燃料濃度分布激光診斷方法與應用

馬洪安，苗 磊，付淑青，宮俊波，曾 文

（沈陽航空航天大學航空發動機學院，沈陽 110136）

0 引言

近年來，隨著科技水平的不斷發展進步，對動力機械要求越來越高，既要降低能源消耗，又要減少有害排放物，還要尋求碳的零排放等，其中航空發動機占了很重要的地位。目前發動機的高效率燃燒和超低污染排放是未來發展的主要趨勢，各國提出了嚴格的標準并制定了長遠的規劃[1-3]。其中燃燒室是發動機運行中能源轉換的關鍵部件，要組織穩定和高效地燃燒，需要對燃料的噴射、霧化、混合及燃燒等物理和化學過程有深入和準確地理解。因此，有必要深入了解燃燒室內燃料的供給方式，空氣/燃料混合物的局部濃度與分布，以對可燃混合氣的局部當量比進行準確表征，確定其與燃燒場和流場的相互影響。有助于提高燃燒效率，降低燃燒污染物排放，改善與優化發動機的燃燒性能[4-5]。

目前發動機中的燃燒參數測量方法分為接觸式和非接觸式，接觸式測量多為物理探針法，如熱電偶測溫、取樣耙和熱線風速儀測速等[6]。物理探針法是直接將探測器侵入燃燒流場中，會造成流場、傳熱、催化、淬滅等多種干擾。以激光為激勵光源的非接觸式激光測量與診斷技術，測量與診斷能力非常突出，具有高靈敏度、非接觸、高時間和空間分辨率等諸多優點。采用非接觸式激光測量與診斷技術能夠在極其復雜與惡劣的燃燒室內部環境中進行快速測量，而且還能在盡量不干擾原本燃燒過程的基礎上獲得最準確的數據，在過去的20年間得到了迅猛地發展[7-9]。

本文總結了當前幾種基于非接觸式激光測量與診斷技術測量燃料濃度分布的方法。論述了幾種技術目前的研究進展，提出了新的測量思路，并對其發展趨勢進行了展望。

1 基于平面激光誘導熒光燃料濃度分布測量

平面激光誘導熒光（Planar Laser Induced Fluores?cence，PLIF）技術是將調諧好的平面激光打在測量截面上，激光波長被調諧到待測組分的某個吸收線，然后該組分吸收光子能量，達到電子激發態并發出熒光[10-12]。PLIF原理如圖1所示，v’和v”分別表示上下電子態的振動能級。在線性區內，熒光強度與組分濃度成正比，通過獲得熒光的強弱，可以判斷出組分的相對濃度分布，目前已在燃燒場診斷方面得到廣泛應用[13]。

圖1 PLIF原理

1.1 基于示蹤分子-PLIF燃料濃度分布測量

目前，通過PLIF 來對燃料濃度分布進行研究，一種廣泛使用的技術是對添加到非熒光基燃料中示蹤分子的PLIF 信號進行成像[14]。當示蹤分子在試驗條件下的光譜行為被很好地表征時，對信號進行定量的解釋是可能的。常見示蹤分子、煤油的典型激發方案見表1。

表1 常見示蹤分子、煤油的典型激發方案

其中2 種最廣泛使用的燃料示蹤分子是酮類（如丙酮）和芳烴類（如甲苯）[15-16]。丙酮（CH3COCH3）作為PLIF 的示蹤分子長時間以來被廣泛應用，其優點包括低毒性、低成本、高飽和蒸汽壓、吸收和發射光譜范圍寬，可實現高濃度播種。丙酮熒光信號可使用高能脈沖紫外激光器進行激發，并允許用低噪聲、未增強的CCD 相機進行檢測。在等溫等壓流動中，假設熒光產率恒定，則熒光信號與丙酮數密度成正比。丙酮的熒光產率與其他的雙原子示蹤劑（如OH 和NO）不同，丙酮的熒光產率受體系間快速交叉而非碰撞猝滅的限制，使其熒光產率的組成對壓力的依賴性較低。最近研究發現丙酮熒光對于溫度的依賴性較高，并隨著激發波長變化。對于弱激發熒光信號，丙酮的熒光信號計算為

式中：ηopt為集合光學器件的整體效率；E為激光通量；hc/λ為激發波長為λ 的光子的能量，dVc為收集體積；nabs為吸收分子的數量密度，與溫度相關；σ為示蹤劑的分子吸收截面；φ為熒光量子產率。σ和φ都受激發波長和溫度的影響[17]。

Thurber 等[17]在300~1000 K 下，用8 個不同的波長激發丙酮，研究其吸收特征，獲得了常壓下丙酮熒光的吸收結果，還建立了1 個簡單的模型，以解釋現有的熒光數據，并允許外推到其他條件；Koch 等[18]研究了溫度和激發波長對3-戊酮熒光信號的影響，表明3-戊酮熒光信號對308 和248 nm 激發波長比丙酮熒光信號敏感，由于酮信號對氧幾乎不敏感，通常用于確定燃料數密度，而芳香族熒光被氧強烈猝滅，從而提供了跟蹤氧濃度的潛力。并且由于甲苯和萘天然存在于汽油或柴油燃料中，利用它們的光物理特性直接記錄燃料在燃燒室中的空間分布是特別有價值的；Koran等[19]研究發現甲苯-PLIF信號不是直接與燃油-空氣比成比例；Devillers 等[16]在1 個激發波長為248 nm 的光學模型發動機中獲得了甲苯-PLIF 的發射光譜；Orain 等[20-21]在350~900 K、0.1~3.0 MPa 下對萘和1，2，4 -三甲苯熒光光譜信息進行了詳細的研究。在0.1 MPa的空氣中萘熒光信號強度隨溫度的變化規律如圖2所示。從圖中可見，在550~800 K下，萘熒光信號強度的變化較小，在該溫度范圍內可認為萘熒光信號與摩爾分數成正比，因此，萘熒光可用于測量蒸發條件下（不燃燒）航空噴油器出口的燃油濃度；Smith 等[22]對空氣/異辛烷值混合物中雙乙酰-PLIF 信號的壓力和溫度依賴性進行試驗研究，并以雙乙酰為示蹤劑獲得了直噴射式發動機中的定量燃料分布測量結果。

圖2 在0.1 MPa的空氣中萘熒光信號強度隨溫度的變化規律[20]

綜上所述，示蹤分子-PLIF 技術為發動機燃料濃度分布的試驗研究提供了新手段，其優勢在于能獲得混合場濃度的高時空分辨率瞬態測量結果，用較簡單的分子結構表征復雜燃料的變化情況，大大降低了試驗測量難度。但示蹤分子的均勻注入、合適示蹤分子的選擇、示蹤分子熒光信號的高效探測和精確定量標定仍是這類技術應用在發動機測量中的關鍵問題。

1.2 基于煤油-PLIF燃料濃度分布測量

對工業噴油系統的研究必須盡可能接近實際工況，意味著在航空發動機中應該使用多組分液體燃料模擬實際情況，使用替代燃料或在燃料中加入示蹤劑可能會導致燃燒室中燃料分布和火焰形狀的顯著變化。航空煤油中含有的成分極其復雜，中國使用的RP-3 型以及國外使用的Jet-A、JP-8 型航空煤油成分大致相同，均包括鏈烷烴、環烷烴、芳香烴（單環、雙環、多環）等，但成分含量有較大差異[23]。L?fstr?m等[24]通過激光誘導熒光/Mie 散射聯合技術，開發出了煤油- PLIF 技術，并通過對煤油汽液2 相進行診斷，研究了多組分液體燃料的汽化程度。但所得結果的準確性較低，需要建立煤油光譜分析。目前普遍認為，煤油中可以產生熒光的成分為芳香烴，并且熒光的頻帶非常寬。其中，單環芳香烴的熒光波長較短，雙環芳香烴的熒光波長較長，煤油與4 種芳香烴熒光光譜光譜如圖3 所示。從圖中可見，隨著溫度的升高，雙環芳香烴熒光強度的變化對溫度更敏感，熒光信號對溫度的敏感性如圖4 所示。從圖中可見，其熒光強度與單環芳香烴相比，會更快地降低，這種現象為煤油-PLIF定量測量提供了方法。

圖3 煤油與4種芳香烴熒光光譜光譜[25]

圖4 熒光信號對溫度的敏感性[25]

試驗中測得的煤油的熒光強度為

式中：Ki為煤油或雙環芳香烴；SF，i為實際測得相應的熒光強度；Ki為測相應成分熒光強度光路的傳遞常數；xi為相應成分的濃度；T和P分別為測點的溫度和壓力；S0，i為特定條件下參考熒光強度。

設定煤油蒸氣中各成分比例不變，即xi=k·xkero，其中ki為相應成分在煤油中的比例，xkero為煤油濃度。則式（2）為

參考熒光強度由煤油熒光光譜測量獲得；Гi與光路系統和組分比例有關，是1 個常數，通過標定獲得[26]。當得到這2個參數之后，就能根據煤油和雙環芳香烴熒光強度的差值反推出溫度，進而獲得煤油濃度。

在進行煤油濃度測量之前，有必要進行煤油熒光光譜測量，有2 個作用：一是找到煤油與雙環芳香烴的發射光譜，為試驗中測量煤油、雙環芳香烴熒光信號濾波片的選擇做參考；二是測出在不同溫度和壓力下的參考熒光強度，作為定量測量煤油濃度的基礎。Orain 等[25]在450~900 K、0.1~3.0 MPa 下，對煤油（Jet A1）蒸氣激光誘導熒光光譜進行了分析；張少華等[27]確定了中國RP-3 型氣態煤油的熒光光譜分布，研究了在空氣和氮氣這2 種氣體環境中腔體壓力以及煤油流量對煤油熒光強度的影響規律，并得到了氧氣摩爾分數與煤油熒光相對強度之間的關系表達式，其建設的適用于長時間高溫高壓狀態下的光譜測量試驗系統與Orain 等[25]所建立的基本一致，煤油熒光光譜測量裝置如圖5 所示。其主體測試腔腔體溫度應可達到實際燃燒室中未燃區溫度，壓力可達到實際燃燒室中的壓力。腔體在3 個面設有紫外光學窗口，正對著的2 個光學窗口用于通過激光，另一個垂直的光學窗口用于測量熒光信號。為避免燃料發生熱解，預蒸發煤油和空氣的混合物應連續流過測試腔。煤油的熒光光譜最終由光譜儀和ICCD得到。通過改變測試腔的溫度和壓力，得到不同條件下的熒光光譜，進而計算出參考熒光強度。

圖5 煤油熒光光譜測量裝置[27]

目前普遍認為煤油熒光信號的激發波長為266 nm 左右[28]，可用1 個Nd：YAG 激光器（摻釹釔鋁石榴石激光器）進行激發。相對于煤油的熱態（燃燒）測量，煤油的冷態（不燃燒）測量較簡單。液態測量結果可直接通過煤油熒光濾波片進行捕捉，后續可通過圖片灰度處理和試驗裝置標定等方法對定性的測量結果進行簡單的定量分析。但在冷態測量時，試驗件光學玻璃上易粘煤油液滴，會對試驗結果造成影響。Fan 等[29-30]利用同步粒子圖像測速（Particle Image Ve?locimetry，PIV）和煤油-PLIF 技術研究了旋流燃燒室的流場結構和煤油分布特性，結果表明旋流強度對流場和噴霧結構有很大的影響。熱態測量時干擾因素較多，要測量出準確的結果需盡可能消除反射光、OH、CH 熒光信號、積碳等對試驗結果的影響。在最新的研究中，Wang 等[31]針對超聲速火焰實現了煤油-PLIF 和OH-PLIF 的同步測量，通過將OH-PLIF 與煤油-PLIF 熒光信號進行比較，區分出了OH-PLIF 熒光信號。

根據文獻和相關經驗可總結并設計出煤油-PLIF 試驗的基本流程：（1）首先獲得煤油及飽和蒸氣壓數據，目的是控制濃度變量為已知量，并準備1 個可以控制溫度和壓力的校準裝置；（2）嘗試分析266 nm 附近激發線下的煤油熒光特性，選取適合的激發波長，測試自吸收的影響；（3）利用校準裝置研究煤油的溫度-壓力與熒光強度曲線，研究煤油的熒光光譜特性曲線，即研究不同激發能量，不同濃度、不同溫度下的熒光依賴關系；（4）將熒光強度通過標準燈校準；（5）最終得到煤油濃度-激發能量-溫度-探測強度之間的關系，進而通過試驗測量獲得煤油濃度分布情況。

為解決煤油濃度的定量測量這一大技術難題，Malbois 等[26]提出了一種結合煤油- PLIF 和OH-PLIF診斷技術對煤油摩爾分數和溫度進行定量測量的新方法。煤油-PLIF 和OH-PLIF 同步測量光學裝置如圖6 所示，其中煤油的熒光信號由2 臺ICCD 采集，1臺ICCD 前設置濾波片A，濾波A 可以通過煤油的大部分熒光信號，包括單環和雙環芳香烴的熒光；另一臺相機前設置濾波片B，濾波片B 只能通過雙環芳香烴的熒光信號。在進氣溫度為670 K 時，光學裝置在0.83、1.80 MPa 下，瞬時煤油摩爾分數試驗結果如圖7所示。其中OH 熒光信號與煤油摩爾分數疊加在上半部，OH 熒光信號與煤油混合空氣的溫度疊加在下半部，可以看出提高壓力顯著降低了燃燒室入口的煤油摩爾分數。

圖6 煤油-PLIF和OH-PLIF同步測量光學裝置[26]

圖7 瞬時煤油摩爾分數試驗結果[26]

綜上所述，Malbois 等[26]提出的測量方法十分新穎，是目前關于煤油-PLIF 定量測量方面最新最有效的方法之一。但該方法至少需要2 臺像增強型相機，由于目前大多數高校試驗室不具備這樣的條件，因此可根據其測量方法在試驗設備上進行適當簡化。定量測量煤油-PLIF 如圖8 所示，濾波片A 通過煤油的大部分熒光信號，濾波片B通過雙環芳香烴的熒光信號，通過光路引導將2 個濾波片捕捉的熒光信號成像到相機的不同位置上，以對2 個濾波片捕捉的熒光信號進行區分。在此期間，保證光程長度一致，以利于后期熒光信號的處理與分析。

圖8 定量測量煤油-PLIF

另外在Nd：YAG 激光器處加設分光鏡和特制的小型倍頻器，通過分光鏡將激光分為2 束，一束光通過4 倍頻處理后直接用于激發煤油熒光信號，另一束光通過2倍頻處理后通入染料激光器用于激發OH 熒光信號。OH熒光信號能在Nd：YAG激光器較低能量下被激發，因此Nd：YAG 激光器高功率輸出條件下能滿足同時激發2 種組分，該方法在同步測量多種組分的基礎上降低了一部分成本，OH-PLIF 和煤油-PLIF同步測量如圖9所示。

圖9 OH-PLIF和煤油-PLIF同步測量

體激光誘導熒光是在PLIF 基礎上發展的目前最新穎的LIF 測量手段之一，基于燃燒器和光路的配置，建立笛卡爾坐標系，原點定義的中心，X軸定義為激光的傳播方向，Y軸被定義為垂直于激光的傳播方向，Z軸被定義為流動的方向。通過5 臺像增強型相機作為捕獲VLIF 信號的成像系統[32,34]。VLIF 測量系統如圖10所示。

圖10 VLIF測量系統[33]

VLIF 技術主要面對的問題有信號強度、3維視場（Field of View，FOV）和重建算法等方面。VLIF 當前主要應用在試驗室條件下簡單單組份（如CH）的測量當中。未來有望將模型燃燒室做成全玻璃透明式，或者在四周開5 個光學玻璃窗口，使用4 倍頻Nd：YAG激光器作為激發光源，通過VLIF 技術獲得立體的燃料濃度分布情況。

2 基于Raman散射燃料濃度分布測量

光通過介質時由于入射光與分子運動相互作用而引起的頻率發生變化的散射，又稱Raman 效應。Raman散射遵守如下規律：散射光中在每條原始入射譜線（頻率為v0）兩側對稱地伴有頻率為v0±vi（i=1，2，3，…）的譜線，長波一側的譜線稱紅伴線或Stokes 線，短波一側的譜線稱紫伴線或反Stokes 線；每種散射物質都有自己特定的頻率差，頻率差與入射光頻率無關，由散射物質的性質決定，其中有些頻率差與介質的紅外吸收頻率一致。相對于其他燃燒診斷技術，Raman 散射最顯著的優點是只用1 個波長的激發激光就可用來監測流場中的多種組分，并且一般情況下不同物質的Raman 振動光譜幾乎不重疊。實際應用時，Raman 散射的入射激光多為可見光或者紫外激光，其信號強度與入射激光頻率的4 次方成正比。但Raman散射信號強度十分弱，導致在采集Raman散射信號方面存在一定的困難。

烴類通常是強Raman 散射體。Namazian 等[35]采用2 個相機系統采集CH4的Raman 散射信號，其中1臺相機用于從甲烷濃度高的射流中心區域獲取數據，第2 個更靈敏的相機用于從甲烷濃度較低的主燃料噴口附近區域獲取數據。2 臺相機的同時使用將測量的動態范圍擴大了10 倍，允許濃度測量范圍降至0.005摩爾分數。

Miles[36]建立了1 種基于Raman 散射的光學成像測量系統，用以研究內燃機的混合過程。該系統允許以亞毫米的空間分辨率對CO2、O2、N2、C3H8和H2O 的摩爾分數進行多點、單次激光射擊測量，在-30θCAD處集成的樣本圖像如圖11所示，其中θCAD為試驗裝置中曲柄角度，yCCD為用以標識空間位置的整數坐標。

圖11 -30θCAD位置處集成的樣本圖像[36]

Egermann 等[37]采用線性Raman 散射技術同時測量了O2、N2、H2O 和燃料（異辛烷）的濃度，Raman 散射同步測量試驗裝置如圖12 所示。試驗采用3 倍頻的Nd：YAG 激光器作為激發光源，采用脈沖擴展器降低了激光束的最大強度，防止高能量的激光對測量裝置造成破壞并將空氣擊穿。激光束經過一系列的透鏡和反射鏡，在線形焦點處產生的Raman信號。

圖12 Raman散射同步測量試驗裝置[37]

劉建勝等[38]利用可調諧的KrF 準分子激光激發振動Raman 散射（Vibrational Raman Scattering ，VRS）技術對甲烷-空氣燃燒火焰內主要分子的組分濃度（CH4、N2、O2、H2O 等）進行了單次測量，并且通過1 次測量就可以同時給出溫度及濃度參數；Barlow 等[39]采用線成像Raman/Rayleigh/CO-LIF 和交叉平面OHLIF 成像相結合的方法對槽形燃燒器上方穩定的CH4/空氣湍流分層火焰進行了研究。這種用于線成像測量的新檢測系統允許在0.104 mm 的分辨率下測定主要組分的濃度和當量比。新型光學采集系統如圖13 所示。該系統使用1 個長通濾波器將Raman 相機監測的波長范圍（550~700 nm）與Rayleigh 散射（532 nm）和CO熒光（480~488 nm）分離出來。

圖13 新型光學采集系統[39]

綜上所述，Raman散射技術的主要發展方向是解決Raman散射信號強度弱的問題。目前，用于增強弱Raman 散射信號的相干反Stokes Raman 散射（Coher?ent Anti-Stokes Raman Scattering，CARS）技術已被廣泛應用，并隨著飛秒（fs）和皮秒（ps）激光器技術的問世和發展使得超快光譜CARS 技術快速發展。快光譜CARS 技術可以有效抑制非共振背景，極大地提高了測量的時間分辨率，進一步提高了測量的精度和范圍。在近些年的研究中，Chloe 等[40]提出了一種同時激發多分子轉-振躍遷和純轉動躍遷的混合飛秒/皮秒相干反Stokes Raman 散射（fs/ps CARS）系統，并對CH4的濃度進行了測量；Bohlin 等[41]利用利用雙光束CARS 相位匹配技術實現了7 fs 泵浦光與Stokes 脈沖的重疊，通過75 ps 的交叉探測光束來提供準確的空間位置，并對CH4/空氣火焰近壁區域的主要組分分布進行了1 維成像。根據上述對CH4濃度的研究，未來有望將超快光譜CARS 技術應用于復雜的高碳數烴濃度測量中。

3 基于Rayleigh散射燃料濃度分布測量

Rayleigh 散射是一種彈性光散射過程，入射光子與相互作用的分子或粒子之間不存在凈能量交換。因此，散射光與入射光具有相同的波長，且散射光線的強度與入射光線波長的4 次方成反比。根據與入射輻射電場相互作用的粒子的大小，可以區分Ray?leigh 散射和Mie 散射，其中Rayleigh 散射是指光從直徑遠小于入射光波長（小于波長的十分之一）的分子或小粒子上的彈性散射[7]。

Rayleigh 散射目前是一種很常用的診斷方法，在湍流燃燒場檢測中有廣泛使用，經常用于2 維成像，以測量火焰中的溫度和混合分數。與PLIF 相比，它不需要被研究的介質摻雜粒子或示蹤分子，而且Ray?leigh 散射可以通過任何可見波長或紫外波長的激發來得到，并不需要共振躍遷激發。與Raman 散射相比，Rayleigh 散射的散射截面通常比相應的Raman 散射截面大3 個數量級，這使得通過Rayleigh 散射測量平均和波動分量時具有更高的時空分辨率[39]。另外，由于Rayleigh 散射信號與分子數密度具有簡單的線性依賴關系，因此無需復雜的系統校準就可以直接測量出Rayleigh 散射信號的定量結果。然而，應用這種彈性散射診斷技術時，需要在光學裝置中額外的注意。由于Mie散射過程通常比Rayleigh散射強幾個數量級。因此，Rayleigh 信號經常會受到粒子和背景散射光的干擾，這使得對試驗環境的要求十分苛刻。

Rayleigh信號強度IR與每種氣體的摩爾分數Xi和散射截面σi以及氣體的總數密度N成正比。對于理想氣體的多組分混合物，Rayleigh散射強度IR為

式中：C為集合光學的校準常數；I1為入射激光光的強度[42]。

從式（4）中可見，若將Rayleigh 散射信號與燃料濃度聯系起來，則必須確定燃料和空氣的Rayleigh 散射截面。物種i的Rayleigh 散射橫截面σi與垂直于入射光的偏振平面和折射率（n）有關

式中：ni為STP（標準溫度和壓力，273 K，101325 Pa）條件下氣體的折射率。N0為Loschmidt 數（2.687×1019 cm-3），即STP 下理想氣體的分子數密度；λ為波長，θ為散射角，即散射平面上入射方向與散射方向之間的角度；α為去極化比[43]。

去極化比α常用于描述分子各向異性的影響。對于各向同性分子（極化張量的對角所有元素都相等），α為零。對于各向異性分子（至少極化張量的2個對角化元素不相等），入射輻射場將在分子內引入1 個偶極矩，這一般與輻射的電場不平行。在這種情況下，α不等于零。大多數分子的去極化比都很小，變化范圍可能從0 到大約0.15。在先前的一些研究中利用Rayleigh 散射截面的變化來獲得物種摩爾分數的變化[44]。現在的大多數應用中，假定Rayleigh 散射截面是恒定的。但是，需要注意的是，截面隨溫度的升高略有增加。這種微弱的溫度依賴性是由于能量更高的轉動態和振動態數量增加，從而導致分子有效體積增大。

Espey 等[42-45]利用平面激光Rayleigh 散射（Planar Laser Rayleigh Scattering，PLRS）技術，獲得了蒸發燃燒的柴油射流氣相燃料濃度的定量圖像。定量PLRS燃料濃度測量的光學裝置如圖14 所示。Rayleigh 散射所需的激光光源一般由2 倍頻的Nd：YAG 激光器（λ=532 nm）產生。激光通過氣缸壁頂部的1 個窗口進入氣缸，與其中1 個燃料射流方向一致，并通過另一側的窗口離開氣缸。這種安排可以減少在柱體表面激光散射的數量，從而減少在Rayleigh 成像中產生的背景信號。

圖14 定量PLRS燃料濃度測量的光學裝置[42]

因為燃料射流中燃料摩爾分數和總數密度會隨著溫度的變化而發生變化。為此，Espey 等[42]采用了如下2 種方式來處理：假設柴油射流在氣缸-空氣環境下為等溫的；利用絕熱混合假設模擬了射流中的局部溫度缺陷。并且通過研究證明了等溫流場的假設對于燃料濃度的計算是相當準確的。需要注意的是，在當量比計算中，射流溫度的不確定問題并不是Ray?leigh 散射診斷所特有的。對于任何用于測量燃料濃度的不可知論方法，必須解決未知的噴氣溫度問題，以便將信號還原為當量比（除非同時進行獨立的空氣濃度測量）。在燃料與空氣絕熱混合（無傳熱無傳質）的假設下，可以采用熱力學平衡的計算方法來確定所有燃料與空氣比的絕熱混合溫度。將通過能量守恒定律推導出熱力學平衡計算模型與理想氣體定律和式（4）結合使用，就能確定基于絕熱混合假設估計多種情況下的燃料濃度和當量比。

Fielding 等[46]證明了通過測量Rayleigh 信號的偏振和去偏振分量，并取它們的差異或適當的線性組合，可以獲得燃料濃度。Rayleigh 散射的極化和去極化分量的信號分布如圖15 所示。從圖中可見，當極化Rayleigh 信號在單位混合分數下為最大時，去極化信號為零。

圖15 Rayleigh散射的極化和去極化分量的信號分布[46]

Patton 等[47]使用校準、未強化、高分辨率的CMOS相機和一種獨特的高能、高重復頻率脈沖的脈沖激光系統（Pulse-Burst Laser System，PBLS），獲得了不同雷諾數下丙酮湍流射流的瞬時圖像。高速2維Rayleigh散射成像的試驗裝置如圖16 所示，CMOS 與CCD 相機測量結果如圖17所示。從圖中可見，2種相機所得的結果之間差別很小。

圖16 高速2維Rayleigh散射成像的試驗裝置[47]

圖17 CMOS與CCD相機測量結果[47]

綜上所述，Rayleigh 散射技術因測量環境要求較為苛刻，目前多應用于溫度測量當中，在燃料濃度測量方面應用較少。為解決激光Rayleigh 散射技術診斷燃燒場時存在的Mie 散射和背景雜散光干擾問題。近些年發展了基于碘分子超精細吸收凹陷的濾波技術，即濾波Rayleigh 散射技術（Filtered Rayleigh Scat?tering，FRS），通過在待測高溫流場和探測器之間放置碘分子濾波池，實現了對雜散光的有效抑制。一些試驗研究已經證明濾波Rayleigh 散射技術極大提高了Rayleigh 散射信號的信噪比[48-50]。但此技術鮮有人應用于燃料濃度分布的測量方面，未來結合濾波Ray?leigh 散射在溫度測量方面上的先進經驗，可將ICCD探測到的濾波Rayleigh 散射信號S（與燃燒場溫度和壓力有關）與室溫下濃度分布情況已知的標定裝置的濾波Rayleigh 散射信號S0相比，定義出FRS 相對強度S*，以消除集合光學的校準常數和入射激光強度的影響。并且可根據上述VLIF 的試驗裝置，去除掉染料激光器，將FRS 的相對強度算法結合進VLIF 的重構算法當中，未來有望獲得V-Rayleigh散射的測量結果。

4 基于Mie散射燃料濃度分布測量

Mie 散射理論是由麥克斯韋方程組推導出來的均質球形粒子在電磁場中對平面波散射的精確解。Mie 散射理論上適合于任何粒子尺度，目前一般把粒子直徑與入射光波長相當的微觀粒子所造成的散射稱為Mie 散射。根據Lorenz-Mie 理論，Mie 散射的散射強度與頻率的2 次方成正比，并且散射在光線向前方向比向后方向更強，方向性比較明顯[51]。

Mie 散射一大技術優勢就是試驗系統相對簡單且信號強度較強，一般可見光至紫外波段的激光器，甚至氙燈均可作為其光源。由于Mie 散射對大液滴較敏感，因此Mie 散射技術通常用于檢測宏觀下液態燃料的分布情況。L?fstr?m 等[24]使用1 個Nd：YAG 激光器產生532 nm 波長的激光，通入到模型噴油裝置中，通過Mie散射技術，用CCD相機捕捉到了Jet-A煤油液滴的定性分布情況。可見Mie 散射對于液態燃料濃度分布的定性測量十分有效，但定量測量一直是一個難題。且對于微小液滴的測量，由于散射光信號較弱，因此需要昂貴的像增強器作為探測器。為解決上述這些Mie 散射的測量問題，Kosaka 等[52]提出了一種定量測量噴霧燃料濃度的2 維Mie 散射新技術，2維Mie 散射成像光學布置如圖18 所示。該試驗裝置采用單脈沖Nd：YAG 激光器作為光源，波長為532 nm，輸出能量為170 mJ/pulse，脈沖持續時間小于10 ns。激光束被3 個圓柱形透鏡膨脹和準直，從而得到1個高度為14 mm、厚度為0.11~0.19 mm的激光片光。圓柱形透鏡以垂直的45°傾斜，使激光片光通過噴嘴孔附近的噴射截面，以45°橫切噴射軸。液滴中的散射光由CCD 相機拍攝。將硅油溶解在基礎燃料中，硅液滴的大小可以通過改變基礎燃料中硅的百分比來控制，通過對硅液滴成像來描述燃料中小液滴的分布情況，并將噴嘴孔噴射壓力和周圍的氣體密度作為定量測量的基準參數。

圖18 2維Mie散射成像光學布置[52]

駱洪亮等[53]以某型號發動機典型工況為試驗對象，利用Mie 散射的方法在定容燃燒彈中獲取了宏觀噴霧發展和撞壁的特征參數。定容彈Mie 散射測量系統如圖19 所示，試驗所用光源為氙燈，利用高速相機直接獲取整個撞壁噴霧的輪廓特征，拍攝過程中光源和相機呈90°放置。拍攝到的原始圖像和通過Mat?lab 編程設置閾值處理后圖像分別如圖20 所示。處理后的圖片可以更好的找到噴霧的邊緣有效區域，分辨出Mie散射光強的變化情況。

圖19 定容彈Mie散射測量系統[53]

圖20 Mie散射圖像處理過程[53]

上述的研究主要應用于試驗室條件下，并不能完全還原真實發動機內部情況。Pastor等[54]重現真實柴油發動機在低負荷下的工作條件，采用高速Mie 散射技術，獲得了傳統七孔噴嘴在高瞬態噴射條件下柴油噴射的液體長度。Mie散射用于液體長度測量如圖21所示。2個連續的白光源（150 W石英鹵素）配備8 mm液體光導軌，為燃燒室提供均勻的照明，并且有一定的傾斜，以防止窗口表面反射產生局部光學飽和。采用分割法對圖像進行處理，即1 個原始圖像被分成與噴嘴中的孔一樣多的部分，得到用數字的直方圖分布；應用PDF 統計確定1 個閾值，以獲得噴霧劑的二值圖像；最后，對每個扇區采用連通性算法建立每個噴霧的輪廓。

圖21 Mie散射用于液體長度測量[54]

綜上所述，Mie 散射可應用在液態燃料的濃度分布測量中，即通過捕捉燃料液滴的散射光來獲得液體燃料液滴的分布情況。Mie 散射測量技術結構簡單、光源和相機選擇多樣，可使用如PIV 系統光源、低燃料吸收率波長（如532 nm）下的PLIF 系統光源、氙燈等直接照射燃料液滴，采用高速相機、ICCD、CCD 相機等進行捕捉。但Mie 散射測量技術僅能探測出宏觀的燃料液態分布結構，在捕捉細小粒子方面還存在一定局限性。且Mie 散射拍攝的原始圖像為黑白的定性結果，需通過Matlab 等軟件進行后續處理，并通過環境已知量進行定量標定。未來Mie 散射技術將會拓展到全局所有液滴（由大到小）的分布情況的探測，來獲得更細致的液態燃料分布情況。通過對計算數據庫的不斷完善，更準確更完善的Mie 散射算法和程序被提出，Mie 散射技術未來將會同PLIF 技術一樣，相機拍攝得到的原始圖片直接通過電腦程序處理為信息更加豐富、更加準確的偽彩色圖片，以減少后續處理的時間和增加試驗結果分析的準確性。并可以以VLIF 技術為基礎，將二值化圖像處理算法與重構算法相結合發展V-Mie散射技術，來獲得全方位立體的液態燃料分布情況。且由于Mie 散射技術對光源和相機要求較低，因此V-Mie 散射相比于VLIF 技術在測量設備方面的成本會低許多。

5 基于激光誘導擊穿光譜燃料濃度分布測量

激光誘導擊穿光譜（Laser-Induced Breakdown Spectrum，LIBS）是一種強大的診斷方法，可用于測量燃燒系統中的當量比、燃料成分和溫度等。在這種技術中，1 個足夠高能量的激光脈沖通過聚焦到1 個小體積上打破分子的化學鍵，將分子碎片初始化為元素成分。然后，在激發與目標分子分離的原子時，產生高溫等離子體。可以記錄和分析這些被激發原子在其弛豫過程中的發射情況，以定性和定量地確定樣品的元素組成。在LIBS 中，如果等離子體處于局部熱力學平衡（Local Thermodynamic Equilibrium，LTE），則光譜發射線的強度與原子激發態的數量呈線性相關

式中：I為光譜發射線的強度；N為激發態原子的粒子數；hv為被激光激發的單光子能量；E為原子的激發能；k為玻爾茲曼常數；T為絕對溫度；C為常數，與儀器參數、元素性質等因素有關；C、hv、E、k、T均為特定光譜發射線及給定試驗條件下的常數。

也就是說，光譜發射線的強度在某些條件下隨原子激發態的數量而直接變化。在LIBS 試驗中，經常利用原子譜線的相對強度來獲得原子種類的定性信息，而不受儀器參數的影響[55-56]。

LIBS 技術具有時空分辨率高、對環境要求低、響應時間快、非侵入性等優點。LIBS 技術收集受激發態發射的原子，不同于其他光學診斷技術受分子狀態（例如燃燒或未燃燒的氣體）的影響。LIBS 技術可以應用于任何物質的分析，而不管其物理狀態如何，為實時的多元素分析提供了可能[57-59]。尤其應用于惡劣環境中十分有效。目前LIBS 技術成功地對低碳數烴燃料（如甲烷和丙烷）的局部當量比測量進行了許多研究，Ferioli 等[63]在試驗室條件下對標準汽車發動機中的甲烷/空氣進行了定量的局部當量比測量。甲烷/空氣單鏡頭光譜如圖22 所示，其中CN 的發射光譜是由于等離子體中產生的C 和N 重組成了CN*，當量比可由N 或O 峰與C 或CN 信號之間的比值得到。CN 比與UEGO 傳感器測量的當量比之間的相關性如圖23所示，結果表明LIBS預測的單次當量比的平均值與UEGO傳感器讀數較吻合，證明了此方法的準確性。

圖22 甲烷/空氣單鏡頭光譜[50]

圖23 CN比與UEGO傳感器測量的當量比之間的相關性[50]

由于煤油是一種由多種高碳數烴類燃料組成的混合復合物。它的分解閾值和光譜與甲烷等低碳氫烴燃料有很大的不同，因此Zhang 等[55]在設計制造的模擬超聲速燃燒狀態的高溫高壓試驗箱中通過LIBS技術對預混煤油/空氣進行了局部當量比的定量測定，LIBS 診斷系統裝置如圖24。LIBS 測量時通過使用2倍頻Nd：YAG 激光器輸出532 nm 波長，使受激原子產生了預混煤油/空氣氣體的LIBS信號。測量結果通過ICCD 相機進行采集，LIBS試驗中預混煤油/空氣氣體的典型光譜如圖25所示。在預混煤油/空氣氣體的LIBS試驗中，H/O或H/N的值與原子的相對濃度成正比，即H/O 或H/N 的值與試驗單元中預混煤油/空氣氣體的當量比線性對應。根據其線性關系做出的校準線作為LIBS技術定量局部當量比測量的基本數據。

圖24 LIBS診斷系統裝置[55]

圖25 LIBS試驗中預混煤油/空氣氣體的典型光譜[55]

綜上所述，LIBS 技術理論上可對任何燃料進行測量，目前LIBS 技術主要應用在甲烷等氣體燃料的濃度測量中。LIBS 技術雖測量功能強大，但無法直接獲得燃料濃度分布的圖像，需要通過原子光譜進行分析獲得其燃料當量比情況，進而反推出燃料濃度情況。其中環境氣體氛圍包括氣體的種類和壓強等是影響等離子體演化以及等離子體光譜特征的重要因素，隨著環境壓力的改變，等離子體的尺寸、電子數密度、特征譜線強度以及入射激光能量的吸收比例都會發生變化[64]。目前國內外學者們對LIBS 光譜信號的增強進行了深入研究，通過雙脈沖LIBS、fs-LIBS、ns-LIBS等光譜信號增強技術可使LIBS技術的穩定性與檢測精度得到極大提升[65-66]。其中在雙脈沖LIBS 中提出了一種共振激發（LIBS-LIF）技術，該技術在LIBS 激發等離子的基礎上，再利用特定波長的激光照射等離子體，檢測其熒光信號[67]。該方法大幅提高了LIBS 的靈敏度和選擇性，在燃料濃度測量方面有很大的應用前景。并且LIBS 技術根據其不受樣品形態影響的特點，未來有望實現液態燃料的濃度測量。隨著高功率脈沖激光器，寬帶高分辨多道光譜儀，分析方法等技術取得突破性進展，LIBS 技術未來將會在降低背景，提高信噪比方面不斷改進，使得LIBS 技術在燃料檢測領域得到廣泛應用。

6 基于可調諧二極管激光吸收光譜燃料濃度分布測量

可調二極管激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectrum，TDLAS）技術是通過調制激光波長，使其通過被測氣體的特征吸收區，在二極管激光器與長光程吸收技術相結合的基礎上發展起來的新的痕量氣體檢測方法。TDLAS 具有設備質量輕、占用空間小、環境適應能力強、測量數據精度高、在線實時測量等特點[68]。然而，TDLAS的不足之處在于它是一種線測量技術，即測得的光譜吸收信號是沿測量路徑的積分值，反演的氣體濃度值則是該光路上的平均值，不能反映待測區域的場分布情況。目前隨著可調諧半導體激光器技術的快速發展，其覆蓋的波段越來越寬，幾乎覆蓋了整個近紅外和中紅外波段[69]，在輸出功率、激光器線寬方面也都有了極大提高。

TDLAS 測量時需要掃描氣體的單根或多根完整的吸收線，因此要求激光器線寬遠小于吸收光譜線寬。目前廣泛使用的激光器有分布反饋二極管激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）、垂直腔表面發射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VC?SELs）、外腔二極管激光器（External-Cavity Diode La?ser，ECDL）和量子級聯激光器（Quantum Cascade La?ser，QCL）等[70-71]。一般來說近紅外的DFB 激光器和He-Ne激光器可以滿足燃料濃度測量的要求，且無需冷卻，結構緊湊，輸出穩定[72]。

TDLAS 技術的基本原理為：當只使用1 個波長的光，如激光，并且光的強度I通過氣體沿測量長度L衰減到I0值時，透射率由蘭伯特-比爾定律表示

式中：ε 和c分別為吸收光的氣體的摩爾吸收系數和摩爾濃度。

吸收系數取決于試驗區的壓力和溫度。當測量長度恒定時，可以通過測量透過率來確定濃度。試驗時大多選取的吸收波長為3.39 μm，因為大多數碳氫化合物在這個波長附近都有很強的吸收帶。然而，對于特定波長的異辛烷或汽油等燃料的吸收系數在目前階段尚不清楚。因此，必須根據發動機中的條件，預先測量燃油的吸收系數。

Tomita 等[73]用紅外激光吸收法測量了火花點火發動機火花塞附近的燃料濃度，并在定容容器中，通過改變壓力和溫度來確定摩爾吸收系數的值。異辛烷在不同壓力和溫度下的摩爾吸收系數如圖26 所示。從圖中可見，摩爾吸收系數隨溫度升高而增大，隨壓力升高而減小。

圖26 異辛烷在不同壓力和溫度下的摩爾吸收系數[73]

火花點火發動機試驗裝置如圖27 所示。用銻化銦(InSb)紅外探測器通過帶通濾波器對激光進行檢測。在每個曲柄角度都記錄紅外探測器信號。根據方程7中的蘭伯特-比爾定律，在測量透光率信號時，確定了火花塞附近的燃料濃度。50 至10°上止點前（Before Top Dead Center，BTDC）的空氣/燃料比（A/F）的最終結果[73]如圖28所示。

圖27 火花點火發動機試驗裝置[73]

圖28 50°至10°BTDC（上止點前）的空氣/燃料比（A/F）的最終結果[73]

Drallmeier[74]設計了一種紅外消光技術的光學結構，并對脈沖燃料（異辛烷）噴霧中蒸汽的摩爾分數進行了定量測量。該系統使用共軸的可見光和紅外光系統，以及1 個獨特的夾層探測器作為1 個緊湊的系統。該系統可以同時檢測可見和紅外2 個波長光的輻射信號。共軸光學系統如圖29所示。

圖29 共軸光學系統[74]

由于He-Ne 激光器對環境條件很敏感，同時在多個離散波長發出散射輻射和相干光。此外，3.39 μm 處吸收的是所有碳氫燃料所共有的C-H 不對稱拉伸鍵，而不同碳氫化合物具有不同的吸收系數。因此，傳感器需要根據運行過程中遇到的每種燃料混合物進行校準。所以，紅外吸收法在燃氣輪機中的實際應用存在局限性。Li 等[75]開發了一種快速（2 kHz）近紅外可調諧二極管激光器（Tunable Diode Laser，TDL）吸收傳感器，用于實時測量燃氣輪機燃燒室中的甲烷濃度（以及當量比）。該非侵入性傳感器基于固定波長的激光吸收在1.65 μm 附近的甲烷，在此吸收波長上不受其他物質吸收的干擾，目前已廣泛用于遠程檢測管道中甲烷的泄漏情況[76-77]。大氣壓下燃氣輪機燃燒室試驗臺如圖30 所示。從圖中可見，在燃料/空氣混合物進入燃燒室之前，TDL傳感器的激光束被透鏡準直并定向穿過燃燒室，通過采樣探頭測量在冷流混合試驗中激光束位置橫截面上的甲烷濃度。

圖30 大氣壓下燃氣輪機燃燒室試驗臺[75]

在最新的研究中，Porter 等[78]發明了一種新型雙波長中紅外激光吸收診斷方法，用于同時測量氣相燃料摩爾分數和液體燃料膜厚度。該測量技術的一個潛在應用是在能夠在燃燒環境中獲得準確的蒸汽摩爾分數值。

綜上所述，TDLAS 技術是一種比較成熟的光譜檢測技術，適合于氣體燃料和燃料氣相濃度的測量。該技術需要通過改變激光器輸入電流或溫度來調諧激光器輸出波長，獲得高分辨率的氣體吸收光譜。從而根據光譜進行分析，來獲得燃料的參數信息。通過對波長的調節，TDLAS 可以同時分析多種物質，并且測量精度較高，因此TDLAS 可以幫助驗證PLIF 和Rayleigh 散射測量結果的準確性。目前基于TDLAS發展出了一種流場2 維非均勻參數測量技術（Tun?able Diode Laser Absorption Tomography，TDLAT），該技術根據不同角度下光線經過待測流場后的衰減激光信號，結合CT算法得到被測流場的場分布圖像[69]。Xia等[79]通過TDLAT 技術重構出了平面爐爐面溫度和水汽濃度分布圖像，后續隨著測量方法的進一步完善，重建算法的不斷優化，未來TDLAT 技術有望應用在燃料濃度測量當中。并且隨著測量環境和測量需求的越來越苛刻，未來TDLAS 技術將會朝著氣體濃度的檢測極限更低、環境適應性更強、測量系統更穩定、測量參數更多、更小型化等趨勢發展，以滿足更加多樣、復雜的測量需求。

7 基于激光的各燃料濃度分布測量技術優缺點

本文介紹了示蹤分子-PLIF、煤油-PLIF、Raman散射、Rayleigh 散射、Mie 散射、LIBS、TDLAS 技術的基本工作原理和方法，燃料濃度分布測量技術的主要特點見表2。

表2 燃料濃度分布測量技術的主要特點

從表中可見，示蹤分子-PLIF、煤油-PLIF 技術需要特定的波長進行激發，TDLAS 需要調制出特定的吸收波長，其余測量方法對波長無具體要求，燃料吸收率低即可。對于低碳數徑（如CH4等）可采用Ra?man 散射、Rayleigh 散射、LIBS、TDLAS 進行測量。對于液態高碳數烴類，可采用PLIF、Raman 散射和Mie散射進行測量；對于氣態高碳數烴類，可采用PLIF、Raman 散射、Rayleigh 散射、LIBS、TDLAS 進行測量。PLIF、Rayleigh 散射、Mie 散射技術可對燃料濃度的分布情況進行2維可視化成像，Raman散射、LIBS和TD?LAS技術不能直接獲得燃料濃度的分布情況，需通過測得的光譜結果反演出濃度分布情況。

可見每種技術對應的測量環境和測量能力都有所差別，因此在實際工程應用中選擇測量方法時，應根據具體情況選擇合適的方法。此外Mie 散射技術和TDLAS 技術因其設備相對簡單、且價格相對便宜，因此使用這2 種技術所需成本較低。PLIF 同步測量多種組分時，傳統方式需2 套PLIF 設備造價較高，當其中1 種組分不需要染料激光器時，為節約成本可在能量滿足條件的情況下采用單臺高能量激光器進行分頻方式實現多種物質的檢測與測量。

8 總結

（1）依據不同物質熒光特性，基于單臺高能量激光器半定量/定量測量的多組分LIF未來有望實現，可節省很大一部分設備成本。并且有望通過VLIF 技術實現燃燒內燃料濃度分布的立體成像，并根據VLIF的技術基礎發展出V-Rayleigh 散射技術、V-Mie 散射技術等立體成像測量技術，實現發動機內部燃料濃度分布的高速瞬時演化過程的3D成像測量。

（2）隨著超快光譜CARS 等技術的發展，Raman散射技術將會朝著信號更強、時空分辨率更高、測量燃料更復雜的方向發展。隨著激光器、光譜儀技術、分析方法的不斷發展進步，LIBS 技術的信噪比水平將會得到提升。并且有望實現采用LIBS 技術對液態燃料濃度進行測量。通過目前正在發展的TDLAT 技術可實現TDLAS 的2 維可視化成像，但要想將TD?LAT技術應用在燃料濃度測量方面，還需解決在測量方法、重構程序等方面存在的諸多問題。并且隨著激光器性能不斷提升、燃料吸收系數的不斷完善，TD?LAS 技術將會朝著測量更方便、傳感器更穩定、環境適應性和燃料適應性更強的方向發展，使得其在在發動機領域得到更多應用。

（3）尚不存在一種激光診斷技術能夠滿足所有的測量環境，每種方法都有其優缺點及局限性，需通過熟悉各項激光測量技術的工作原理和應用條件，把握具體燃燒場、濃度場的特性及測量需求，對不同測量方法進行對比，選擇最適合的測量技術。相信在不久的將來，激光診斷技術在不斷完善發展中會進一步應用于更接近實際的復雜燃燒環境中，獲得更準確、更真實的結果。