基于激光的測量技術在燃燒流場診斷中的應用

劉晶儒 胡志云

(西北核技術研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室，陜西 西安 710024)

1 引 言

燃燒是當今世界上能量轉換的主要方式之一，廣泛應用于能源、電力、交通運輸等重要領域。燃燒又是多學科交叉的領域，涉及工程熱物理、化學、流體力學、地球物理、生態學等學科。國際上，許多發達國家從20世紀80年代起就大力開展燃燒理論、實驗及診斷技術研究，并在工業發動機研發及其相關領域得到廣泛應用。我國對燃燒領域的研究起步較晚，但近年來開始快速發展。燃燒領域事關國家安全和經濟社會發展的全局，有效地利用能源、提高燃燒效率和減小燃燒產生的污染至關重要，而面臨的主要挑戰源自對基礎燃燒現象的理解。

激光燃燒診斷技術是以激光器件、光譜物理、光電探測、數據圖像處理等為基礎的非接觸式測量技術，當前已發展成為燃燒實驗研究的主要測量工具之一。與傳統的接觸式測量手段相比，其具有如下優勢：首先，它是非侵入式測量方法，對燃燒流場基本沒有擾動，測量結果能更好地反映真實的燃燒過程；其次，測量信息豐富，可獲取燃料霧化、流動速度、燃燒場溫度及組分濃度等各種信息，有利于較全面地了解燃燒過程；第三，它具有很高的時空分辨力，其時間分辨力可以達到納秒甚至飛秒量級，空間分辨力可以達到毫米甚至微米量級，可為認識和理解發動機湍流與燃燒相互作用提供信息；第四，能夠用于燃燒流場參數的可視化測量，結合圖像處理與圖像顯示等手段，可以顯現燃燒場的各種變化特性。

本文從發動機湍流燃燒場診斷的需求和面臨的挑戰出發，結合本課題組在激光燃燒診斷技術領域的研究工作，對基于激光的主要測量技術的基本原理、在燃燒場診斷中應用的國內外研究現狀進行介紹，并對存在的主要問題和發展趨勢進行探討。

2 工業發動機湍流燃燒場診斷需求及面臨的挑戰

工業發動機包括內燃機、燃氣輪機、航空發動機、沖壓發動機、火箭發動機等，是先進的航空、航天、航海以及陸地運載工具的核心部件，其燃燒效率、燃燒穩定性、動力性能和污染物排放等性能均與發動機湍流燃燒過程的本質規律密切相關，也決定于發動機高效燃燒的組織與調控。

發動機的研制需要大量地面試車臺的模擬試驗來驗證工程設計和理論建模的準確性，流動和燃燒參量(例如，速度、溫度、組分濃度等)的高時空分辨測量是認識和理解發動機湍流與燃燒相互作用現象和規律的重要手段，精確的實驗測量數據是進行發動機性能評估的基礎；另一方面，隨著高性能計算技術的迅速發展，涉及燃燒化學反應的計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)高保真模擬已發展成為發動機燃燒室高效燃燒組織與調控的預測設計方法，但其需要大量的發動機燃燒室內燃燒流場測量數據的支撐，從而對網格生成、數值方法、物理模型等CFD中的關鍵問題進行系統地驗證。

工業發動機燃燒過程非常復雜，其特點主要有燃燒空間受限、流動速度高、混合強度高、燃燒強度高、工作范圍寬和參數突變等。影響發動機燃燒的主要影響要素是：燃燒化學反應、燃燒與流動的相互作用和極端條件。燃燒反應動力學的復雜性體現在反應機理涉及成百上千種中間組分和成百上千步基元反應。發動機湍流燃燒的復雜性表現為強旋流、交叉射流、回流等多尺度湍流渦旋和火焰的相互作用。而極端條件包括高壓、高溫、超聲速、寬當量比、強邊界約束、參數突變等。由于湍流燃燒的高度復雜性，其流動和燃燒的眾多參量交織耦合在一起，對溫度場、速度場、火焰面結構、主要組分濃度進行定量測量難度很大。

在處于高壓、高溫等嚴苛環境的現代燃燒系統中，基于激光的測量技術既能為燃燒基礎研究提供測量手段，同時也能在實際燃燒裝置中，為燃燒效率最大化、污染最小化提供經驗性的解決策略。此外，激光診斷技術在解決實際燃燒問題如催化燃燒、火焰抑制、燃燒控制、燃氣輪機和內燃機的燃料注入與混合、材料燃燒合成等方面都具有重要的作用。

3 基于激光的測量技術及其應用進展

3.1 組份濃度測量技術

燃燒過程中主要組分濃度是關鍵參數之一，不僅決定了整個燃燒過程的效率，而且與燃燒反應動力學、燃燒速率密切相關。

濃度從10-2到10-12量級的微量組分的化學反應動力學對于研究燃燒問題起著十分重要的作用，主要的問題涉及到污染物形成(NOx、SOx、碳煙、有毒有機化合物)、火焰點火和火焰抑制等，微量組分空間分布的測量還可以反映火焰的精細結構，確定燃燒反應發生的位置。《應用燃燒診斷學》第二章列舉了與火焰化學應動力學研究相關的60種不同微量組分及其測量方法[1]。但到目前為止，微量組分中研究最多的是OH、NO以及CH自由基，它們在火焰中具有重要的作用，并且檢測方案比較成熟。

自發拉曼散射(Spontaneous Raman Scattering，SRS)技術是燃燒場主要組分濃度測量的重要方法；激光誘導熒光(Laser-Induced Fluorescence，LIF)技術是微量組分測量的有力手段，該測量技術簡單易行，并且有用于理論解釋的數據庫以及二維成像能力；腔衰蕩光譜技術(Cavity Ringdown Spectroscopy,CRD)是一種高靈敏度的吸收技術，可以探測低濃度的化學反應中間產物，也能探測不輻射熒光的分子，并具有可定量標定的能力；光學相干的偏振光譜(Polarization Spectroscopy,PS)技術特別適合背景噪聲較強、而且不輻射熒光的情況下中間產物濃度的測量。我們將分別介紹這些技術。

3.1.1 自發拉曼散射技術

燃燒場主要組分濃度的測量常采用自發拉曼散射技術。激光作用到氣體分子時會產生彈性瑞利散射，同時還會產生較弱的非彈性散射即拉曼散射。拉曼散射光與激勵激光存在一定的頻差，該頻差與激勵激光的波長無關，由散射分子的振動和轉動能級決定。不同的分子，振動能級往往各不相同，因此，理論上一次激發即可獲得被測氣體中所有組分的拉曼光譜，通過光譜分析可以獲得被測氣體的組分信息，同時還可以根據各組分拉曼光譜的強度，計算出各組分的摩爾分數。

(1)

圖1 測量的燃料與空氣混合比的分布(曲線1為平均值，曲線2為RMS值)[3] Fig.1 Experimental mean(curve 1) and RMS fluctuation(curve 2) mixture fraction data[3]

SRS信號強度與照射激光頻率的四次方成正比，由于SRS信號極弱(比瑞利散射信號小3個量級)，為提高信號強度，實驗測量一般采用短脈沖大功率紫外激光器。但是，燃料為煤油時，紫外激光很容易激發煤油產生強的熒光干擾，因此發動機燃燒室實驗大多采用小分子燃料作為替代燃料開展研究工作。例如，N.R.Grady等人[3]采用基于248 nm可調諧KrF準分子激光的SRS方法測量了超燃沖壓發動機燃燒室主要反應物和生成物濃度分布，并有此獲得了燃料與空氣混合比的分布(如圖1所示)，實驗采用70%的甲烷和30%氫氣混合作為燃料。L.Wedr等人[4]采用基于355 nm激光的SRS方法，測量了以天然氣為燃料的高壓燃氣輪機燃燒場，獲得了激光傳輸線上主要反應物和生成物濃度一維分布定量結果，實驗數據用于校驗燃燒室內湍流燃燒過程的大渦模擬(large eddy simulations,LES)。近年來，R.J.Locke等人[5]采用長脈沖大能量532 nm激光代替紫外波長激光，對燃料為JP-8航空煤油的燃燒室進行測量，獲得了探測區主要燃燒產物種類及其平均濃度數據，但單脈沖拉曼譜仍不能提取出定量信息。本課題組利用355 nm 激光激發拉曼散射，開展了煤油燃燒場主要組分測量,著重分析了煤油熒光的特征及其對拉曼信號的干擾，并獲得了貧油燃燒狀態下燃燒場主要組分的典型拉曼散射譜及其摩爾分數隨時間的變化(如圖2所示)[6]。這些研究為SRS方法應用于發動機燃燒室測量提供了很好的借鑒，但如何抑制煤油等大分子碳氫燃料與激光作用產生的光譜噪聲干擾并對極微弱拉曼光譜信號進行高效探測仍需深入研究。

圖2 煤油燃燒場主要組分拉曼散射譜(左)及主要組分摩爾分數隨時間變化(右)[6] Fig.2 Typical measured Raman spectrum(left) and mole fractions of the major species(right) in kerosene flame[6]

因商用Nd∶YAG激光器的激光脈寬通常為納秒級，經透鏡聚焦后的高功率密度激光很容易產生激光誘導擊穿輻射等干擾。為此，采用激光分束和延時合束方法，利用多個相互串聯的環形光學腔構成激光脈沖展寬器，通過調諧腔長，可把納秒級激光展寬至近百ns。在激光能量衰減不太大的前提下有效降低激光峰值功率密度，且展寬前后激光光束質量基本不變，可基本消除激光誘導擊穿光譜的干擾，獲得航空煤油燃燒場信噪比高的拉曼光譜[7]。

3.1.2 激光誘導熒光技術

激光誘導熒光技術是定量測量微量組分濃度最常用的方法。LIF技術通常采用窄線寬激光將分子或原子激發至高能級，然后采集與入射激光有一定頻移的熒光信號。LIF技術具有非接觸、多組分測量、高選擇性、高測量靈敏度(達ppb量級)、高空間分辨率(達50 μm)，可二維測量等優勢，還可實現時間分辨的單脈沖測量。

已有若干綜述性文章論述了LIF技術及測量，其發展歷史可參考兩本激光燃燒診斷著作[8-9]。發表在《Progress in Energy and Combustion Science》期刊上的兩篇文章尤其值得關注。Kohse-H?inghaus[10]全面介紹了火焰中微量組分探測實驗(超過700篇參考文獻)。Daily[11]介紹了LIF的數學模型，包括碰撞導致的復雜模型并給出了實驗和設備的詳盡細節。

在LIF實驗中測量的激光單脈沖熒光信號SF(以mV為單位)由下式給出[1]：

SF=BILΓτLNfBΦFf l(Ω/4π)εηV,

(2)

式中，B為Einstein吸收系數除以光速，IL為單位面積的激光功率譜密度除以激光帶寬，Γ表示激光與吸收線寬之間卷積，τL為激光脈寬，N為電子基態上的分子數；fB為Boltzman分數，表示能夠被激光激發的處于特定電子振轉能級的那部分分子，Φ為激發態的熒光量子產額，Ff l為探測器帶寬內收集的熒光份額。剩下的幾項，Ω為探測器收集熒光的立體角，ε和η分別為探測器的傳輸和光電效率，V為作用區的體積。需要指出的是，此方程只適用于線性區，即當BILΓ足夠小時，基態只有很少一部分粒子被激發。

但若獲得精確的定量測量結果，LIF技術還有許多復雜的問題需要考慮。其中主要涉及測量過程中碰撞和能級轉移。圖3為自由基OH的熒光過程能級示意圖。由于大多數激發態能級的壽命在數十納秒至百納秒之間，而常壓環境下典型的碰撞時間約為100 ps，所以處于激發態的粒子在輻射光子之前會發生很多次的碰撞。而碰撞會導致激發態的粒子以無輻射躍遷的方式返回基態，即產生淬滅，從而大大降低熒光的產生效率。但是，淬滅并不是影響熒光信號的唯一因素，碰撞會頻繁地誘導能級轉移過程，激發態上不同振轉能級的粒子數也會因轉動能級轉移(Rotational Energy Transfer，RET)和振動能級轉移(VibrationalEnergy Transfer，VET)而改變，從而進一步導致熒光光譜復雜化。碰撞淬滅主要取決于探測的能級量子數、溫度、壓強以及碰撞對象(即火焰的化學成分)，需在LIF定量測量中通過標準火焰進行標定或通過測量火焰成分來計算淬滅修正值。對于湍流場，要求LIF技術為瞬時測量，而瞬時條件下的淬滅速率的標定與計算極為困難。Kohse-H?inghaus[10]、Schiffman和Chandler[12]的綜述性文章以及Daily和Rothe的文章[13]詳細地給出了淬滅和能級轉移在LIF技術定量測量組分濃度和溫度時的作用。

圖3 自由基OH的能級轉移過程示意圖 Fig.3 Schematic diagram showing energy transfer processes in the OH radical

有幾種方法可以實現無淬滅的LIF測量。第一種方法是激光誘導預分離熒光(Laser Induced Predissociative Fluorescence,LIPF)技術，即激勵激光將粒子激發至一個預分離態，若能級的預分離速率P遠大于碰撞淬滅速率Q，那么產生的熒光信號幾乎不受碰撞淬滅的影響[14]。另一種方法是飽和熒光技術(Saturated LIF)，即激勵激光的能量非常強，那么熒光信號的強度將與碰撞淬滅和激光強度無關。然而，這兩種方法受基態能級的能級轉移影響非常大，所以也不易實現定量測量。理論模擬和實驗表明，大部分分子在與LIPF所用的強激光光場作用過程中，其量子態會改變。此外，即使使用高功率激光，達到完全飽和也是不可能的，激光脈沖在時間和空間邊緣上的不飽和狀態使探測信號的定量分析很復雜。短脈沖光譜技術為實現無淬滅的LIF測量提供了一個很好的選擇。如果LIF技術的激勵激光脈沖時間比典型的分子間碰撞時間短，且使用適當的探測系統，那么就可以降低淬滅效應對LIF技術的影響。

圖4 超燃沖壓發動機燃燒室OH濃度分布圖像[15] Fig.4 OH PLIF images for hydrogen injection at each of the equivalence ratios[15]

LIF技術信號強，采用片狀激光可測量湍流燃燒中間反應物濃度的空間分布，這種方法稱為平面激光誘導熒光(Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF) 技術。例如，Byrne等人[15]采用PLIF方法測量了以氫氣為燃料的超燃沖壓發動機燃燒室內兩種燃料注入方式的OH濃度分布，獲得了湍流燃燒火焰結構(圖4)，研究了不同燃料配比下氫燃燒現象及規律，并對CFD進行校驗。Strakey等人[16]對1～8 bar壓力下的渦輪燃燒室內OH和CH濃度分布進行了測量研究，起因于較長壽命OH的擴散，由OH熒光圖像的濃度梯度分布能夠獲得火焰結構，但會丟失火焰前鋒面的細節信息，火焰前鋒面精細結構的測量需要借助壽命極短的CH熒光圖像。利用PLIF技術進行組分濃度空間分布測量必須考慮無輻射淬滅的影響，這需要詳細地了解淬滅受溫度、壓強和局部組分環境的影響，通過恰當的熒光激勵線選擇將淬滅效應的影響降到可接受的水平，此時才可以認為在可容忍的誤差范圍內組分濃度與熒光強度成正比[17]。另外，在高壓強、高超音速流動、強湍流度等極端條件下，高時空分辨熒光圖像才能反映大梯度精細結構和多尺度渦系結構。

由于分子能級結構的差異，PLIF探測火焰中不同種類小分子微量組分時，采用的激勵激光波長通常并不相同，激發的熒光信號一般借助合適的光譜濾光片也能夠進行區分。因此，PLIF適合多組分的同時可視化測量。例如，瑞典隆德大學燃燒中心采用多組分PLIF同時可視化技術研究湍流火焰的結構特性，獲得了高湍流度射流火焰中多組分(OH/CH2O/CH/HCO)的瞬時空間分布圖像，其成像空間分辨力在50～70 μm，觀察到湍流燃燒中的分布式反應區模態，還揭示了湍流與化學反應以及射流剪切層之間的復雜相互作用[18]。PLIF技術簡單的光路布局使其容易與其它測量技術組合實現多參數的測量。例如，Slabaugh等人[19]聯合采用PIV和PLIF測量發動機模型燃燒室湍流燃燒速度場(圖5)和OH濃度分布(圖6)的演化過程，用于發展工業燃燒裝置的CFD 仿真軟件。

圖5 時間序列速度場測量結果[19] Fig.5 Sequence of instantaneous velocity field measurements[19]

圖6 時間序列OH-PLIF圖像[19] Fig.6 Sequence of corrected PLIF images at flame[19]

3.1.3 腔衰蕩光譜技術

腔衰蕩光譜技術(CRD)是一種先進的光學吸收測量技術，其選擇性好、靈敏度高，并具有定量標定的能力，可用于火焰中化學反應中間組分濃度的直接定量測量。CRD技術只要求分子能吸收激光，因此也能探測不輻射熒光的分子。在該技術中，一束脈沖激光被調諧到感興趣的分子的某個吸收線上，少量的光進入由兩個反射鏡構成的光腔，火焰放置在光腔中。

腔內激光能量隨時間變化的表達式為：

I=I0e-[(1-R)+σρd]ct/L,

(3)

式中，I0為初始激光能量，R為腔鏡反射率，L為腔長，d為腔內吸收介質的長度，σ為吸收截面，ρ為吸收組分的濃度。根據公式(3)，激光在腔內來回傳播一次的損耗率為2[(1-R)+σρd]，所以吸收的測量便可轉化為對激光隨時間衰減的測量，即時間常數τ=L/{[(1-R)+σρd]}c。可以看出，CRD測量的是激光衰減過程，而不是絕對的激光能量I0，所以CRD技術對激光脈沖能量抖動不敏感。

與其它的吸收光譜方法一樣，CRD技術在路徑上空間分辨率有限。如果相關的吸收系數已知并精確地確定有效路徑長度，則這種直接吸收法能提供一種免標定的絕對濃度測量方法。但是，若沿腔吸收路徑上的吸收分子不是均勻分布，則定量測量時就必須考慮實際的分布。用LIF技術可獲得吸收組分空間分辨的相對濃度分布情況，結合CRD技術可得到吸收組分濃度分布所需的定量濃度值。

CRD技術已成功應用于燃燒場中CH[20-24]、OH[25-26]、CN[22]、CH2[27]、CH3[28]、 CH2O[29]、HCO[30]等組分濃度的測量。

3.1.4 偏振光譜技術

偏振光譜技術(PS)是基于光子吸收技術、偏振光技術、多普勒光譜技術的一種非線性光學綜合診斷技術。與其它燃燒診斷技術相比，PS 技術具有很多優點：第一，PS 信號強度不受碰撞淬滅的影響或限制；第二，對那些不輻射熒光的組分具有探測能力(例如多數碳氫化合物)第三，PS 信號是類激光信號，與探測光同向，收集效率高、易于探測。

PS一般需要兩束激光：一束較強，用作泵浦光；另一束較弱，用作探測光，這兩束激光具有特定的偏振狀態。一般情況下探測光為嚴格的線偏振光，泵浦光為圓偏振光。當兩束激光共同作用到探測區域且激光的頻率與介質共振吸收頻率相同時，泵浦光將使原本各向同性的介質變成各向異性介質，此時，當探測光通過這一區域后，其偏振狀態會發生改變。通過測量探測光偏振狀態的變化量可以獲得介質的部分參量信息。通過定量分析可得到信號強度的表達式[31-32]：

(4)

式中：Isig表示信號強度，I0表示探測光的強度，L為相互作用區域的長度，χ為線型函數，Δα0表示介質對探測光的兩個分量吸收系數之差的最大值，它與所探測介質基態特定能級上的粒子數成正比。由公式(4)可知，在其它參數不變的條件下，PS信號強度與被測組分粒子數的平方成正比，因此，實驗中通過所測的PS信號強度即可獲得被測組分的粒子數。PS測溫一般采用雙線法，通過選擇基態兩個不同的轉動能級，分別測量各自能級對應的信號強度，根據信號強度可計算出兩個轉動能級對應的粒子數，再結合熱平衡條件下的玻爾茲曼分布公式，即可獲得介質溫度。

圖7 在乙炔-氧氣火焰中利用圓偏振泵浦光獲取的C2偏振光譜。上部：兩偏振片相互垂直；底部：當檢偏器略微偏離垂直位置時獲得的色散線型[35] Fig.7 Polarization spectrum of C obtained in an acetylene-oxygen flame for circularly polarized pump beam. R-branch triplets are clearly resolved. Top:the two polarizers are crossed. Bottom:dispersive line profiles are obtained when the analyser is slightly opened from the crossed position. The vertical scale is the same for both panels

PS被若干研究團隊用于OH[33-34]、NH[34]、C2[35]、CO和NH3[36]的測量。圖7顯示了在預混乙炔-氧氣焊槍中火焰區記錄的C2偏振光譜，探測靈敏度估計優于1018m-3[35]。

本課題組建立了二維PS 實驗診斷系統，測量了CH4/air 預混火焰、酒精燈火焰中OH 的二維分布；并成功將該技術應用到對固體燃劑燃燒場的診斷，獲得了燃燒場中OH 的二維分布，實驗結果對了解燃燒場構造，研究燃燒機理等有一定的參考價值[37]。

PS在實驗上比其他非線性光學技術簡單，但由于窗口的應力雙折射，PS的應用或許將主要局限在開放火焰。

3.2 溫度測量技術

溫度是燃燒研究中的關鍵參數之一，不僅決定了整個燃燒過程的效率，而且與燃燒釋熱及污染物生成密切相關。此外，燃燒設備的熱應力分布決定了材料的選取、壽命和可靠性。因此，準確、可靠的溫度測量有助于湍流燃燒過程的理解以及實際燃燒裝置的性能改進。迄今為止，已發展了很多種基于激光的溫度測量技術，但至今仍沒有一種測溫技術能滿足所有的測量要求，所以需要根據具體的探測對象和測量需求選擇合適的測量技術。目前，相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering，CARS)、瑞利散射(Rayleigh Scattering，RS)、基于雙線法的平面激光誘導熒光(Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF)等技術已廣泛用于燃燒流場的溫度測量。

3.2.1 相干反斯托克斯拉曼散射測溫技術

CARS測溫技術是一種相干技術[38]，具有信號方向性好、不易受強光背景干擾、測溫精度高等優點，已被廣泛用于各種復雜燃燒環境溫度的測量，例如寬壓強范圍的航空渦輪/渦扇發動機[39-40]、內燃機[41-42]、超燃沖壓發動機[43-44]等模型燃燒室流場溫度的測量。

CARS技術[38]是依據探測介質的拉曼位移選定窄帶泵浦光束和寬帶斯托克斯光束(>100 cm-1)，并以相位匹配方式聚焦到燃燒火焰區與探測介質相互作用，由三階非線性效應產生共振CARS信號。在滿足相位匹配條件時，CARS信號強度表達式為：

(5)

式中，n1、n2、n3分別為泵浦光、斯托克斯光和CARS光折射率，I1為泵浦光強度，I2為斯托克斯光強度，l為有效作用區長度，ω3為CARS信號角頻率，x(3)為三階非線性極化率，c為光速。

CARS的信號強度與三階非線性極化率x(3)模的平方成正比，x(3)通常包括被測介質的溫度、組分、濃度等信息，決定了CARS光譜的線型輪廓，采用CARS實驗光譜與理論光譜線型擬合的方法可實現溫度的反演，其測溫范圍在200～3 000 K。在燃料和空氣混合燃燒場中，氮氣含量豐富且氮氣的CARS理論譜計算已十分成熟，因此通常選取氮氣作為探測組分進行溫度測量。當然，一些無氮氣的火焰也可采用其它組分開展CARS測量，例如火箭發動機中H2/O2燃燒場，便可選擇H2作為探測對象。由于氫氣具有非常大的轉動和振轉結合的相互作用常數，所以H2-CARS譜通常是由少數幾條間隔較大的轉動線構成，這些譜線即使在高溫情況下也具有很高的強度。此外，H2的拉曼譜線寬度要比N2窄10至100倍，使得H2的CARS譜對激光源的模式結構更為敏感。

CARS測溫系統主要采用調Q-Nd∶YAG二倍頻激光器及其泵浦的染料激光器，重復頻率一般在10～100 Hz，單脈沖CARS信號的時間分辨力在ns量級。采用BOX CARS[43]或USED CARS[45]相位匹配方式，沿激光傳輸方向空間分辨力可達mm量級。CARS為單點測溫技術，通過探測點的掃描移動，借助圖像重建算法，也可以獲得二維平均溫度場信息[46-47]。CARS系統極其精密復雜，其光路布局參見文獻[48]，為滿足發動機試驗臺苛刻試驗條件，本課題組研發了可移動式高集成度CARS測溫系統，測量重復頻率10 Hz，單脈沖時間分辨力約10 ns，測量點空間分辨力約φ0.1 mm×3 mm，在CH4/air預混火焰中測溫不確定度約40 K。該系統具備以下優點：模塊化設計、高集成度、易于調試、遠程控制、良好的惡劣環境適應性，具備空間二維掃描測量能力[46]。

研發的可移動式CARS測溫系統已成功應用在航空渦輪/渦扇發動機和超燃沖壓發動機模型燃燒室內部流場溫度的測量，圖8為發動機燃燒試驗CARS診斷現場布局照片。圖9為航空渦輪/渦扇發動機模型燃燒室內部流場溫度測量結果[46]。圖9(a)為航空煤油燃燒過程測量的典型脈沖平均CARS實驗譜與理論譜擬合結果，其CARS實驗譜的信噪比與CH4/air預混火焰測量的脈沖平均CARS譜相當。圖9(b)為采用空間掃描方式(相鄰探測點間隔5 mm，每一探測點測量時間19 s)測量的主燃孔中心前10 mm與噴嘴中心軸線垂直截面的溫度場分布，每個探測點的溫度值為19 s內的平均溫度。圖10為2 Ma來流條件下以氫氣為燃料的超燃沖壓發動機模型燃燒室出口溫度測量結果[49]。圖10(a)為典型單脈沖CARS實驗譜與理論譜擬合結果，其CARS實驗譜的信噪比與CH4/air預混火焰測量的單脈沖CARS譜相當。圖10(b )給出了燃燒過程溫度隨時間變化的結果，整個燃燒過程CARS測量的溫度平均值為1 705 K，CFD理論計算溫度值為1 723 K。CARS測溫結果不僅驗證了CFD模型的合理性，而且還反映了燃燒過程的不穩定性。在ns CARS技術中，產生共振CARS信號的同時會產生非共振四波混頻信號，特別是在高壓強火焰測量中，非共振信號的存在會降低CARS技術的測量精度和靈敏性[50]，可采用偏振技術來消除非共振背景的影響[51]，也可采用基于ps和fs激光的超快光譜CARS技術抑制非共振背景[52]。

圖8 發動機模型燃燒室CARS測量現場布局照片 Fig.8 Schematic setup for the temperature measurement of model combustor based on CARS

圖9 航空發動機模型燃燒室內部流場平均溫度測量結果[46] Fig.9 Average temperature measurement results of a model aero-engine combustor[46]

圖10 超燃沖壓發動機模型燃燒室出口流場溫度隨時間變化[49] Fig.10 Measured temperature versus time at the exit of scramjet engine

在可移動式CARS測溫系統中，采用特殊的光學設計，實現了可調諧二極管吸收光譜技術和CARS技術的共線測量[53]， 并利用建立的測量系統在超燃發動機模擬試驗臺不同位置處開展了溫度測量實驗,測量結果為發動機提供了更為全面的溫度信息，便于分析發動機的燃燒過程及流場結構，為燃燒室設計以及計算流體動力學模型驗證提供參考。

3.2.2 瑞利散射測溫技術

瑞利散射(RS)由光子與分子間的彈性碰撞產生，其信號強度正比于總的分子數密度。若探測對象壓強已知，則可依據理想氣體狀態方程，由RS信號強度計算溫度。RS信號強度表達式為[54]：

(6)

式中，S為瑞利散射信號強度；η為光學采集效率；I為激光強度；N為總的分子數密度；Ω是探測系統的采集立體角；V為探測體積；(?σ/?Ω)mix為混合氣體的有效微分散射截面，其值由混合氣體依據各組分的摩爾分數的加權平均得到[54]，即：

(7)

式中，xi為第i種組分的摩爾分數。

從上式可以看出，瑞利散射法測量溫度需要知道探測對象的組分種類及其濃度。特別是湍流燃燒場的組分及其濃度是瞬態變化的，這要求在RS信號測量過程中同步獲取組分信息。因此，RS測溫技術常與自發拉曼散射技術進行聯合測量，由測量的主要組分信息可計算混合氣體的有效微分散射截面，這對于溫度的精確測量是必要的。使用高脈沖能量的激光器和高探測靈敏度的像增強型CCD相機，RS技術有足夠的信號強度實現單脈沖二維溫度場測量，而且RS測量系統相對簡單的光學布局有利于與其它光學技術進行組合測量。RS技術可在潔凈的、低輻射的、開放火焰中獲得良好的測溫結果。對于受限空間內的火焰測量，需要采用一定的措施(例如，燃燒室壁面的發黑處理)抑制雜散光的干擾，即使如此，也僅能在遠離壁面的區域獲得有效數據。在含有碳煙的火焰中，由于碳煙帶來的米散射的強干擾，RS技術很難直接應用。目前，RS測溫技術仍局限在H2、CO/H2火焰，以及小分子碳氫燃料的潔凈火焰。

瑞利散射光與流場中顆粒物及壁面散射光的重要區別在于瑞利散射光的光譜會隨溫度升高而展寬。因此，在RS探測光路上插入在激光波長處存在強吸收極窄凹陷的分子吸收池，過濾顆粒物及壁面引起的散射光，溫度展寬的瑞利散射信號被探測器接收，從而可獲得高信噪比的瑞利散射信號，這種方法稱為過濾瑞利散射(Filtered Rayleigh Scattering，FRS)。FRS信號強度表達式為[55]：

(8)

式中，S為FRS信號強度，C為與光學系統有關的常數，ν為激光頻率，T為待測溫度，Mk為第k種粒子的分子質量，τ(ν)為分子過濾器的透過率曲線，Rk(ν,p,T,Mk)為瑞利散射光譜線型函數。

由公式(8)知要從測量的FRS信號中提取流場溫度信息，需要知道主要組分信息和瑞利散射光譜線型函數。對于湍流燃燒場，主要組分種類及濃度分布可結合SRS方法進行實時測量。瑞利散射光譜線型函數可由Tenti提出的S6模型[56]進行計算，該模型能夠較為準確地模擬低壓強下簡單多原子分子的瑞利散射光譜線型，對于高壓強燃燒環境中的瑞利散射光譜線型函數需要結合實驗進行標定。

如果待測的湍流火焰壓強已知，將火焰中的FRS信號強度S與室溫空氣中的FRS參考信號強度Sref相除，可以消掉與系統有關的常量C，得到如下表達式：

(9)

式中，T0為室溫，P0為當地大氣壓強。

根據公式(9)擬合給出S/Sref隨溫度變化的理論曲線，由實際測量的S/Sref值與理論曲線進行比對，就可獲得測量區域的火焰溫度信息。FRS測溫技術常采用二倍頻Nd∶YAG激光器與碘蒸氣吸收池的組合方案，相較于RS測溫，FRS技術需要注入鎖定的Nd∶YAG激光器，以保證輸出極窄線寬的單縱模激光，更好地適配碘蒸氣的吸收譜凹陷。Kearney等人[57]的研究表明FRS技術不僅能夠有效消除壁面散射光的影響，使得近壁面和近光學窗口區域湍流燃燒場的溫度測量成為可能，而且很容易與SRS技術進行組合實現溫度和主要組分濃度的同時測量。

Kearney等人[58]采用FRS和激光誘導白熾光(Laser Induced Incandescence ，LII)進行組合，研究碳煙濃度對FRS測溫的影響。碳煙是燃燒排放的重要污染物， LII是目前燃燒場碳煙濃度定量時空分辨測量的首選方法[1]。他們的研究表明：在0.1 ppm量級碳煙含量的C2H4火焰中，FRS技術能夠有效抑制碳煙米散射對FRS圖像的干擾，可拍攝到高信噪比的FRS圖像并能夠計算滿足測量精度要求的溫度場數據。

3.2.3 雙線法PLIF測溫技術

二維瑞利散射技術在簡單燃料的潔凈火焰應用中具有一定的優勢，而雙線法PLIF測溫技術可應用于雜散光干擾嚴重導致瑞利散射測量失敗的實際燃燒裝置中。基于雙線法的PLIF測溫技術[18]的基本原理是合理選擇兩束不同波長的激光，使其在間隔百納秒的極短時間內順序通過燃燒火焰的同一位置，基于共振吸收將探測分子由基態中的量子態1和量子態2分別激勵到激發態，處于激發態的分子向下躍遷產生熒光，選擇合適的激光強度，使得熒光信號強度與激光功率密度成線性關系，測出相應激發態的熒光信號強度S1和S2以及入射激光強度I1和I2，氣體中分子的轉動能級處于熱平衡狀態時服從玻爾茲曼分布，溫度表達式為[59]：

(10)

式中，k是玻爾茲曼常數，Ei代表量子態i的能量，C為標定系數。

由于OH在火焰反應區和高溫區域中含量豐富且有眾多的激勵線可供選擇，在燃燒場溫度測量中常以OH作為激光作用介質。但也正是由于OH濃度很強的依賴于溫度，所以OH-PLIF測溫僅適用于T>1 300 K的燃燒環境。OH熒光譜位于入射激光的長波方向，從光譜上很容易與入射激光區分開，用合適的濾光片可有效減小碳煙和壁面散射光的干擾；采用特定波長窄線寬激光對OH進行激勵，可避免其它燃燒產物引起的干擾。基于OH的雙線法PLIF技術已用在以氫氣為燃料的超燃沖壓發動機模型燃燒室二維溫度場的可視化測量[60]，以及煤油為燃料的航空發動機模型燃燒室內貧油燃燒區溫度場測量(圖11)[61]。需要注意的是采用紫外激光激發OH熒光會同時激發煤油熒光，煤油熒光光譜范圍覆蓋了OH熒光光譜，難以從時間或光譜上加以區分，煤油富油燃燒區溫度場的定量測量會受到限制，如圖11中黑色網格區域所示。

圖11 雙線OH-PLIF用于發動機模型燃燒室溫度場測量典型結果[61] Fig.11 Two-dimensional temperature distribution in a jet-engine model combustor segment as measured using two-line excitation of OH radicals[61]

OH的能級結構很復雜，被激勵至激發態后會經歷碰撞能級轉移、極化效應、淬滅、自發輻射、熒光等復雜的物理過程，因此采用一個已知溫度火焰來標定PLIF技術是十分必要的。在很多燃燒環境下，特別是高壓強環境中，由于譜線展寬的影響，使得僅激發單一的、分離的譜線不可行。此外，為了獲得良好的信噪比，通常選擇熒光信號強的譜線，而強的熒光譜線通常由兩條或更多的譜線構成。因此，LIF雙線法測溫需要考慮譜線的結構而不是單一的譜線。在實際應用中，常采用數值模擬方法計算兩條選定的熒光譜線強度比值隨溫度的變化關系，并在計算中考慮譜線壓強展寬、激光線寬等因素的影響。

NO也可以作為PLIF的探測對象。NO的化學性質比較穩定，如果將其摻混至燃氣中，那么NO將在整個火焰區域中存在。但是，NO熒光的主要缺點是其激勵波長位于226 nm附近，激光在穿過火焰區過程中吸收很嚴重且很容易激發其它組分產生熒光干擾。Vyrodov等人[62]開展了高壓強環境下層流CH4/air火焰NO-LIF測溫研究。在27 bar壓強下，通過最小二乘法擬合NO熒光譜方式反演的溫度結果與CARS測溫結果偏差在3%以內；但在貧油火焰中，O2熒光會嚴重干擾NO的熒光譜。為了克服226 nm激光易被吸收的缺點，可采用NO在248 nm附近的A-X帶(0,2)熒光線進行測量[63-64]，但該熒光線僅適用于高溫環境下測量。

為了避免碰撞淬滅和煤油熒光的干擾，可選擇銦(In)原子作為探測對象。In原子采用410和451 nm激光進行激發并產生熒光，由于兩個熒光過程中的能級躍遷共享同一上能級，能夠抑制甚至消除由壓強變化引起的熒光淬滅對溫度測量的影響，其溫度敏感范圍在800～2 800 K，適用于寬壓強范圍燃燒反應區溫度場測量。由于采用可見光激光進行激發，能夠避免煤油熒光的干擾，適用于富油燃燒區的測量。In原子在流場中的撒播方式通常是將InCl3溶液添加至發動機燃料中，InCl3隨燃料的流動分布在整個流場中，InCl3在燃燒反應區分解產生豐富的In原子。In原子的注入量應該控制在一定的范圍內，以避免引起火焰冷卻效應和In原子的強吸收。Kaminski等人[65]采用基于In原子的PLIF技術實現了1.4 MPa高壓SI發動機內溫度場的測量，實驗中采用低的激光功率密度，保證了熒光強度與激光功率的線性關系，獲得了曲柄不同轉動角度的平均溫度場圖像，測溫精度約14%，但單次熒光圖像信噪比水平不高。Medwell等人[66-68]采用高的激光功率密度進行激發，獲得了高信噪比單脈沖熒光圖像，常壓火焰的單次熒光圖像測溫誤差約60 K。

3.3 速度測量技術

湍流燃燒涉及復雜的湍流流動，流場速度的測量可以確定湍流強度、剪應力和湍流動能，還可導出湍流長度和漩渦尺寸，速度場的測量可揭示環流與逆流區以及加速和減速區。基于激光的速度測量技術主要包括利用多普勒頻移測速原理的激光多普勒測速計(Laser Doppler Velocimetry，LDV)和平面多普勒測速儀(Planar Doppler Velocimetry，PDV)，利用粒子位移測速原理的粒子成像測速儀(Particle Imaging Velocimetry，PIV)和分子標記測速技術(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)。前3種技術的工作原理、實驗裝置、數據處理方法和燃燒裝置中的應用在文獻[69]中有詳細介紹，這3種技術在低溫流場或較低馬赫數高溫流場中已獲得很好的應用。但由于粒子跟隨性問題或粒子不能耐受高溫，這3種技術很難用于高溫超高速流場的速度測量。

MTV技術是以分子作為標記示蹤的流場速度測量技術，它與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技術采用分子作為示蹤物，能夠克服PIV技術在超高速流動尤其是含有強激波的流場中的示蹤粒子跟隨性問題。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，通常要求在ms量級以上；(3)標記分子可輻射光或通過PLIF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[70]。

表1 幾種標記分子

NO2、N2O、O3、磷光物質在燃燒場中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，因此主要用于低溫流場速度的測量。振動激發態的O2作為標記示蹤分子的方法[71]是利用兩束激光(波長532和580 nm)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，標記區域較小，而且激光裝置也比較復雜。雖然Webster和Lempert[72]對系統進行了進一步改進，但仍局限用于良好的實驗室環境。Michael等人[73]最近提出了飛秒激光電子激發標記(Femtosecond laser electronic excitation tagging,FLEET)方法，他們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在復合的過程中產生長壽命寬帶的可見光輻射，但飛秒激光器對運行環境要求較為苛刻。

這里主要介紹適用于高溫高速流場速度測量的羥基分子標記測速(Hydroxyl Tagging Velocimetry,HTV)技術[70]。作為流場標記的羥基(OH)是用激光解離流場中的水分子產生的，它不需要從外部往流場中撒播粒子。HTV測速技術的工作原理是利用激光解離水(燃燒的主要產物之一)產生的OH作為示蹤標記線，再用設定延遲時間的OH-PLIF激光片誘導OH產生熒光并顯示OH示蹤標記線位置，基于時間-位移相關算法計算流場速度。1988年，Shirley等人[74]使用輸出波長為248 nm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，需要很高的激光功率密度。1999年， Wehrmeyer等人[75]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193 nm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的提高。在高溫環境中，解離產生的OH壽命可達ms量級，而且更多的水分子處于振動的激發態，使得對193 nm光子的吸收截面大大增加(1 500 K溫度下，水對193 nm激光的吸收是常溫下的約500倍)。因此，HTV技術非常適合于高溫亞聲速至高超聲速流場速度的測量。Pitz等[76]利用多線交叉網格HTV方法對超燃發動機燃燒室凹腔內2 Ma預熱來流的速度分布進行了測量研究，給出了凹槽內速度的分布。Alexander等人[77]利用HTV方法對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，得到了較好的速度圖像。Perkins等人[78]利用該技術測量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。本課題組利用HTV技術獲得了以煤油為燃料的超燃沖壓發動機燃燒室內部流場速度分布和H2/air燃燒高溫超聲速羽流速度分布，圖12為在H2/air燃燒高溫超聲速羽流中獲得的標記線圖像和計算的速度分布數據，其中(a)、(b)、(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[70]。

圖12 高溫超聲速羽流單線HTV圖像及速度分布結果[70] Fig.12 Single-line HTV images in supersonic plume[70]

3.4 多參數綜合診斷

在湍流火焰中，混合過程和燃燒化學反應存在強烈的相互耦合，多參數的同時高時空分辨測量更利于理解湍流與燃燒的相互作用過程。例如，Barlow等人[79]聯合1D-SRS、FRS和PLIF方法對溫度場、主要組分濃度、火焰面結構標示物(OH/CO)濃度場進行同時可視化測量，獲得了湍流燃燒溫度場和OH/CO濃度場的精細結構，用于研究燃燒參數(雷諾數、油氣比、燃料類型等)對湍流燃燒混合特性的影響規律。Boxx等人[80]采用高重頻PIV和OH-PLIF組合，研究湍流與燃燒相互作用的動力學過程。Kothnur和Johchi等人[81-82]聯合PIV和(CH/OH)PLIF方法研究小尺度湍流對火焰面結構及火焰動力學的作用機理。Sjoholma等人[83]采用多色PLIF方法實現了甲烷湍流火焰中四組分(OH/CH/CH2O/ toluene)的同時成像，并將其用來研究預混射流湍流火焰的結構特性。

隨著計算機能力的提升，基于大渦模擬(Large eddy simulation，LES)[84]的CFD模型發展迅速。LES方法不僅能給出時間域的信息，描述不穩定效應；也能夠獲得空間相關的信息。因此除了定量逐點測量之外，為了達到驗證的目的還需要空間和時間相關的信息，例如不同空間方向上的溫度和組分濃度等標量的梯度及其時間相關性等[85]。美國桑迪亞國家實驗室、德國宇航中心、澳大利亞悉尼大學等研究機構采用RS/SRS/PLIF技術對氫氣、小分子碳氫燃料以及合成氣的一系列湍流火焰進行了點、一維、二維測量，不僅獲得了火焰溫度、主要組分(CH4、O2、CO2、H2O、N2)和微量中間反應物(OH、NO、CO)質量分數，還獲得了這些標量的梯度分布，測量的時間分辨力達到了納秒量級、空間分辨力在幾十微米～毫米范圍，提供了一批可用于湍流燃燒機理研究和模型驗證的實驗數據[86-87]。近十年來，隨著高重頻大能量Nd∶YAG激光器和高重頻微弱信號成像器件的發展，基于RS、SRS、PLIF技術的10 kHz以上時域成像技術在湍流燃燒診斷中已顯現出巨大優勢。例如，Sutton等人[88]采用10 kHz以上的高重頻(OH/CH2O)PLIF、1D-SRS 和RS方法組合對清潔湍流火焰組分濃度及溫度場精細結構的快速演變進行了可視化測量，研究燃燒釋熱對湍流強度及尺度、關鍵化學反應途徑的作用機理等。高重頻成像技術可以獲得精細的時間相關標量，且能夠進行湍流脈動測量，這對闡明湍流與燃燒的相互作用過程以及LES模型的時域驗證十分重要。工業應用中，高重頻時域成像技術在發動機點火和熄火研究、火焰穩定動力學研究，以及燃燒裝置設計缺陷的監測等方面都能夠發揮重要作用。

4 總 結

本文介紹了燃燒過程中主要關鍵參數包括組分濃度、溫度、速度等的激光診斷技術及其應用。

自發拉曼散射技術是燃燒場主要組分濃度測量的重要方法，激光誘導熒光技術是微量組分測量的有力手段，腔衰蕩光譜技術可探測低濃度的化學反應中間產物及不輻射熒光的分子，偏振光譜技術適合背景噪聲較強且不輻射熒光情況下的開放式火焰中間產物濃度的測量。

相干反斯托克斯拉曼散射技術具有信號方向性好、不易受強光背景干擾、測溫精度高等優點，一次測量通常僅能獲得單點溫度，通過截面內網格點掃描探測方式可獲得二維空間分布平均溫度場信息；基于雙線法的PLIF技術可用于瞬時二維溫度場的可視化測量，但其測溫精度通常也會相應降低；瑞利散射技術可與自發拉曼散射技術以及激光誘導熒光技術進行組合實現溫度和組分濃度的同時測量，但不適合大分子碳氫燃料火焰溫度的測量。

激光多普勒測速計、平面多普勒測速儀、粒子成像測速儀在低溫流場或較低馬赫數高溫流場中已獲得很好的應用；以OH作為標記示蹤的速度測量技術適合在高溫超高速流動尤其是含有強激波的流場中測速。

激光燃燒診斷技術的開發和應用已是現代燃燒科學和應用技術發展的不可或缺的動力。隨著高重頻大能量激光器和高重頻微弱信號成像器件的發展，多參數、高時空分辨的同時診斷將在湍流與燃燒相互作用機理研究、CFD仿真驗證、發動機燃燒室設計中發揮越來越重要的作用。隨著高性能高參數發動機技術的發展，高溫、高壓、高湍流度、煤油燃燒產物的復雜性等使得激光與燃燒場的相互作用更為復雜，光譜信號的高信噪比探測以及湍流燃燒參數的反演變得更加困難，激光燃燒診斷技術仍面臨諸多問題與挑戰。