一种基于扫描式平面激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场oh基浓度三维空间分布的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种定量测量湍流火焰中OH基瞬态三维空间浓度分布的实验方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着超声速燃烧器、航空航天发动机、大型锅炉燃烧系统和大型燃气轮机 等研宄领域对燃烧过程机理研宄的不断深入，急切需要定量地测量燃烧过程中间产物（如 OH基、CH基等）的浓度和温度等信息。平面激光诱导荧光（PLIF)诊断技术作为一种研宄 燃烧过程中各组分浓度和温度分布的非接触式光学测量手段，在超声速燃烧器、航空航天 发动机、大型锅炉燃烧系统和大型燃气轮机等研宄领域一直发挥着至关重要的作用。
[0003] 一方面，虽然目前国际上所使用PLIF技术定性地测量并获得了大量稳定燃烧过 程中间组分的1维和2维空间分布数据，但实际工程应用中的燃烧方式多为湍流燃烧，由于 湍流流场与燃烧场存在强烈的耦合与相互作用，火焰组织遍布整个三维空间传播，并且火 焰存在极快的脉动周期（~ms量级），这使得每一时刻的火焰组织空间分布形态都不相同。 因此，仅仅了解燃烧场的二维空间分布信息是不够的。要想全面了解燃烧场在整个空间内 的分布特征，必须获得燃烧中间组分在三维空间的整体分布情况。另一方面，至今国际上所 使用的PLIF技术几乎都为定性测量，少数定量测量也都只是针对某些特定的稳态燃烧火 焰，而几乎没有定量测量瞬态燃烧场自由基浓度信息的研宄工作。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的提供一种基于扫描式平面激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场 OH基浓度三维空间分布的方法，可以解决瞬态燃烧场OH自由基的三维浓度空间分布定量 测量问题，为促进燃烧诊断领域及化学反应动力学模型的实验验证提供了有力的实验工 具。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 一种基于扫描式平面激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场OH基浓度二维空间 分布的方法，具体实现步骤如下：
[0007] 步骤一：将能够产生309. 240nm的激光器系统产生的激光经过紫外分光镜分成两 束激光；然后使这两束光分别入射到由伺服电机控制的转动反射镜上，再分别耦合进两套 相同的紫外激光光束整形系统中，将激光光束整形成片状光束，并调整光路使这两个片状 光束在同一平面内保证重合，再调整两路光的相对光程，使得这两束光的光程差保持在3m， 即保证两个片状光束的间隔约为l〇ns;
[0008] 步骤二：通过设置DG645数字延时信号发生器控制激光器、伺服电机和两台ICMOS高速相机之间的相对延时使其同步，并设置好伺服电机上转动反射镜的转动速度，然后使 两个片状光束分别依次通过〇1 4/02/队湍流火焰，再利用两套相同的ICMOS高速相机分别记 录OH基先后被前向激光和后向激光激发所发出的荧光信号图像；
[0009] 步骤三：利用公式计算出激光脉冲激发火焰中单个断面的OH基的二维浓度分布， 重复计算过程，将所有断面的0H基二维浓度分布进行三维图像重构，就得到了某一时刻下 湍流火焰中0H基浓度的三维空间分布信息。
[0010] 本发明步骤一中，所用的激光能量之比为1 : 1，两个激光脉冲能量均为200UJ， 脉冲宽度为l〇ns，重复频率为1~10kHz。
[0011] 本发明步骤一中，所产生的片状激光光束大小约为40mmX0. 5mm。
[0012] 本发明步骤二中，利用伺服电机对全反镜进行同步控制，对火焰不同剖面进行扫 描。
[0013] 本发明步骤二中，利用DG645数字延时信号发生器对Nd:YAG激光器、伺服电机和 ICMOS进行同步控制。
[0014] 本发明步骤二中，光束整形系统、伺服电机和ICM0S高速相机必须保证相同。
[0015] 本发明步骤二中，所用的火焰为〇14/02/队湍流火焰，且化学当量比范围在〇 = 0? 6 ~3. 0〇
[0016] 本发明步骤三中，利用Matlab软件从PLIF荧光图像提取出荧光强度的灰度值。
[0017] 本发明步骤三中，0H基的浓度与荧光光强和0H基有效峰值吸收截面存在如下关 系：
[0018] 本发明步骤三中，利用不同剖面的0H基浓度二维空间分布进行三维浓度分布的 重构。
[0019] 本发明具有如下有益效果：
[0020] 1、本发明利用扫描式平面激光诱导荧光（PLIF)成像系统和瞬态燃烧场的0H基 PLIF二维浓度测量技术，将得到的二维荧光图像进行软件上以及数学上的处理，即可得到 燃烧场中二维PLIF图像中的0H基的浓度分布信息，再通过伺服扫描控制系统控制可转动 的反射镜转动，对火焰所有剖面进行0H基浓度测量，进而确定整个湍流火焰组织中0H基浓 度的瞬态三维空间分布，这就有效地解决了普通PLIF成像技术无法对瞬态火焰定量化和 无法对整个火焰空间结构进行三维成像的问题。
[0021] 2、本发明可广泛应用于各种流场和燃烧过程中各种组分的诊断，为燃烧学、计算 流体动力学以及燃烧诊断技术的研宄提供基础实验数据。
【附图说明】
[0022] 图1为扫描式PLIF成像系统测量0H基三维空间浓度分布示意图，图中，1-Nd:YAG 激光器、2-染料激光器、3-倍频器、4-反射镜M、5-棱镜PI、6-伺服电机SMI、7-旋转紫外全 反镜Rl、8-紫外分光镜BS、9-棱镜P2、10-棱镜P3、11-旋转紫外全反镜R2、12-伺服电机 SM2、13-DG645数字延时信号发生器、14-ICM0S高速相机1、15_湍流火焰燃烧器、16-ICM0S 高速相机2、17-紫外滤光片F1、18-紫外滤光片F2、19-紫外光束整形系统1、20-紫外光束 整形系统2 ;
[0023] 图2为一维LIF双向光路式LIF技术测量原理示意图，箭头所指方向为后向；
[0024] 图3为激光脉冲、伺服电机与ICCD相机之间的时序控制关系图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本发明的保护范围中。
[0026] 本发明提供了一种基于扫描式平面激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场OH基 浓度三维空间分布的方法，如图1所示，具体实施步骤如下：
[0027] 步骤一：利用Nd:YAG激光器产生的532nm的激光泵浦染料激光器，产生 618. 480nm的激光光束，该激光光束经过倍频器产生309. 240nm的激光光束，此光束依次经 过反射镜M和紫外熔融石英棱镜P1后入射至紫外分光镜BS中，被分成两束光，这两束光的 能量之比保证为1 : 1，且每束光的能量为200yj，脉冲宽度为10ns，重复频率为1~10kHz 可调。其中被紫外分光镜分出的第一路光会被反射进入由伺服电机控制的旋转紫外全反 镜R1中，经过反射后进入紫外光学整形系统1中被耦合成片状光束1(片状光束的高X厚 为：40mmX0. 5mm);而第二路光会从紫外分光镜中透射出去并沿着入射方向继续传播，并 依次被棱镜P2和棱镜P3反射进入由伺服电机控制的旋转紫外全反镜R2中，被紫外全反镜 R2反射后的光会进入紫外光学整形系统2中被耦合成片状光束2 (片状光束的高X厚为： 40mmX0. 5mm)。片状光束1和片状光束2对向入射，并必须保证在同一平面上重合，且片状 光束1和片状光束2经过湍流火焰燃烧器所产生的〇1 4/02/队湍流火焰的时间间隔为10ns。
[0028] 步骤二：通过设置DG645数字延时信号发生器控制Nd:YAG激光器、伺服电机和两 台ICCD之间的相对延时使具同步，具体参数设置