基于飞秒激光与纳秒激光协同多光子诱导荧光的火焰中氢原子瞬态检测

为了准确测量碳氢燃料燃烧过程中原位氢原子,提出了飞秒-纳秒激光协同激发的氢原子瞬态在线探测策略。以243 nm的飞秒激光经过双光子过程将基态氢原子激发到2S能级,随后这些氢原子再被656 nm的纳秒激光激发到3P能级,通过探测3P-2S的荧光发射,实现了宽当量比范围的氢原子无干扰瞬态在线测量。实验结果表明:通过飞秒-纳秒协同的方式,可以有效降低激光光解产生的氢原子对原位氢原子探测的干扰。

基于飞秒激光成丝测量燃烧场温度

激光诊断技术是燃烧温度场无干扰在线测量的主要手段,开发精确的燃烧场温度测量技术对于研究燃烧基础问题具有重要意义.目前,基于激光的燃烧场测温技术大多以纳秒激光作为光源,基于飞秒激光的测温技术相对较少.本文开发了一种基于飞秒激光成丝的燃烧场温度测量方法.飞秒激光在光学介质中传播时,会形成一条具有一维长度且强度均匀分布的光丝,由于光丝内的功率密度极高,足以通过光解和激光诱导光化学反应等方式将原子/分子激发到高能级,进而向低能级跃迁时释放荧光.通过相机收集荧光信号即可获得光丝的空间长度,光丝的长度与光学介质的温度密切相关,将光丝置于已知温度的燃烧场中,可获得不同温度下的光丝长度,结合理论推导,对实验数据进行拟合,可获得光丝长度与温度的定量关系,进而实现燃烧场温度的测量.

基于纳秒LIBS的氢气/空气火焰混合分数测量研究

在双碳政策和化石能源短缺的背景下,氢能作为高效环保的清洁能源,受到广大研究人员的关注。氢气/空气混合燃烧作为推动氢能规模化应用的重要途径,其燃烧机理和关键参数的测量技术成为目前研究的热点。燃空当量比是表征燃烧过程中燃料与氧化剂混合程度的重要参数,直接影响燃烧的开始、自持以及燃烧化学反应的活跃程度。因此,对燃烧过程中的局部当量比实时在线监测,对于改善燃烧效率、控制燃烧过程具有重要意义。目前,可以实时测量氢气/空气火焰当量比的方法相对较少,激光光谱技术作为一种非侵入式的测量方法,不仅具有实时在线测量的能力,还具有快速、原位、远程分析、多元素同时在线监测等特点,在燃烧测量领域具有重要的应用潜力。采用纳秒激光诱导击穿光谱技术对氢气和空气燃烧场的燃空当量比进行测量研究。氢气和空气在管内混合后,由射流口喷出形成射流燃烧火焰场。激光通过透镜聚焦到射流燃烧场中击穿并产生等离子体,其等离子体的发射光谱由光谱仪采集,实验发现光谱中H 656 nm和O 777 nm具有很强的发射强度,且光谱强度随着当量比的变化,呈现规律性变化趋势。因此,采用H 656 nm和O 777 nm的光谱分别标示氢气和空气,并将其比值作为燃空当量比的测量参量。实验在氢气空气混合均匀的低速流场中测量了不同当量比下H 656 nm与O 777 nm的光谱强度比值,并与当量比建立标定曲线,实验发现该标定曲线对燃烧场和非燃烧场同样适用。基于标定曲线,我们研究了存在外界掺混情况下,射流燃烧场的局部燃空当量比情况。在当量比1.0,流场速度为20 m·s^(-1)的射流燃烧场中,测量了射流中心位置不同高度的燃空当量比变化情况,并在相同工况下进行了数值模拟。模拟结果与实验测量吻合较好,验证了纳秒激光诱导击穿光谱技术测量氢气/空气混合气的燃空当量比的可行性。该方法可为氢气燃烧基础研究及数值模拟提供技术支持。