无创激光燃烧诊断

燃烧过程，如果不受控制，本质上是低效的，而由于有限的化石燃料资源及其对环境的影响，提高发动机、燃气燃烧器和熔炉的燃烧效率是未来的一个重大挑战。

研究火焰的结构和组成需要尖端激光成像技术，如激光诱导荧光(LIF)、激光粒子图像测速(PIV)、散射实验(拉曼-、瑞利-和米-)和光谱学(发射和吸收)。^{[1] [2]}．这些技术是最受欢迎和常用的，因为它们允许高分辨率的非侵入性多参数测量。一些最常用的激光诊断技术，以检查复杂的燃烧过程是粒子图像测速和平面激光诱导荧光(PLIF)和较小程度的化学发光。这些构成了燃烧成像和诊断科学的骨干，是原位实时记录火焰中发生的复杂动态气体和燃料过程的理想选择。

平面激光诱导荧光(PLIF)

在PLIF中，脉冲波长可调的激光源形成一层薄光^[3]，与所研究的流场(火焰区)交叉。当激光波长与流中的一个物种(化学离子或分子)的光学跃迁共振时，入射光的一部分将在照明平面内的点被吸收。一些被吸收的光子随后以新的光谱分布重新发射，这对每个分子/物种都是不同的，也随着火焰中局部流场条件的变化而变化。

荧光是由Nd:YAG泵浦染料激光器激发火焰中的OH等物质而产生的。发射的荧光被收集并成像到固态阵列相机上，该相机通常与“门控”图像增强器耦合，以提供具有提高灵敏度的快速流动快照，因为感兴趣的物种发射荧光的强度可能非常低。

相机中像素检测到的光(荧光)量取决于火焰测量区域内正在研究的物种的浓度和局部流场条件，即温度、压力和混合物成分。PLIF是研究反应流中火焰前沿的一种有效技术。应用领域从实验室燃烧器到商业内燃机和燃气轮机燃烧器不等。PLIF是理想的用于测量浓度/摩尔分数的物种，如Na, OH, NO, O₂， CH, CO或丙酮，局部温度，速度和压力。bob综合app官网登录应用程序包括:

• 鉴别火焰和燃烧器的OH和CO成像
• 气体喷射中NOx生成的NO成像
• 燃料和空气混合物的丙酮成像
• 火焰和超音速/高超声速流动中的温度成像
• 超音速喷射的速度成像

粒子图像测速

粒子图像测速(PIV)是一种基于激光的光学技术，用于表征燃烧过程中的流动和湍流动力学。典型的PIV测量使用双激光脉冲探测流场，并同时确定单个平面上感兴趣的特征的两个速度分量^[3]．PIV是一种在各种情况下检测流动过程的真正有用的技术，随着高速摄像机和数据处理系统的可用性，PIV现在已经达到了顶峰。使用CMOS或线间技术的现代相机的高速和快速快门率，通常以每秒10帧的速度运行，这意味着PIV可以提供一流的图像。然而，在某些情况下，在检查超声速流时，即使增强的帧率可能也不足以获得非模糊图像，在这些情况下，使用具有10纳秒或100纳秒快门能力的图像增强器可以提供非常清晰的图像。当不需要的强光学背景可能干扰与所需实验信号相同的光路时，这种相机/探测器的设置也很有用。在这些情况下，快速门控探测器只允许在被研究的信号(散射或荧光)发射期间暴露传感器，从而最大限度地减少激光脉冲之间不必要的背景积累量。

化学发光成像(CI)

CI是一种更简单的技术，也用于火焰研究，它代替激光使用所研究物种的化学激发。相机记录从化学激发态(如OH)发出的光，然后标记为OH*，因为当它们返回基态时，它们在光子发射之前处于激发态。CI在应用PLIF技术困难或成本过高的情况下非常有用，例如光学引擎诊断，在这种情况下，为了跟踪单周期事件，首选获取具有高重复率的图像数据。

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2015年的一项突破性研究^[4]对煤颗粒的燃烧采用高速平面激光诱导荧光法测量了边界层中的羟基自由基。使用层流反应器提供富氧废气环境中OH分布在10 kHz的时间分辨成像，可以识别反应区和火焰后区，并获得燃烧煤颗粒的时间演化。本实验首次揭示了OH在火焰边界区域的分布。2012年的一项光学研究^［5］在一种新型火花点火发动机中，使用PLIF和CI来表征燃烧过程。获得曲柄角分辨率的火焰CI图像，并对其进行一系列连续循环后处理，以计算火焰在缸内的生长速率。

同时，OH-PLIF还应用于火花塞下方的缸内平面，以记录发动机一系列循环中火焰前沿的详细特征。这两种方法的结合能够比较汽油燃烧和氢气燃烧，并提供有关潜在火焰机制的新数据，这将有助于氢动力发动机的发展。其他更复杂的CI和PLIF成像应用现在正在使用基于dfcd(数字火焰颜色辨别)bob综合app官网登录的处理方法^[6]火焰化学发光断层扫描(FCT)^[7]提供火焰几何形状的三维测量，并传达燃烧的多维方面。这些实验表明，PLIF和化学发光技术的组合是详细的火焰研究的理想选择，例如，局部火焰熄灭事件，尽管PLIF通常可以提供更详细的信息，由于更高的空间和时间分辨率。

用于无创激光燃烧诊断的Andor检测解决方案

的和或iStar sCMOS增强相机非常适合PLIF /化学发光和时间分辨PIV。它提供了一个具有高分辨率500万像素矩阵的传感器，可以获得一些最高分辨率和最清晰的图像。iStar sCMOS具有<2ns的高速精确门控，记录4000帧/秒的能力，易于使用，并与高速计算/数据系统集成，为基于激光的时间分辨燃烧诊断提供了最先进的成像技术。iStar sCMOS传感器架构和高度精确的门控功能还允许使用低至300 ns的光学帧间获取连续PIV图像。

引用:

^[1]汉森，R. K.“燃烧诊断:平面流场成像”，第21届国际燃烧研讨会，燃烧研究所，匹兹堡，宾夕法尼亚州，1987年，第1677-1691页。
^[２]Eckbreth, a.c.，“燃烧温度和物种的激光诊断”，Abacus出版社，肯特。
^[3]Seitzman, J. M.和Hanson, R. K.，“气体中的平面荧光成像”，A. M. K. P. Taylor编辑，学术出版社，伦敦(1993)。
^[3]Omrane, a;Petersson p;m·奥尔登;Linne m.a，使用热像荧光粉同时测量2D流速和气体温度。，《应用物理B》第92卷第1期，2008年7月，第99-102页。
^[4]Köser, J.，Becker, L.G，等，高速OH-PLIF在富氧环境中单煤颗粒燃烧的表征，应用物理B, 2015年12月，第121卷，第4期，pp 459-464。
^［5］aliferis, P.G, Rosati, M.F，氢燃料火花点火发动机的火焰化学发光和OH LIF成像，国际氢能杂志，2010年第10届国际清洁能源会议，2012年1月，第37卷，第2期，页1797-1812。
^[6]黄洪伟，张勇，基于DFCD技术的部分预混合成气火焰化学发光表征，国际氢能学报，2013年4月15日，第38卷，第11期，第4839-4847页。
^[7]王娟，宋勇，李志华，何志强，基于透镜成像的多方向三维火焰化学发光层析成像，光子学报，2015年4月1日;40(7):1234 - 1234。doi: 10.1364 / OL.40.001231。