊断技术测量结果对比、采用标准的燃烧炉或火焰作为参考等方法.随着激光技术的进步, 新型激光源和高速率、高灵敏度、低噪声的探测器件的出现, 激光诊断技术发展日新月异, 相信将会获得进一步的发展并被广泛应用于各种实际的复杂燃烧环境中.在本文综述之外, 仍有一些不太常见的其他温度诊断方法, 虽然未在文中列出, 也应当加以关注.
致谢 感谢国家自然科学基金(51876219)的支持.
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