用于火焰前锋研究的LIF与化学发光法测量

       在燃烧过程中,火焰前沿中发生的许多反应产生一个局部放热量较高的区域。因此,大量的燃烧研究集中在这个火焰区域。由于火焰锋本身可能无法监测,因此该区域的实验研究旨在研究其他一些密切相关的性质。烃类燃料氧化中的一个重要中间物质是OH基团。因为它是在火焰前锋中形成的,所以OH是该区域常用的标记物。

两种不同的测量技术:激光诱导荧光系统和化学发光法测量

       OH的LIF(激光诱导荧光)成像是用于反应流动中火焰前沿研究的广泛使用的技术。该技术涵盖了从实验室燃烧器到卡车大小的内燃机和燃气轮机燃烧器的应用领域。通过Nd:YAG泵浦染料激光器激发火焰中的OH产生荧光。

       与LIF不同,化学发光法成像是一种使用化学激发而不是激光的简单技术。相机记录从化学激发的OH发出的光,表示为OH *。

       本研究将这两种技术通过应用于一个小的,略微湍流的大气火焰中进行了比较。

实验设置

       Dantec Dynamics的燃烧诊断LIF系统用于本研究,下图显示了激光激发部件和成像部件的概观图。使用Nd:YAG泵浦染料激光器的倍频输出调节至约283nm,在Q1(8)跃迁处实现OH激发。通过检测器系统前面的光谱过滤器检测到在大概309nm处的波长偏移荧光。通过放置在CCD相机前面的图像增强器,实现了200ns的短控制时间,以便检测短荧光脉冲并抑制来自火焰的光。

       对于相应的化学发光法成像实验,使用相同的设置但不使用激光。使用图像增强器上较长的控制时间来增加足以用于检测的光量。如同在OH的LIF成像中一样,将窄滤光器放置在相机镜头的前面,使得检测系统仅记录309nm附近的光。

结果比较

       LIF图像显示火焰薄片的快照,而化学发光法图像显示整个火焰的视线信息。此外,化学发光技术需要更长的曝光时间以收集足够的光; 因此,湍流结构在图像采集期间改变。在化学发光法图像的序列中非常清楚地捕获了这种变化,其中每个图像的曝光时间增加。即使对于最短曝光时间为100μs的图像,由于曝光期间的移动,结构也会略微模糊。

OH LIF图像(左1)和来自火焰的化学发光法图像(2,3,4),在309nm附近,控制时间分别为100μs,1ms和10ms

       当比较通过火焰的水平横截面时,很明显两种技术都设法将火焰前锋检测为燃烧器气流两侧的OH峰值。然而,通过LIF测量得到的OH值,在主峰外部也显示出较低的OH稳定水平。这表示火焰后气体中存在OH。 OH在该区域中未被化学激发,因此在化学发光法测量中未见。值得注意的是,化学发光法在火焰中心不会降低到和LIF的测量值一样低的强度。这是因为化学发光法成像是一种视线技术,因此从相机镜头的焦平面的前方和后方收集光。

       比较LIF和化学发光法技术的实验结果,可以得出结论,由于更高的空间和时间分辨率,LIF提供更详细的信息。这使得LIF非常适用于详细的火焰研究,例如对局部火焰熄灭现象的研究。然而,化学发光法成像在应用LIF技术困难或成本太高的情况下仍然有用。一个这样的示例是光学引擎诊断,其中有时倾向于以非常高的重复率获取图像数据以便追求单周期结果。

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