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平面激光誘導(dǎo)熒光PLIF以及PLIF技術(shù)在燃燒診斷中的優(yōu)勢(shì)

更新更新時(shí)間:2023-12-12 點(diǎn)擊次數(shù):950


1.       為什么研究燃燒?

人類文明發(fā)展的每一步都與燃燒利用息息相關(guān),人類的文明史,也是燃燒的利用史。知道燃料的燃燒方式及原理,了解燃燒進(jìn)程,污染物排放等,對(duì)于燃燒類的工程活動(dòng)至關(guān)重要,如汽車(chē)、航天、農(nóng)業(yè)、清潔燃料研究、爆炸、污染物排放等領(lǐng)域,燃燒領(lǐng)域的相關(guān)研究變得越來(lái)越重要。

img1 

 

 

2.       什么是PLIF以及PLIF技術(shù)在燃燒診斷中的優(yōu)勢(shì)?

img2每種分子內(nèi)部都具有其特定能級(jí)結(jié)構(gòu),宏觀表現(xiàn)為特定的吸收或者發(fā)射光譜特征。當(dāng)激光與物質(zhì)相互作用時(shí),這種特定的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致只有當(dāng)激光的波長(zhǎng)與其相匹配時(shí),激光才會(huì)被強(qiáng)烈的吸收,隨后,也有一定的幾率將吸收的能量以熒光的形式釋放。激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)就是利用該特性,通過(guò)特定波長(zhǎng)的激光與物質(zhì)相互作用,并探測(cè)作用后所產(chǎn)生的熒光,從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的檢測(cè)以及物質(zhì)信息的提取。早期的應(yīng)用受硬件條件限制,激光通常被聚焦成一點(diǎn),利用光電倍增管實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及設(shè)備的發(fā)展更新,為了獲取更多的信息,目前激光通常可以被壓縮成片狀,這樣與待測(cè)組分作用產(chǎn)生的熒光就表現(xiàn)為二維分布特性,進(jìn)一步利用高靈敏度的相機(jī),就可以一次性獲取片光有效作用區(qū)域的全部熒光,得到組分二維分布的信息。

 

img3PLIF(Planar Laser Induced Fluorescence,平面激光誘導(dǎo)熒光)技術(shù)是一種高靈敏的激光流動(dòng)顯示技術(shù),利用物質(zhì)對(duì)電磁波的共振選擇吸收特性,它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境特定組分空間分布特征的提取,從而實(shí)現(xiàn)該組分在流場(chǎng)中的二維分布測(cè)量。PLIF技術(shù)具有較高的時(shí)間分辨和空間分辨特性,能夠在納秒時(shí)間尺度對(duì)示蹤組分(原子、分子或自由基團(tuán),如O、CO、OH、CH等)進(jìn)行微米空間分辨的二維成像。對(duì)于沒(méi)有示蹤組分的環(huán)境,可以通過(guò)添加適當(dāng)?shù)臒晒馕镔|(zhì)(如NO、丙酮和羅丹明等)實(shí)現(xiàn)二維顯示。同時(shí),基于分子輻射光譜理論以及結(jié)合其它測(cè)試手段,PLIF技術(shù)還可用于溫度、濃度、速度等參數(shù)的測(cè)量。因此,該技術(shù)在流體力學(xué)、燃燒學(xué)、等離子體研究等諸多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

 

在燃燒場(chǎng),利用PLIF,通過(guò)調(diào)節(jié)激發(fā)波長(zhǎng)可以精確選擇特定基團(tuán),通過(guò)激光器,高分辨的光譜儀和高靈敏度的ICCD/iSCMOS可以獲得基團(tuán)空間濃度分布信息及燃燒過(guò)程中的散射光譜。燃燒過(guò)程中,火焰光很強(qiáng),激光脈沖打在火焰上,可以產(chǎn)生比火焰光更強(qiáng)的熒光信號(hào),但是時(shí)間很短暫(ns);通過(guò)分析這些熒光的特性和變化來(lái)判斷燃燒的狀態(tài);為了消除背景火焰光,拍攝到熒光信號(hào),需要很短的曝光時(shí)間,一般是納秒(ns)級(jí)別;ICCD/iSCMOS可以設(shè)置納秒(ns)級(jí)別的門(mén)控,實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨的測(cè)量;在PLIF實(shí)驗(yàn)中,還要保證激光器和相機(jī)快門(mén)的同步,使熒光信號(hào)落到相機(jī)曝光時(shí)間區(qū)域內(nèi),才能拍到有效信號(hào),排除背景光;

img4 

PLIF 圖像OH LIF, CO LIF, reaction rate (RR), temperature (T),and mixturefraction (f)

 

最重要的信息通常是樣品在燃燒過(guò)程中的濃度及其時(shí)空演變的確定。然而,在PLIF研究中可以確定等離子體內(nèi)溫度和壓力的重要信息,并且當(dāng)與粒子成像測(cè)速儀(PIV)相結(jié)合時(shí),還可以確定速度和流體動(dòng)力學(xué)。在等離子體中,特別是在燃燒研究中研究的典型類型包括OH、CH、NO、NH、CN、CO和O2自由基,以及原子和離子物種內(nèi)的激發(fā)。這些物質(zhì)通常是等離子體固有的,但在流體動(dòng)力學(xué)研究中,具有良好熒光特性的示蹤劑材料被添加到主流體材料中。

img5 

 

PLIF成像的另一個(gè)例子是在脈沖激光沉積(PLD)中。PLD用于通過(guò)產(chǎn)生等離子體在真空或背景氣體環(huán)境中蒸發(fā)耐火材料(金屬或陶瓷)。等離子體物質(zhì)凝結(jié)在薄膜生長(zhǎng)的基底上。作為優(yōu)化薄膜生長(zhǎng)和性能過(guò)程的一部分,研究人員對(duì)過(guò)程中不同物種的進(jìn)化特別感興趣,并將這些特性與薄膜的性能(如薄膜化學(xué)計(jì)量)聯(lián)系起來(lái)。上圖顯示了不同延遲時(shí)間下膨脹等離子體的LIF圖像。

 

PLIF還有一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域是燃燒研究。流體動(dòng)力學(xué)研究通常結(jié)合PLIF和PIV測(cè)量來(lái)表征火焰或羽流內(nèi)的傳輸特性、湍流、溫度、壓力以及濃度。該技術(shù)的一些特定變體被稱為OH-PLIF、CH-PLIF,雙光子CO-PLIF和TR-PLIF。

 

3.       系統(tǒng)介紹

img6 

PLIF設(shè)置的基本示意圖如上圖所示。所使用的激發(fā)激光器通常是脈沖式的并且可調(diào)諧的,其波長(zhǎng)可以與樣品內(nèi)的光學(xué)躍遷的吸收很好地匹配。Quantel的Q-Scan調(diào)Q Nd:YAG泵浦染料激光器就很適合這種應(yīng)用。

img7 

PLIF中成功測(cè)量的關(guān)鍵是能夠在高幀率(>10Hz)下以高靈敏度和幾百納秒(ns)的短時(shí)間窗口測(cè)量圖像。新型增強(qiáng)型sCMOS(ICMOS)相機(jī)是進(jìn)行此類測(cè)量的理想產(chǎn)品,它提供了比傳統(tǒng)ICCD更快的幀率、同步觸發(fā)和門(mén)控功能,以及所需的高靈敏度。更快的幀率能夠與更高重復(fù)頻率的激光器匹配。與此功能相結(jié)合的是增強(qiáng)sCMOS相機(jī)能夠按照許多PIV測(cè)量的要求,以高時(shí)間分辨率拍攝雙圖像。

img8IMG_20231113_135502 

             PLIF系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖片(測(cè)試對(duì)象:酒精燈火焰)

 

 

系統(tǒng)其他相關(guān)產(chǎn)品:

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DG645型數(shù)字延時(shí)脈沖信號(hào)發(fā)生器      Ophir激光能量計(jì)探頭和表頭    SRP系列標(biāo)準(zhǔn)阻尼隔振光學(xué)平臺(tái)

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激光護(hù)目鏡                    Omni-λ 系列影像校正光譜儀


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