分子標記速度測量技術及應用研究進展

葉景峰, 胡志云, 劉晶儒, 宋文艷

(1. 西北工業大學 動力與能源學院, 西安 710072; 2. 西北核技術研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室, 西安 710024)

分子標記速度測量技術及應用研究進展

葉景峰1,2,*, 胡志云2, 劉晶儒2, 宋文艷1

(1. 西北工業大學 動力與能源學院, 西安 710072; 2. 西北核技術研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室, 西安 710024)

分子標記示蹤技術是用于流場顯示和速度測量的一類激光診斷技術。通過分析目前常用的分子標記方法、分子標記顯示方法以及數據處理方法及其研究進展，對分子標記示蹤測量技術進行了較為全面的介紹；列舉了OH和NO分子標記示蹤技術在超聲速流動、邊界層流動及發動機尾流的測量應用實例，并對實際應用中反應流場背景干擾、測量環境的強振動和內流場測量中光學窗口的影響進行了討論和分析。

激光診斷；分子標記示蹤；速度測量；流場

0 引 言

在現代航空航天領域，對高速流場特性的研究是非常重要的部分。高精度可靠的流場參數測量技術在燃燒基礎問題研究、流場特性分析、發動機研發中起著關鍵的作用，不僅能為流體動力學、燃燒化學反應動力學研究和數值模擬計算提供實驗數據，也是發動機模型參數測試和發動機性能評估不可或缺的手段。傳統的流場參數測量通常采用接觸式或取樣式，比如利用熱電偶測量流場溫度，皮托管測量流場速度，取樣分析的方法測量流場組分濃度等，不僅無法獲取流場內部詳細的信息，而且對流場造成干擾，測量結果可信度不高。基于激光的非接觸測量技術具有對流場無干擾、測量信息豐富和時空分辨率高等優勢。最近十幾年來，隨著激光技術和光譜、圖像采集技術的蓬勃發展，大量激光診斷技術在燃燒基礎研究中獲得了很好應用[1-3]，且部分診斷技術在發動機模型實驗的關鍵參數測量中也開始發揮重要作用[4-10]。

分子標記速度測量(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)技術是以分子作為標記示蹤的流場速度測量技術。它與粒子圖像速度測量(Particle Imaging Velocimetry, PIV)技術的測量原理類似，都是根據示蹤物在已知時間間隔內跟隨流場的移動距離計算流場的速度分布。所不同的是，PIV技術采用質量較大的粒子作為示蹤物，而MTV技術采用標記的分子作為示蹤物，可以認為是對流場的直接測量，因此有效克服了PIV技術在超高速流動尤其是含有強激波的流場中示蹤粒子的跟隨性問題(有研究表明[11]，即使是直徑小到100nm的粒子也不是總能有效地跟隨流場)。而且，MTV技術還避免了在流場中注入粒子密度控制較難，對設備可能帶來的污染等問題。

1967年，A.T. Popovich和R. L. Hummel[12]首次提出利用標記流場中分子進行速度測量的概念，早期發展了一些分子標記方法和技術[13-15]，但主要用于液態流場的測量并且需用到有機溶劑。直至20世紀80～90年代，水溶性標記分子的采用[16-17]和多種適用于氣態流場分子標記方法的發明[18-21]使得MTV技術得到了迅速發展。目前，液態流場中的磷光物質分子，氣態流場中的羥基(OH)和一氧化氮(NO)作為流場的標記示蹤分子已經得到了較為廣泛的應用。

本文通過介紹MTV的技術原理、常用示蹤分子的標記方法、顯示方法及數據處理方法等對MTV技術進行了概述，對它們目前的應用情況和存在的問題進行了討論和分析，其中包括作者所在的課題組利用OH分子標記示蹤技術對超聲速流場速度的部分測量應用工作。

1 MTV技術原理

MTV原理如圖1所示，可以描述為“寫”和“讀”2個過程，“寫”過程即為對分子的標記過程，通常利用激光與流場中特定分子相互作用的方式改變分子狀態，沿光束上形成區別于流場其它位置的標記示蹤分子線(圖中的符號“T”)；“讀”過程為對標記示蹤分子的顯示過程，通常利用標記示蹤分子的輻射光或平面激光誘導熒光(Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF)等技術進行顯示。標記分子在“寫”時刻tw時生成，其濃度隨時間逐漸減小，不同標記分子的壽命不盡相同。如圖2所示，進行速度測量時，在標記分子的壽命內，通過間隔時間為td=tr2-tr1的2次“讀”過程顯示2幅標記示蹤分子圖像，通過比較2個時刻它們在流場中的位置差計算移動距離d，利用公式v=d/td計算速度v。

圖1所示為一束激光進行“寫”的情況，能夠顯示流場中一條線上的運動狀態。實際應用中，多采用多條激光束交叉排布進行“寫”的方式，能夠得到覆蓋流場的網格的運動狀況，進而得到平面的速度場分布。

圖1 MTV速度測量原理圖

圖2 標記分子“寫”“讀”時序圖

2 MTV技術進展

2.1 分子標記方法

能夠用于流場顯示的示蹤分子需滿足幾個條件：(1)在空間上具有可區分性；(2)壽命足夠長，示蹤分子必須在大于td時間段內穩定存在，td的選擇與待測流場的速度和拍攝相機的分辨能力相關，對于速度為幾百m/s的流場，td通常選擇在μs量級；(3)可顯示，這些標記分子可輻射光或通過激光誘導熒光的方式被單獨顯示。表1列出了近些年學者們研究發現的一些標記示蹤分子、產生這些分子的母體及標記方法。

表1 幾種標記分子Table 1 The list of typical molecular tags

用激光激發磷光分子至其第一激發三重態，激發態的磷光分子在之后的很長時間內(10-4～100 s)會持續輻射磷光，這一特點使其作為標記示蹤分子非常合適，因為對標記磷光分子圖像的顯示不需采用特殊的技術，只需利用相機拍攝不同時間的磷光輻射圖像即可。關鍵之處在于對磷光物質的選擇，既要能方便地散布進流場，又要能夠適應流場環境，避免其它分子(O2、H2O等)的碰撞淬滅。超分子1-BrNp Gβ-CD ROH作為液體流場的標記，應用比較成功，M. M. Koochesfahani 進行了比較詳細的介紹[22-23]。對于氣態流場，聯乙酰作為標記示蹤分子在內燃機內流場等湍流場的速度場測量中得到一定的使用[7, 24]，但不幸的是，由于在有氧環境中磷光淬滅嚴重，造成該種標記分子目前還僅限用于基礎的氣體動力學研究，未在實際的風洞實驗以及燃燒流場中得到應用。

作為流場標記的OH是用激光解離流場中通常存在的水分子產生的，是一種不需要外加注入種子的方法。1988年，J. A. Shirley和L. R. Boedeker[19]使用輸出波長為248nm的氟化氪(KrF)準分子激光，利用雙光子激發的方式解離水產生OH作為流場的標記示蹤分子，但由于雙光子吸收截面小，只能在激光功率密度很高的區域產生解離，標記線長度短。1999年，J. A. Wehrmeyer等人[20]對該方法進行了改進，利用氟化氬(ArF)準分子激光器輸出的波長193nm激光作為標記激光，利用單光子吸收激發的方式解離水產生OH標記，所需的激光功率密度顯著降低，使得技術的實用性得到了大大提高。解離產生的OH壽命在常溫常壓環境中約幾十μs量級，在高溫環境中則很長，通常情況下可以忽略其壽命對測量的影響。并且，高溫環境下由于更多的水分子處于振動的激發態，使得對193nm光子的吸收截面大大增大(1500K溫度下，水對193nm激光的吸收截面是常溫下的約500倍)。因此，OH作為標記在高溫甚至反應流場中具有非常好的應用優勢。

NO是另一種使用較多的標記示蹤分子。產生NO標記分子的方法有幾種，通過激光解離注入流場的NO2分子產生NO是其中之一。NO2分子的解離極限是3.115eV(對應的光波長398nm)，常用的紫外激光光子能量都可以滿足要求。1999年，C. Orlemann等人[21]利用輸出波長308nm的XeCl準分子激光解離NO2產生NO進行標記，NO壽命可達20ms。由于固體激光使用更加方便，后來的研究中輸出波長355nm的三倍頻YAG激光器代替了準分子激光器作為解離激光源[25]。另外一種產生NO標記的方法是用激光解離注入流場的N2O(笑氣)分子[26]，由于N2O無毒無腐蝕性，對實驗人員、實驗設備和環境的保護比NO2要好。直接利用流場中存在的NO也是一種方法[27]，用激光誘導熒光的方式激勵NO到激發態，然后拍攝它的熒光輻射進行速度測量，這種方法與使用磷光分子進行速度測量的思想類似，但熒光輻射時間通常很短(10-7～10-9s)，并且激發態的NO容易受到流場中O2等分子碰撞淬滅影響使得熒光輻射時間更短，因此這種方法適合用于時間間隔td可非常短的超高速流場，并且流場本身有NO存在，為低碰撞淬滅環境。理論上，NO作為標記也可用于高溫反應流場特性研究，S. Nakaya等人[25]曾在實驗室利用甲烷/空氣火焰流場進行嘗試，并獲得了標記圖像。但是高溫或反應流場中無論是NO2或N2O都有可能分解或參與化學反應，使得標記的圖像信噪比大大降低。因此，大部分NO作為標記的應用實例仍主要針對常溫流場的研究。

RELIEF(Raman Excitation Laser Induced Electronic Fluorescence)技術是R. Mile等人[18]提出的利用振動激發態的O2作為標記示蹤分子的方法[28]。利用2束激光(波長532和580nm)將O2通過拉曼激發的方式激勵到振動激發態作為標記示蹤分子，并利用激光誘導熒光進行顯示。由于激發是非線性過程，所需的激光功率密度比較高，因此產生的標記區域較小，而且激光裝置也比較復雜。雖然M. Webster和W. Lempert[29]對系統進行了進一步改進，但仍局限用于環境良好的實驗室環境。

其它的分子標記方法，如臭氧分子標記(Ozone Tagging Velocimetry, OTV)[30]利用激光解離的方法將流場中的O2解離并復合產生O3，標記分子壽命非常長，但標記分子生成的時間也比較長，且在略高的溫度下O3會快速分解；激光解離流場中的N2和O2復合產生NO(Air Photolysis and Recombination Tracking, APART)[31]所需的激光能量密度也比較高。因此，RELIEF、OTV和APART雖然都是無需種子注入的MTV技術，但對流場環境要求比較高，實用范圍受到一定的限制。

飛秒激光電子激發標記(Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging, FLEET)方法是J. B. Michael等人[32]最近提出的，利用飛秒激光非常高的功率密度(～1018W/m2)，通過多光子激發方式，與流場中的N2作用產生原子態N，N在復合過程中產生長壽命寬帶的可見光輻射。與激光態的磷光分子類似，該方法對標記的顯示非常簡單方便。

2.2 標記分子的顯示

上文已經提到，對于能夠自發輻射光的標記分子，比如激發態的磷光分子、FLEET方法中的N原子等，顯示方法非常簡單，只需在對分子完成標記過程后，在隨后標記分子的存在時間內，利用相機對分子進行拍攝即可。

對于本身不輻射光的標記分子，如激光解離水產生的OH、解離或復合產生的NO等，就需要專門的顯示技術對它們進行顯示。常采用的方法是PLIF技術，即利用另外1個與標記分子共面的片狀激光共振激發標記分子至電子激發態，通過拍攝激發態標記分子向下躍遷時輻射的熒光達到顯示的目的。由于熒光輻射時間很短，1次激發只能得到1個時刻的標記分子位置，因此要獲得2個時刻的標記分子位置，常用的方法是在“寫”過程時(tw)先記錄標記示蹤分子的圖像作為tr1時刻圖像，測量時的顯示圖像作為tr2時刻標記位置圖像，以“讀”“寫”的時間間隔作為td。 顯示過程中，間隔時間td是需選擇的關鍵參數，如果td過大，雖然標記分子在流場中移動距離d大，理論上速度計算精度更高，但是必然會造成測量空間分辨力的降低，而且標記分子在流場中的擴散會使得標記線變模糊，不易分辨。但td過小，會使得標記線在流場中移動距離很小，速度的計算精度會因此降低。 PLIF技術的共振激勵線選擇需根據待測流場的狀態(溫度和壓力等)進行，根據對流場狀態的估算選擇共振吸收較強的激勵線，有助于增加信號強度。對于NO標記分子的顯示，A. G. Hsu等[33]利用光解離生成的NO分別處于振動基態(ν=0)的激發態(ν=1)的特點，有針對性地選擇振動激發態的NO進行顯示，還能夠有效地抑制流場中本身存在的NO背景的干擾。

在對標記分子進行顯示時，利用輻射光的衰減時間特性和光譜特性，同時可以進行二維溫度場的測量。H. Hu等人[34]利用磷光分子輻射衰減曲線與溫度的關系，研究了同時測量溫度場和速度場的磷光分子標記方法。J. B. Michael等人[35]在FLEET研究中，利用N復合輻射光譜的不同譜帶，也進行了溫度場和速度場同時測量的研究。R. Sanchez-Gonzalez等人[36]利用雙色PLIF技術在對解離的NO標記分子進行顯示的同時，同時測量了流場的溫度。

2.3 數據處理

無論何種分子示蹤標記技術，采用的數據處理程序基本上是相同的，通常有以下幾個步驟：(1)圖像的修正和放大倍率的標定。指對拍攝相機所使用的成像裝置成像扭曲變形的修正和放大倍率的標定，通常利用一個標準板圖像對成像系統進行標校，編寫相應的轉換程序，在實驗中對拍攝到的實驗圖像利用轉換程序進行處理。(2)標記示蹤分子圖像的預處理。對于信噪比相對較低的實驗圖像，在不改變標記分子圖像主要特征的前提下進行降噪、勻化處理。(3)標記分子位置提取。標記分子位置提取是數據處理中最關鍵的一步，較詳細的描述在文章下段進行。(4)速度場計算及還原。在獲得不同時刻標記分子位置后，通過速度計算公式獲得不同空間位置的速度值，并進行速度場的還原顯示。在間隔時間td很小的實驗中(激光脈沖寬度、相機開門時間可以與之比擬的情況下)，還需要對td的度量進行細致的考慮，計入激光的脈沖形狀、相機的開門寬度等對測量的影響。

1996年，C. P. Gendrich等人[37]根據磷光分子標記速度測量需求，提出了交叉標記網格位置提取的直接相關方法，他們對2個時刻的標記線交叉節點圖像進行直接相關運算，通過移動運算的視窗，得到相關函數，通過多項式擬合的方式求相關函數的最優解，得到2個時刻交叉點的位置差，位置提取精度可以達到亞像素級別。之后很長的一段時間內這種方法作為各種分子標記速度測量技術的常用方法。

2011年，M. C. Ramsey等[38]引入模板匹配的方法用于適應湍流場速度測量中標記線網格的扭曲變形。構造了一個可變形的交叉模板，利用這個模板分別與不同時刻的實驗圖像進行相關計算，分別得到相關函數，進而求相關函數最優解的方式得到不同時刻標記線交叉節點的位置。這樣的處理使得計算過程可容忍標記網格的扭曲，有效提高了湍流場標記分子位置的提取精度。

3 近期的應用

MTV技術在流場的特性研究中已經獲得了較好的應用，比如磷光分子標記示蹤技術在活塞式內燃機流場研究的應用[24, 39]，NO和OH作為標記示蹤分子在航空航天領域的應用等。本節主要列舉NO和OH作為標記示蹤分子在超聲速內流場速度測量、高速流動邊界層的速度輪廓研究和尾流速度測量等的幾個應用實例，并對實際應用中存在的問題進行總結分析。

3.1 超聲速流動速度測量

R. W. Pitz等[6]利用193nm激光作為解離光源，283nm激光探測OH的HTV技術對Ma2超聲速流道凹腔內的速度分布進行了測量研究。實驗的驅動氣體為干燥空氣，作者在流場中加入了少量的水用于作為產生OH標記示蹤分子的母體。測量得到的典型HTV圖像如圖3(a)所示，通過改變測量高度，得到了凹槽內速度的分布。2011年，A. N. Perkins等人[40]利用該技術研究了置于激波管內頭部為弓形和錐形的試件表面的流動速度分布，流場氣體為含水的氦氣。圖3(b)為得到的標記網格圖像。

圖3 超聲速流動中多線HTV測量圖像[6,40]

作者所在的課題組利用單線HTV技術，分別對燃料為H2/空氣的超聲速羽流和流道內的流動進行了測量[41-42]。圖4為在超聲速羽流中得到的標記線圖像和計算的速度分布數據，其中圖4(a)、(b)和(c)分別對應于羽流的膨脹區域、膨脹壓縮中間區域和壓縮區域。圖5為在Ma2的超聲速流道內測量獲得的標記線圖像及沿標記線上的速度分布數據，x坐標的0點對應于流道壁面。

圖4 超聲速噴流單線HTV測量圖像[41]

圖5 超聲速噴流單線HTV測量圖像

3.2 高速流動邊界層速度測量

對于邊界層速度測量，通常采用單線或多線標記技術，不使用交叉網格的排布方式，而是將標記激光垂直入射到待測的邊界上。P. Danehy等人[27]利用激光誘導熒光激發流場中的NO至激發態作為示蹤分子，在Ma8.5激波管風洞上，測量了超聲速邊界層速度輪廓，由于熒光輻射時間很短，為了減少碰撞淬滅對熒光壽命的影響，使用98.9% 的N2與1.1%的O2混合作為工作氣體。B. F. Bathel等人[43-44]利用355nm激光解離NO2產生的NO作為標記示蹤分子，在Ma10風洞上，針對楔形金屬塊表面的流動進行了測量，主要用于研究邊界層的轉換。為了防止激光束對金屬表面的損傷，在金屬塊上的激光作用區域安裝了光學窗口。圖6為得到的標記線圖像，自上向下分別對應于時間間隔td逐漸增大的情況。近期，N. D. Calvert等人[45]利用FLEET 也進行了邊界層速度測量嘗試。

圖6 高速流動邊界層NO-MTV測量圖像[43]

3.3 尾流速度測量

A. G. Hsu等人[46]利用光解離NO2產生的NO作為標記示蹤分子，在實驗室測量噴管噴出的流場速度分布，給出了精細的速度分布，并與CFD計算的結果進行了對比。A. N. Perkins等人[47-48]利用HTV技術對燃燒航空煤油的SR30縮比型渦輪發動機和全尺寸J85渦輪發動機的尾流進行了速度測量。在燃燒比較充分的情況下，得到了較好的測量圖像，圖7為對J85發動機測量的結果，但在燃燒不充分的情況下，由于未燃的燃料對標記激光的吸收，沒有獲得可用的圖像。

圖7 J85渦輪發動機尾流HTV圖像[48]

3.4 實際應用遇到的主要問題

MTV在比較大型的實驗平臺(如超聲速激波風洞和全尺寸的發動機等)中的測量應用中，面臨著在光學實驗室沒有遇到的許多問題，主要如下：

(1) 反應流動中燃料和背景對測量的影響

目前，MTV技術大多數的應用還局限于非反應流動。對于反應流動，在實驗室較好的環境部分標記技術(如OH、NO)還能夠勝任，但在工業應用環境中，還存在較多問題，主要有：一是反應流場本身存在的中間產物會形成強烈的背景干擾影響測量圖像的信噪比；二是在復雜燃料的反應流動中，大分子燃料(航空煤油等)的存在會對標記激光產生較強的吸收，使得解離效率降低，對于使用短波長標記激光的HTV技術影響尤為明顯。

(2) 振動對測量的干擾

在需要利用PLIF技術進行顯示的標記技術中，如上文所述，由于示蹤分子的位置在“寫”過程時已經精確知道，為了簡化實驗設備，以“寫”時刻示蹤分子的位置作為初始位置，通常僅執行1次“讀”過程，此時時間間隔td=tr1-tw。這對于比較穩定的測量環境是可行的，但對于存在較大振動干擾的環境，測量系統受到振動引起的位移可能帶來較大的測量誤差。針對振動干擾，也研究了相應對策，但還存在局限性和適用范圍。比如，A. N. Perkins等人[49]在燃燒煤油的流場測量應用中，通過依次記錄標記激光誘導的煤油熒光(tw時刻)和標記分子熒光(tr1時刻)來實現對振動干擾的抑制，但由于標記分子熒光和流場中的煤油熒光在光譜上不完全匹配，tw時刻圖像信噪比不高。J. A. Inman等人[50]針對開放流場，將標記線穿過整個流場并使得部分標記線處于靜止場中，以一副圖像中處于靜止場和流動場的標記線位置分別作為tr1和tr2時刻的位置，也有效地降低了振動的干擾，但這種方法也僅適用于開放流場中。

(3) 內流場測量中光學窗口的影響

對于內流道流場測量，光學窗口會對測量造成一定麻煩，一方面玻璃本身吸收激光，造成激光能量利用效率的降低；另一方面玻璃容易受到激光的損傷，限制了入射激光能量的提高，因此會造成測量圖像信噪比的降低。實驗中應盡量選擇純度高、透光性能好的光學窗口材料。

4 結 論

綜上所述，MTV技術是一類新興的速度測量技術，由于以分子作為流場標記，可以認為是對流場的直接測量，無流場跟隨性問題。但相比于PIV技術，大部分MTV技術所需的儀器設備更加昂貴，技術實現更加復雜。因此，MTV技術是對PIV技術很好的補充，在PIV技術應用受到限制的超高速流場、含有強激波的流場、邊界層流動等測量中能夠發揮重要作用。

有些標記示蹤分子不僅能夠在流場速度測量中發揮作用，而且利用它們的輻射光譜和時間特性，或者使用雙色PLIF技術，可以同時實現流場的溫度場測量，這對于燃燒反應動力學和流體動力學的相互作用研究具有非常重要的意義，應是MTV技術下一步發展的方向之一。

在環境相對復雜的大型試驗流場特性研究中，強振動、光學窗口等帶來的干擾和影響是待解決的工程問題。而對于燃燒化學反應流場，背景干擾是下一步待解決的主要問題。

[1] Alden M, Bood J, Li Z S, et al. Visualization and understanding of combustion processes using spatially and temporally resolved laser diagnostic techniques[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33(1): 69-97.

[2] Kohse-Hoinghaus K, Barlow R S, Alden M, et al. Combustion at the focus: laser diagnostics and control[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2005, 30(1): 89-123.

[3] 劉晶儒, 胡志云, 張振榮, 等. 激光光譜技術在燃燒流場診斷中的應用[J]. 光學精密工程, 2011, 19(2): 284-296.

Liu Jingru, Hu Zhiyun, Zhang Zhenrong, et al. Laser spectroscopy applied to combustion diagnostics[J]. Optics and Precision Engineering, 2011, 19(2): 284-296.

[4] O′byrne S, Danehy P M, Tedder S A, et al. Dual-pump coherent anti-stokes raman scattering measurements in a supersonic combustor[J]. AIAA Journal, 2007, 45(4): 922-933.

[5] 張立榮, 胡志云, 葉景峰, 等. 移動式CARS系統測量超聲速燃燒室出口溫度[J]. 中國激光, doi: 10.3788/CJL201340. 0408007.

Zhang Lirong, Hu Zhiyun, Ye Jingfeng, et al. Mobile CARS temperature measurements at exhaust of supersonic combustor[J]. Chinese Journal of Lasers, doi: 10.3788/CJL201340.0408007.

[6] Pitz R, Lahr M, Douglas Z, et al. Hydroxyl tagging velocimetry in a supersonic flow over a cavity[J]. Applied Optics, 2005. 44(31): 6692-6700.

[7] Mirzaei M, Dam N J, van De Water W. Molecular tagging velocimetry in turbulence using biacetyl[J]. Physical Review E, 2012. 86(4): 046318.

[8] 張振榮, 葉景峰, 王晟, 等. 煤油燃燒場主要組分濃度測量[J]. 強激光與粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201426. 081017.

Zhang Zhenfeng, Ye Jingfeng, Wang Shen, et al. Measurement of major species concentration in kerosene combustion[J]. High Power Laser and Particle Beams, doi: 10.11884/HPLPB201426. 081017.[9] Pitz R W, Grady N R, Shopoff S W, et al. UV Raman scattering measurements of a Mach 2 reacting flow over a piloted cavity[R]. AIAA-2008-244.

[10] 王培勇, 邢菲. 先進激光測量技術在航空發動機燃燒室研發中的應用[J], 航空發動機, 2012, 38(4): 53-58.

Wang Peiyong, Xing Fei. Advanced laser measurement technology for aeroengine combustor research and development[J]. Aeroengine, 2012, 38(4): 53-58.

[11] Richard H, Gregory E. An experimental investigation of accurate particle tracking in supersonic, rarefied, axisymmetric jets[R]. AIAA-2009-1265.

[12] Popovich A T, Hummel R L. A new method for non-disturbing turbulent flow measurement very close to a wall[J]. Chem Eng Soc, 1967, 22: 21-25.

[13] Falco R E, Chu C C. Measurement of two-dimensional fluid dynamic quantities using a photochromic grid tracing technique[R]. SPIE, 1987, 814: 706-710.

[14] Ojha M, Cobbold R S C, Johnston K W,et al. Pulsatile flow through constricted tubes: an experimental investigation using photochromic tracer methods[J]. J Fluid Mech, 1989, 203: 173-197.

[15] Chu C C, Wang C T, Hsieh C H. An experimental investigation of vortex motions near surfaces[J]. Phys Fluids, 1993, 5: 662-676.

[16] Koochesfahani M M, Gendrich C P, Nocera D G. A new technique for studying the Lagrangian evolution of mixing interfaces in water flows[J]. Bull Am Phys Soc, 1993, 38: 2287.

[17] Gendrich C P, Koochesfahani M M, Nocera D G. Molecular tagging velocimetry and other novel applications of a new phosphorescent supramolecule[J]. Experiments in Fluids, 1997, 23: 361-372.

[18] Miles R, Cohen C, Connors J, et al. Velocity measurements by vibrational tagging and fluorescent probing of oxygen[J]. Optics Letters, 1987, 12(11): 861-863.

[19] John S, Laurence B. Non-intrusive space shuttle main engine nozzle exit diagnostics[R]. AIAA-88-3088.

[20] Wehrmeyer J A, Ribarov L A, Oguss D A, et al. Flame flow tagging velocimetry with 193-nm H2O photodissociation[J]. Applied Optics, 1999, 38(22): 6912-6917.

[21] Orlemann C, Schulz C, Wolfrum J. NO-flow tagging by photodissociation of NO: A new approach for measuring small-scale flow structures[J]. Chemical Physics Letters, 1999. 307(25): 15-20.

[22] Koochesfahani M M. Molecular tagging velocimetry (MTV)-progress and applications[R]. AIAA-99-3786.

[23] Koochesfahani M M, Goh A C, Schock H J. Molecular tagging velocimetry (MTV) and Its automotive applications[J]. The Aerodynamics of Heavy Vehicles: Trucks, Buses, and Trains, 2004. 19: 143-155.

[24] Schock M M I, Fedewa A M. Gaseous flow measurements in an internal combustion engine assembly using molecular tagging velocimetry[J]. Experiments in Fluids, 2006. 41: 57-65.

[25] Nakaya S, Kasahara M, Tsue M, et al. Velocity Measurements of Reactive and Non-reactive Flows by NO-LIF Method Using NO2Photodissociation[J]. Heat Transfer-Asian Research, 2005. 34(1): 40-52.

[26] Elbaz A M, Pitz R W. N2O molecular tagging velocimetry[J]. Applied Physics B, 2012, 106(4): 961-969.

[27] Danehy P M, O′byrne S, Housing A F P, et al. Flow-tagging velocimetry for hypersonic flows using fluorescence of nitric oxide[J]. AIAA Journal, 2003, 41(2): 263-271.

[28] 施翔春, 王杰, 肖緒輝, 等. 拉曼激發激光誘導電子熒光流場測量系統中標記過程的研究[J]. 光學學報, 2001, 21(2): 206-210.

Shi Xiangchun, Wang Jie, Xiao Xuhui, et al. Tagging procedures of raman excitation plus laser induced electronic fluorescence flow velocimetry[J]. Acta Optica Sinica, 2001, 21(2): 206-210.

[29] Matt W, Walter L. A Simplified and portable RELIEF flow tagging velocimetry system (Invited)[R]. AIAA-2008-3757.

[30] Debarber P D, Segall J, Brown M S, et al. Ozone flow tagging-A novel approach for unseeded velocity measurement[R]. AIAA-95-1952.

[31] Dam N, Klein-Douwel R J H, Sijtsema N M, et al. Nitric oxide flow tagging in unseeded air[J]. Optics Letters, 2001, 26(1): 36-38.

[32] Michael J B, Edwards M R, Dogariu A, et al. Femtosecond laser electronic excitation tagging for quantitative velocity imaging in air[J]. Applied Optics, 2011, 50(26): 5158-5162.

[33] Hsu A G, Srinivasan R, Bowersox R D W, et al. Molecular tagging using vibrationally excited nitric oxide in an underexpanded jet flowfield[J]. AIAA Journal, 2009, 47(11): 2597-2604.

[34] Hu H, Koochesfahani M M. Molecular tagging technique for the simultaneous measurements of flow velocity and temperature fields[R]. AIAA-2006-0041.

[35] Edwards M R, Dogariuy A, Milesz R B. Simultaneous temperature and velocity measurement in unseeded air flows with fleet[R]. AIAA-2013-0043.

[36] Sanchez-Gonzalez R, Bowersox R D W, North S W. Simultaneous velocity and temperature measurements in gaseous flowfields using the vibrationally excited nitric oxide monitoring technique: a comprehensive study[J]. Applied Optics, 2012, 51(9): 1215-1228.

[37] Gendrich C P, Koochesfahani M M. A spatial correlation technique for estimating velocity fields using molecular tagging velocimetry (MTV)[J]. Experiments in Fluids, 1996, 22(1): 67-77.

[38] Ramsey M, Pitz R. Template matching for improved accuracy in molecular tagging velocimetry[J]. Exp Fluids, 2011, 51(3): 811-819.

[39] Mittal M, Sadr R, Schock H J, et al. In-cylinder engine flow measurement using stereoscopic molecular tagging velocimetry (SMTV)[J]. Exp Fluids, 2009. 46(2): 277-284.

[40] Perkins A N, Ramsey M, Pitz R W, et al. Investigation of a bow shock in a shock tube flow facility using hydroxyl tagging velocimetry (HTV)[R]. AIAA-2011-1092.

[41] Ye J F, Hu Z Y, Zhang Z R, et al. Velocity measurements of high temperature high speed flow by hydroxyl tagging velocimetry[R]. SPIE 8796-93.

[42] 李國華, 葉景峰, 邵珺, 等. HTV技術在高速燃燒流場中的應用[C]//光譜技術在燃燒診斷及大氣檢測中的應用學術研討會論文集, 四川成都, 2013.

Li Guohua, Ye Jingfeng, Shao Jun, et al. The application of HTV to high speed combustion flow[C]//The proceeding of the conference on application of laser spectroscopy to the combustion diagnostics and atmosphere detection, Chengdu, Sichuan, 2013.

[43]Bathel B F, Johansen C T, Danehy P M, et al. Hypersonic boundary layer transition measurements using NO2→NO photo-dissociation tagging velocimetry[R]. AIAA-2011-3246

[44]Bathel B F, Danehy P M, Johansen C T, et al. Hypersonic boundary layer measurements with variable blowing rates using molecular tagging velocimetry[R]. AIAA-2012-2886.

[45] Calvert N D, Dogariu A, Miles R B. FLEET boundary layer velocity profile measurements[R]. AIAA-2013-2762.

[46] Hsu A G, Srinivasan R, Bowersox R D W, et al. Two-component molecular tagging velocimetry utilizing NO fluorescence lifetime and NO2photodissociation techniques in an underexpanded jet flowfield[J]. Applied Optics, 2009. 48(22): 4414-4423.

[47] Alexander A, Wehrmeyer J, Runge W, et al. Nonintrusive measurement of gas turbine exhaust velocity using hydroxyl tagging velocimetry[R]. AIAA-2008-3709.

[48] Blandford B, Runge W O, Hu S, et al. Application of hydroxyl tagging velocimetry (HTV) to measure centerline velocities in the near field exhaust of a gas turbine engine[R]. AIAA-2008-235.

[49] Perkins A N, Ramsey M, Strickland D J, et al. Dual-pulse hydroxyl tagging velocimetry (HTV) in jet engine exhausts[R]. AIAA-2009-5108.

[50] Inman J A, Danehy P M, Bathel B, et al. Laser-induced fluorescence velocity measurements in supersonic underexpanded impinging jets[R]. AIAA-2010-1438.

(編輯：楊 娟)

Development and application of molecular tagging velocimetry

Ye Jingfeng1,2，*, Hu Zhiyun2, Liu Jingru2, Song Wenyan1

(1. School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi′an 710024, China)

Molecular tagging velocimetry is a kind of laser diagnostic technique for flow display and velocity measurements. In this paper, the authors introduced the molecular tagging velocimetry in detail by analyzing the technique development of tag creating, tag displaying, and data processing. Several application examples of the velocity measurements of supersonic flow, boundary layer flow and the exhaust gas of engine using OH and NO tagging techniques were listed. The problems that the molecular tagging velocimetry has encountered in industrial application, such as the background in reaction flow, the strong vibration environment and the optical windows restriction, were discussed and analyzed.

laser diagnostics;molecular tagging;velocity measurement;flow

1672-9897(2015)03-0011-08

10.11729/syltlx20140079

2014-07-09;

2014-10-12

激光與物質相互作用國家重點實驗室基金課題(SKLLIM1207)

YeJF,HuZY,LiuJR,etal.Developmentandapplicationofmoleculartaggingvelocimetry.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(3): 11-17, 61. 葉景峰, 胡志云, 劉晶儒, 等. 分子標記速度測量技術及應用研究進展. 實驗流體力學, 2015, 29(3): 11-17, 61.

TN249

A

葉景峰(1979-)，男，河南西平人，副研究員。研究方向：燃燒流場激光診斷技術研究及應用。通信地址：陜西西安西北核技術研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室(710024)。E-mail：yejingfeng@nint.ac.cn

*通信作者 E-mail: yejingfeng@nint.ac.cn