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應(yīng)用

APPLICATION

光譜儀在燃燒診斷實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

技術(shù)介紹：

燃料燃燒是一種瞬態(tài)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，科學(xué)家利用傳統(tǒng)的光電技術(shù)，結(jié)合激光技術(shù)，光譜技術(shù)，圖像處理技術(shù)用來(lái)分析燃燒場(chǎng)的溫度，組分等參數(shù)，對(duì)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧燃燒提高燃燒效率，減少污染物等有著重要的意義。

燃燒診斷的方法有很多種，有些是直接用高速測(cè)量燃燒的全過(guò)程，有些利用光譜儀加PMT監(jiān)控某些指示化學(xué)鍵發(fā)光的過(guò)程來(lái)分析燃料配比，有些則利用激光技術(shù)，燃燒化學(xué)反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些中間產(chǎn)物（如CH、OH等），這些產(chǎn)物會(huì)吸收激發(fā)激光并發(fā)出特征光譜信號(hào)?？茖W(xué)家分析這些熒光光譜等信息，可以分析火焰瞬時(shí)的結(jié)構(gòu)，組分濃度等信息。

產(chǎn)品應(yīng)用：

科學(xué)家通過(guò)分析多組分煤油的低溫點(diǎn)火性能，發(fā)現(xiàn)添加某些活化劑可以大大降低煤油的燃點(diǎn)，使其在較低溫度時(shí)能夠充分燃燒，

圖1：低溫點(diǎn)火測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖

上圖為相關(guān)的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖，圖中科學(xué)家將摻有一定比例活化劑的煤油滴到變溫臺(tái)上，變溫臺(tái)可以從100度到600多度控制，高速相機(jī)拍攝液滴在變溫臺(tái)上隨溫度變化后的燃燒情況。而在燃燒時(shí)火焰發(fā)光通過(guò)光纖收集到光譜儀中，再由PMT監(jiān)控發(fā)光波段隨時(shí)間變化的衰減過(guò)程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)控燃燒產(chǎn)物OH自由基的發(fā)光波段306.5nm，光譜儀將色散位置設(shè)置到該波段，然后用PMT進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控過(guò)程中PMT高壓設(shè)置為1000V，使其處于光子計(jì)數(shù)狀態(tài)，然后連接數(shù)采，對(duì)OH發(fā)光進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控掃描。

當(dāng)激光引入到燃燒實(shí)驗(yàn)中時(shí)，又會(huì)有很多有趣的現(xiàn)象發(fā)生。首先是拉曼光譜分析。

圖2：火焰燃燒的拉曼光譜分析

在燃燒的不同時(shí)刻，由于燃料從剛開(kāi)始不充分燃燒，中間產(chǎn)物較多，到充分燃燒，再到慢慢冷卻。整個(gè)過(guò)程中各種成分的拉曼信號(hào)的分布是一個(gè)漸變的過(guò)程，我們可以利用這些信號(hào)變化來(lái)分析優(yōu)化燃燒氣體的比例濃度。實(shí)驗(yàn)中一般采用低重頻的Nd：YAG脈沖激光器結(jié)合ICCD來(lái)進(jìn)行研究分析。

如果將染料激光器引入實(shí)驗(yàn)，在Nd:YAG 激光器后面接上染料激光器，用532nm泵浦我們可獲得多個(gè)波段的激發(fā)激光，例如606nm的激光，然后經(jīng)與兩束532nm激光在時(shí)域上進(jìn)行調(diào)整，在滿足CARS的相位匹配條件下，我們可以得到相關(guān)的CARS信號(hào)，從而可以用來(lái)分析燃燒場(chǎng)的溫度和組分濃度信息。

圖3：CARS原理簡(jiǎn)圖和實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

在燃燒過(guò)程中，燃燒不充分會(huì)產(chǎn)生很多中間產(chǎn)物，我們也可以用激光激發(fā)火焰中這些中間產(chǎn)物獲得熒光來(lái)分析，也就是激光誘導(dǎo)熒光（LIF），如果將激光經(jīng)過(guò)柱面鏡等光學(xué)元件整形成很薄的一個(gè)平行平面光，這是我們稱該實(shí)驗(yàn)為平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）

圖4：PLIF實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖

實(shí)驗(yàn)中，我們可以用ICCD或是高速相機(jī)拍攝例如OH分子熒光在燃燒過(guò)程中的分布情況。

圖5：采用ICCD獲得的火焰OH PLIF圖像來(lái)研究火焰內(nèi)部湍流結(jié)構(gòu)分布

卓立漢光可以提供燃燒診斷中的各種產(chǎn)品，例如光路系統(tǒng)搭建所需的光機(jī)產(chǎn)品，如柱面鏡，延時(shí)光路系統(tǒng)等，也提供各類光譜儀配置，例如光譜儀同PMT的組合，也提供光譜儀同各類相機(jī)的組合，特別是燃燒診斷實(shí)驗(yàn)中不可或缺的ICCD相機(jī)，卓立漢光也可以非常完美的進(jìn)行匹配工作。

引用文獻(xiàn)：

  1. Zhu Jiajian, Wan Minggang, Wu Ge, Yan Bo, Tian Yifu, Feng Rong, Sun Mingbo, Chinese Journal Of  Lasers,48(4),0401005(2021).

  1. Haoqiang Sheng, Xiaobin Huang, Yuan Ji, Zhengchuang Zhao,Zhijia Chen, Hong Liu,international journal of hydrogen energy,46,27207 (2021).

  2. Frank JH, Kaiser SA, and Long MB,Proceedings of the Combustion Institute,29(2),2687(2002)