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    光谱仪在燃烧诊断实验中的应用

    2022-09-06 09:45:41  来源:卓立汉光

    技术介绍:

    燃料燃烧是一种瞬态的化学反应动力学过程,科学家利用传统的光电技术,结合激光技术,光谱技术,图像处理技术用来分析燃烧场的温度,组分等参数,对优化发动机的喷雾燃烧提高燃烧效率,减少污染物等有着重要的意义。

    燃烧诊断的方法有很多种,有些是直接用高速测量燃烧的全过程,有些利用光谱仪加PMT监控某些指示化学键发光的过程来分析燃料配比,有些则利用激光技术,燃烧化学反应时会产生一些中间产物(如CH、OH等),这些产物会吸收激发激光并发出特征光谱信号。科学家分析这些荧光光谱等信息,可以分析火焰瞬时的结构,组分浓度等信息。

    产品应用:

    科学家通过分析多组分煤油的低温点火性能,发现添加某些活化剂可以大大降低煤油的燃点,使其在较低温度时能够充分燃烧,

    图1:低温点火测试实验图

    上图为相关的实验简图,图中科学家将掺有一定比例活化剂的煤油滴到变温台上,变温台可以从100度到600多度控制,高速相机拍摄液滴在变温台上随温度变化后的燃烧情况。而在燃烧时火焰发光通过光纤收集到光谱仪中,再由PMT监控发光波段随时间变化的衰减过程。整个实验中,监控燃烧产物OH自由基的发光波段306.5nm,光谱仪将色散位置设置到该波段,然后用PMT进行监控。监控过程中PMT高压设置为1000V,使其处于光子计数状态,然后连接数采,对OH发光进行实时监控扫描。

    当激光引入到燃烧实验中时,又会有很多有趣的现象发生。首先是拉曼光谱分析。

    图2:火焰燃烧的拉曼光谱分析

    在燃烧的不同时刻,由于燃料从刚开始不充分燃烧,中间产物较多,到充分燃烧,再到慢慢冷却。整个过程中各种成分的拉曼信号的分布是一个渐变的过程,我们可以利用这些信号变化来分析优化燃烧气体的比例浓度。实验中一般采用低重频的Nd:YAG脉冲激光器结合ICCD来进行研究分析。

    如果将染料激光器引入实验,在Nd:YAG 激光器后面接上染料激光器,用532nm泵浦我们可获得多个波段的激发激光,例如606nm的激光,然后经与两束532nm激光在时域上进行调整,在满足CARS的相位匹配条件下,我们可以得到相关的CARS信号,从而可以用来分析燃烧场的温度和组分浓度信息。

    图3:CARS原理简图和实验装置简图

    在燃烧过程中,燃烧不充分会产生很多中间产物,我们也可以用激光激发火焰中这些中间产物获得荧光来分析,也就是激光诱导荧光(LIF),如果将激光经过柱面镜等光学元件整形成很薄的一个平行平面光,这是我们称该实验为平面激光诱导荧光(PLIF)

    图4:PLIF实验简图

    实验中,我们可以用ICCD或是高速相机拍摄例如OH分子荧光在燃烧过程中的分布情况。

    图5:采用ICCD获得的火焰OH PLIF图像来研究火焰内部湍流结构分布

    卓立汉光可以提供燃烧诊断中的各种产品,例如光路系统搭建所需的光机产品,如柱面镜,延时光路系统等,也提供各类光谱仪配置,例如光谱仪同PMT的组合,也提供光谱仪同各类相机的组合,特别是燃烧诊断实验中不可或缺的ICCD相机,卓立汉光也可以非常完美的进行匹配工作。

    引用文献:

    1. Zhu Jiajian, Wan Minggang, Wu Ge, Yan Bo, Tian Yifu, Feng Rong, Sun Mingbo, Chinese Journal Of  Lasers,48(4),0401005(2021).

    1. Haoqiang Sheng, Xiaobin Huang, Yuan Ji, Zhengchuang Zhao,Zhijia Chen, Hong Liu,international journal of hydrogen energy,46,27207 (2021).

    2. Frank JH, Kaiser SA, and Long MB,Proceedings of the Combustion Institute,29(2),2687(2002)


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