时间分辨动态LIBS测量方法

针对激光诱导击穿光谱(LIBS)研究对时间分辨动态光谱测量方法的需求,建立了基于多通道光纤束的动态LIBS测量方法。该方法首先利用不同长度的光纤组成多通道光纤束,对瞬态LIBS信号进行差异延迟,使按照特定时间序列发射的光谱信号同步到达探测器,而后采用面阵ICCD相机对同步到达的多通道光谱信号进行高时间分辨探测。该方法单次测量即可获得LIBS辐射不同时刻的时间分辨光谱。为了验证基于多通道光纤束的动态LIBS测量方法,研制了具有19个通道的光纤束,光纤束中包含的各个单根光纤长度呈等差数列排布,长度差设置为10 m,对应测量的时间间隔约为50 ns,单次测量记录的总时间长度近900 ns。分别基于短脉冲激光光源和标准光源,开展了系统时间响应和光谱响应特性研究,获得了系统的时间响应数据和光谱响应曲线。用YAG激光器的二倍频激光(532 nm)诱导Si产生等离子体辐射光谱,在线测量了辐射光谱的时间演化历程,获得了Si等离子体辐射过程中SiⅠ390.52 nm,SiⅡ385.51 nm,SiⅡ413.12 nm谱线从0~898 ns时间范围内19个时刻的光谱信息,获得了特征光谱的演化规律,验证了该测量方法的可行性。结果表明,利用该测量方法,单次测量可以获得瞬态LIBS辐射过程中19个时刻的光谱参数,具有很高的测量效率。对于实验成本较高、运行频率低的激光诱导等离子体实验研究,采用该方法可以大大降低了测量成本,有效提升等离子体时间分辨动态光谱测量能力。

宽光谱吸收应用中光谱扫描区间的选择

与传统的窄带扫描吸收光谱技术相比,宽光谱吸收技术可以获取更宽光谱范围内的丰富吸收数据,具有很大的技术优势。宽光谱吸收技术测量系统的硬件与传统的可调谐二极管吸收光谱技术测量系统基本一致,唯一不同的是宽光谱吸收技术则使用宽带调谐光源。实际应用中,宽光谱吸收光源一般都具有较宽的光谱覆盖范围(>20 nm),而使用全谱段扫描会对数据采集、存储和处理提出较高的要求,从而增加系统成本和测量工作量。因此,选择合适宽度的光谱扫描区间就成为宽光谱吸收应用中的一个关键问题。利用等效下能级概念,提出了针对宽光谱吸收应用的光谱扫描区间选择的数值方法,并针对1.3μm波段和2μm波段开展了扫描区间选择研究。在1.3μm波段,计算给出的优选扫描谱段与文献报道中使用的谱段相重合,验证了选择方法的可行性和正确性。在2μm波段,在给定工况条件下,通过实验数据验证了所选择扫描区间在温度反演精度方面的优越性。针对实际应用中面临的宽工况环境,通过计算给出了2μm波段优选的扫描光谱区间。计算结果表明,在1.8μm的短波段和1.9μm的长波段均存在适用的光谱扫描区间,其中,1.86μm附近测温精度最高;更宽的扫描带宽有助于降低系统在全光谱范围内的整体测温不确定度。相关研究可为宽光谱吸收技术在燃烧流场诊断的现场应用提供关键技术指导。

高压强下2μm波段CO_(2)宽光谱吸收测量与分析

利用宽带可调谐掺铥光纤激光器开展了覆盖152 kPa至932 kPa的2µm波段CO_(2)宽光谱吸收测量实验,通过将实测谱与基于HITRAN数据库计算的理论谱进行峰值匹配完成了波长定标,然后将基线表示为三次多项式并结合理论光谱数据,对原始信号做基线-吸收线整体拟合得到了与实验参数设置相吻合的压强、温度和CO_(2)浓度信息。其中压强计算误差低于5%,温度计算误差低于1%,实测谱与理论谱的整体残差在0.04以内。另外对比了窄带吸收谱与宽带吸收谱的吸收面积反演结果,验证了宽光谱吸收技术在高压测量环境下的可靠性,在温度、气体摩尔分数近似不变的情况下,宽带吸收谱反演的吸收面积与压强在测量范围内保持了良好的线性关系。

面向双级旋流燃烧器的10kHz滤波瑞利散射测温和CH_(2)OPLIF测量研究

本文开展了常压下双级径向分层旋流燃烧器内旋流火焰的二维温度场及甲醛浓度场测量研究,发展了10kHz测量频率的滤波瑞利散射测温技术.首先,借助Hencken平面火焰炉构建了滤波瑞利散射信号与温度的校准关系.基于校准后的滤波瑞利散射系统,获得了旋流火焰的二维温度场数据:实验分析主要聚焦于甲烷-空气混合物在不同当量比(0.65至1.05)下的温度场变化.在当量比为0.85的单旋流火焰中,观察到火焰形状由V形向M形的转变,这归因于热扩散效应与空气热传导效应的相互作用.此外,在双旋流火焰中,研究发现相同运行条件下,值班火焰与主火焰在燃烧过程中发生从融合到分层的变化.本文详细描述了双旋流火焰分层现象期间的相平均温度场分布,并与瞬时CH_(2)O分布进行了对比.

分子标记速度测量技术及应用研究进展

分子标记示踪技术是用于流场显示和速度测量的一类激光诊断技术。通过分析目前常用的分子标记方法、分子标记显示方法以及数据处理方法及其研究进展,对分子标记示踪测量技术进行了较为全面的介绍;列举了OH和NO分子标记示踪技术在超声速流动、边界层流动及发动机尾流的测量应用实例,并对实际应用中反应流场背景干扰、测量环境的强振动和内流场测量中光学窗口的影响进行了讨论和分析。

羟基分子标记示踪速度测量中的强振动干扰抑制

针对在发动机实验环境中羟基分子标记示踪速度测量技术受到的强振动干扰问题,通过实验研究分析了标记激光与不同流场作用时产生的辐射光谱特性,设计了在实验中同时拍摄标记基准图像和移动图像的振动干扰抑制方法。对于一般流场,在实验中实时拍摄标记激光瑞利散射作为标记基准图像,而对于含有煤油大分子碳氢燃料的流场甚至是CH_4燃烧场,用标记激光诱导燃料在OH荧光辐射波段的辐射光作为标记基准图像。在超燃发动机的速度测量应用尝试表明,两种方案均可以达到抑制振动的目的。在相对干净的流场区域,前者得到的标记激光图像会受到壁面散射等干扰,基准位置提取不确定度约为0.06mm。在流场中未燃燃料含量比较丰富的区域,后者能够得到清晰的标记基准图像,基准位置提取不确定度可以降至0.03mm,与采用平均方法得到的基准位置提取不确定度相当。

一种提高羟基分子示踪速率测量精度的方法

为了尽量减小羟基(OH)分子示踪流场速率测量误差、提高测量精度,利用OH分子标记线沿宽度方向的强度分布近似为高斯函数的特征,用高斯函数对实验测量数据进行了拟合,用拟合数据的峰值位置作为OH分子标记线的中心位置,并以此作为测量基准位置,对典型的OH分子示踪速率测量数据进行了处理。结果表明,采用这一数据处理方法,可使流场速率计算精度明显提高。

高温瞬态超音速喷流OH分子示踪速度测量

介绍了研制的小型脉冲高温超音速流场模拟装置。利用OH分子示踪速度测量技术,对实验室建立的小型脉冲高温超音速流场模拟装置产生的喷流速度分布进行了诊断。通过改变测量对应于喷流的空间位置光路调节,改变193 nm激光线相对于喷流的空间位置,分别得到了喷流不同区域的OH分子示踪速度图像,根据图像计算了测量位置喷流沿轴线方向的速度分量的分布情况。结果显示:喷流在压缩区的速度比在膨胀区低得多;在压缩初期区域喷流中心部分速度明显高于两侧部分,而在二次膨胀区域喷流中心部分速度低于两侧部分。

交叉标记显示的羟基标记速度矢量测量

针对流场二维速度矢量分布测量的需求,提出了利用交叉标记显示的光路设置实现羟基分子标记示踪速度矢量的方法。该技术中通过将标记激光束和显示激光片交叉布置,在激光片平面内形成交叉标记点用于流场示踪。与传统的交叉网格实现速度矢量测量的方式相比,该方法简化了实验光路,有利于在恶劣环境中的应用,并且得到的标记为近似圆点,标记位置的识别更加方便。通过对交叉标记显示产生的标记点图像的位置进行模拟识别运算,获得了影响标记点位置识别精度的因素和规律。利用单标记点实验设置,获得了射流火焰流场速度矢量及其浮动值,结果显示在存在火焰OH背景干扰的情况下,速度测量不确定度小于2.2m/s;利用柱面透镜阵列,实现了3×20个标记点的速度矢量分布测量。研究结果表明了交叉标记显示方法进行分子标记速度测量的可行性。

激光光谱技术在燃烧流场诊断中的应用

介绍了用于燃烧流场诊断的激光光谱技术的研究进展,叙述了相干反斯托克斯喇曼散射、自发振动喇曼散射、激光诱导荧光、分子滤波瑞利散射、可调谐二极管激光吸收光谱等技术的基本原理及其实验系统。给出并分析了激光光谱技术对预混火焰稳态燃烧场和固体燃剂瞬态燃烧场的温度、主要组分及浓度、流场密度和火焰构造测量的实验结果。实验结果表明,基于激光光谱的燃烧诊断技术不仅能够实现对稳态燃烧场的高精度测量,而且能够应用于复杂的瞬态燃烧场诊断。

阶梯式凸模分流组合模设计

介绍了挤压型材模具中,具有阶梯式凸模的分流组合模设计的方法和设计要点,用实例阐述了该类型模具的设计过程和设计思路。

基于相干反斯托克斯拉曼散射的二维温度场扫描测量

开展了基于相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术的二维温度场扫描测量研究。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/空气预混火焰水平截面离散点的温度,并插值重建了二维温度场;用同步扫描法调节测量点与火焰的位置,实现了在扫描过程中对火焰同一空间位置的温度测量,排除了火焰空间分布不均匀性对扫描测温结果的附加影响。最后分析了提出的扫描CARS测量系统在实验设定状态下的扫描测温A类不确定度。结果显示:在扫描测量同一空间位置的实验中,测得该点平均温度为2 074K;测温A类不确定度优于21K。本研究量化了扫描CARS温度测量系统的不确定度,提高了扫描温度测量结果的可信度,为后续稳态火焰温度分布高精度测量、计算机流体动力学(CFD)模拟验证及燃烧基本问题研究奠定了实验基础。

瞬态流场定量测量中平面激光诱导荧光图像的降噪

研究并评价了单幅荧光图像的降噪方法,以便真实、有效地获得用于瞬态流场测量的荧光图像的流场参数。分析了单幅荧光图像中的噪声来源,根据对双线测温信息提取的影响程度,确定米散射强噪声作为主要的滤波对象。分析了不同数字滤波方法的适用范围,并对丙酮荧光显示的流场图像进行了降噪处理。通过检查荧光图像与滤波处理图像的差值图像中含有荧光图像结构信息的程度评价了降噪效果。比较表明,形态学开运算图像重构滤波方法对荧光图像中米散射强噪声去除效果较好,并可较好地保护图像中原有荧光信息的细节。采用形态学开运算图像重构滤波方法对Q2(11)线与P1(7)线激励甲烷/空气预混火焰获得的荧光图像进行处理,得到了较为平滑的二维温度分布,测量温度在2 000K左右。结果表明,形态学滤波方法在瞬态流场定量测量的PLIF图像降噪处理方面具有一定的应用潜力。

用于燃烧场诊断的分子滤波瑞利散射技术(英文)

为了测量燃烧场的热力学性质,研究了分子滤波瑞利散射技术。分子滤波瑞利散射技术采用窄线宽激光器、分子滤波器和像增强CCD相机,通过分子吸收凹陷检测激光片照射流场产生散射光的频谱,抑制背景杂散光和米散射,解析流场热力学信息。建立了分子滤波瑞利散射诊断系统和分子滤波器,根据测得的滤波图像和碘蒸气吸收光谱,获得了甲烷-空气预混火焰的温度场和密度场。测量结果显示,距离标定燃烧炉表面15 mm处火焰的密度为0.19 kg/m3,温度为(1827±84)K,与CARS法测是结果基本吻合,测温不确定度为8%。分子滤波瑞利散射技术还成功应用于水雾和高速喷流结构的诊断,获得了激光作用区的湍流结构。实验表明,分子滤波瑞利散射技术能够测量燃烧场温度和密度,并能用于流场可视化。

航空发动机地面试验激光燃烧诊断技术研究进展

为了研究湍流燃烧基础问题和改进实际燃烧装置性能,基于激光的燃烧诊断技术已发展成为当前发动机湍流燃烧实验研究的主要测量工具。在已发展的激光燃烧诊断技术中,每种技术都有其局限性和适用范围,需要根据发动机模型燃烧室内部流场测量的要求和特点,选择合适的激光诊断技术。在温度测量中,相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术主要用于单点温度测量,单脉冲CARS谱测温不确定度优于5%;高时空分辨温度场的测量需要采用双色平面激光诱导荧光(PLIF)测温方法,但其测温精度通常也会相应降低。在速度测量中,粒子成像测速(PIV)技术适用于低速流场速度的精细测量,羟基分子标记测速(HTV)技术适用于高温超声速甚至高超声速流场的速度测量,HTV测速不确定度可优于4%。在组分浓度测量中,主要采用自发拉曼散射(Spontaneous Raman Scattering,SRS)和PLIF技术进行主要组分和中间反应物的浓度分布测量。本文对航空发动机湍流燃烧温度、速度、组分浓度等参量的高时空分辨测量所涉及的激光燃烧诊断技术的基本原理、研究现状和发展趋势进行综述。

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。

基于可调谐二极管激光吸收光谱波长调制技术在线测量燃烧场温度

介绍了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)波长调制技术的测温原理。通过选择水在1 397.75nm和1 397.87nm处两条邻近的吸收线,运用多功能数据采集卡对二极管激光器进行控制和信号采集,实现了TDLAS波长调制技术对标定燃烧炉甲烷/空气预混火焰温度的实时在线测量,测量重复频率为250Hz。分析了温度测量数据抖动的原因,结果表明燃烧过程中火焰本身温度的抖动是测量结果波动的主要原因,测量系统的A类标准不确定度小于53K。

纳秒级激光脉冲展宽系统的分析及应用

建立了一种纳秒级多腔式激光脉冲扩展系统。通过激光脉冲展宽,该系统可以有效降低脉冲激光的峰值功率,从而在激光燃烧诊断实验中避免激光诱导等离子体的产生,减少背景干扰,有效提高信噪比。建立了理论模型,对影响脉冲展宽的分束比、腔长以及光学腔个数等几个主要参数进行了分析,并通过数值计算实现了各参数的优化。利用建立的多腔串联式激光脉冲展宽器,对Nd∶YAG脉冲激光器二倍频激光进行了脉冲展宽,将脉宽为7.8 ns的脉冲激光分别展宽为17,35和72 ns,激光的峰值功率最大可降低为原激光峰值功率的9%左右,并保持了较好的光束质量。将该展宽器应用于自发喇曼散射实验中,很好地解决了激光诱导击穿光谱对喇曼信号的干扰,取得了较好的实验结果。

双色热敏磷光涂层测温技术

空气动力表面温度和压力分布的精确测量对理解复杂流场内部机制和流体力学仿真模型的验证具有重要意义。热敏磷光表面测温技术作为一种面测量技术,具有非接触测量、可对试件全尺度测量、空间分辨率高等优点。开发了一种室温到800 K温度范围内的双色热敏磷光涂层材料。该发光材料受激辐射的发光光谱的两个发射峰光强在不同温度下呈现不同的衰减趋势,根据这种规律发展了双色测温技术。建立了热敏涂料温度标定系统,获得了双峰光强比与温度的变化曲线。采用双色法测温技术测量了旋转曲面物体表面的温度分布。结果表明,双色热敏磷光涂层测温技术能够实现物体表面温度的定量测量,对于测试技术的发展具有重要推动作用。

平面激光诱导荧光实验中激励激光的光束整形

分析了激励激光光强分布对平面激光诱导荧光(PLIF)实验中荧光强度的影响。基于柱面微透镜列阵设计了一套激光片状光束匀滑整形系统,并根据PLIF实验的具体要求,通过光线追迹方法优化了系统参数。建立了片状光束整形实验系统,对染料激光进行了匀滑整形,获得了不均匀性<4%的均匀片状光束,满足了PLIF实验所需。在此基础上建立了PLIF实验系统,获得了酒精灯火焰和CH4/air预混火焰中OH的二维荧光分布。