光學(xué)測量技術(shù)在燃燒特性研究中的應(yīng)用*

潘洪玉 鄭和瑞 鄔思遠(yuǎn) 許滄粟

（1-常州常發(fā)農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究有限公司 江蘇 常州 213000 2-浙江大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所）

引言

化石燃料資源的快速消耗以及它作為內(nèi)燃機(jī)燃料所產(chǎn)生的環(huán)境污染導(dǎo)致工業(yè)、商業(yè)和國內(nèi)部門對實(shí)施高效和環(huán)境友好型能源管理計(jì)劃的需求不斷上升。解決上述問題的一個(gè)可行辦法是深入研究燃料的各項(xiàng)燃燒特性參數(shù)，以確保較高的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和較低的排放。

燃燒過程涉及燃料的噴射、霧化、混合及燃燒等，由于燃燒環(huán)境的特殊性，幾乎不可能使用需要與反應(yīng)流進(jìn)行某種接觸而不干擾其反應(yīng)過程的傳感器，因此不可能用傳感器方法直接測量燃燒過程的特性參數(shù)。而光學(xué)測量技術(shù)具有非侵入特性，對測量場沒有干擾，所測結(jié)果可以反映被測流場的真實(shí)情況，已成為燃燒科學(xué)家研究火焰的重要工具[1-3]。除了早期用于穩(wěn)定火焰的點(diǎn)測量光學(xué)技術(shù)外[4]，目前已發(fā)展并開始廣泛應(yīng)用于燃燒測量的光學(xué)成像技術(shù)。其主要有4類：平面成像技術(shù)[5-13]、光場成像技術(shù)[14-16]、計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)[2，17]和全息成像技術(shù)[2，18-20]，可對燃料的噴霧特性、油氣混合物的形成與分布、火焰形態(tài)及溫度場分布以及各種燃燒產(chǎn)物進(jìn)行詳盡的研究，對組織高效而穩(wěn)定的燃燒具有重要意義。

1 平面成像技術(shù)

平面成像技術(shù)是目前較為成熟的一項(xiàng)激光測量技術(shù)，通常需要用一層薄薄的激光片光源照亮所研究的火焰橫截面，然后使用陣列檢測器對激光激發(fā)后的信號(hào)進(jìn)行成像。根據(jù)激發(fā)后信號(hào)種類的不同，主要有激光誘導(dǎo)熒光（LIF）、激光誘導(dǎo)磷光（LIP）和激光誘導(dǎo)熾光（LII）技術(shù)。

1.1 激光誘導(dǎo)熒光（LIF）技術(shù)

LIF利用激光束激發(fā)的原子或分子的輻射光進(jìn)行測試，主要原理是激光源激發(fā)一個(gè)分子從基態(tài)躍遷到高能態(tài)，由于高能態(tài)的分子不穩(wěn)定，受激分子將通過自發(fā)輻射返回基態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生熒光，該熒光信號(hào)不僅取決于熒光物質(zhì)的濃度，還取決于環(huán)境溫度、壓力和局部氣體組成[5]。利用這些相互依賴性，通過標(biāo)定可建立熒光強(qiáng)度與被測量的關(guān)系，從而進(jìn)行定量分析。

在噴霧特性測量中，LIF可用于同時(shí)可視化液滴和燃料蒸汽，但液相的信號(hào)通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于燃料蒸汽的信號(hào)，需使用強(qiáng)化CCD相機(jī)得到圖像。Mercier等人[6]使用圖1所示的平面LIF系統(tǒng)研究了應(yīng)變逆流擴(kuò)散火焰中甲烷的液滴燃燒，空間分辨率可達(dá)到20μm。在火焰結(jié)構(gòu)和溫度場測量中，研究主要集中于OH-LIF和NO-LIF測試。Li等人[7]使用OH-LIF對甲烷/空氣預(yù)混層流火焰和非預(yù)混湍流甲烷射流火焰進(jìn)行了三維火焰結(jié)構(gòu)診斷，由于只使用了具有8個(gè)視圖的多相機(jī)系統(tǒng)檢測，空間分辨率只能達(dá)到約1 mm。Bessler等人[8]提出并應(yīng)用了一種測量穩(wěn)定火焰中絕對溫度分布的NO-LIF溫度成像技術(shù)，與傳統(tǒng)雙線技術(shù)或多線玻爾茲曼圖相比，精度和多功能性得到了顯著改善。

圖1 平面LIF系統(tǒng)裝置圖

1.2 激光誘導(dǎo)磷光（LIP）技術(shù)

LIP的基本原理與LIF類似，利用磷光物質(zhì)受激后產(chǎn)生的磷光信號(hào)進(jìn)行定量分析。磷光的產(chǎn)生過程與熒光相同，如圖2所示，不同的是，磷光的壽命和發(fā)光強(qiáng)度都勝于熒光。磷光的衰減速度和線形強(qiáng)度對溫度較為敏感，根據(jù)這一特性，LIP常應(yīng)用于固體表面及液滴的溫度測量。白書戰(zhàn)等人[9]利用LIP對一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了缸內(nèi)氣體的溫度分布測量，測試結(jié)果與缸內(nèi)壓力計(jì)算得到的缸內(nèi)平均溫度相比，誤差在5%以內(nèi)。

圖2 分子的受激和輻射過程

磷光的衰減速率還與磷光物質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)，在兩相流測試中，利用這一特性可以很好地克服LIF成像存在的兩相間熒光強(qiáng)度差異較大及光暈影響的問題。Charogiannis等人[10]利用液態(tài)和氣態(tài)丙酮在308 nm激發(fā)后的磷光性質(zhì)，對蒸發(fā)液體流動(dòng)進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)液相和氣相丙酮的不同磷光衰減速率有利于獲得更好的信號(hào)比，使得液滴周圍的蒸汽可以清晰可視化，從而排除光暈的干擾，精確定位氣-液界面。

1.3 激光誘導(dǎo)熾光（LII）技術(shù)

LII的原理是碳煙粒子受激光照射后，溫度迅速上升至高于所處環(huán)境的溫度，同時(shí)產(chǎn)生黑體輻射。Melton[11]的研究結(jié)果表明，當(dāng)碳煙粒子受激后的溫度達(dá)到4 000 K以上時(shí)，LII信號(hào)強(qiáng)度與碳煙粒子的平均直徑和體積分?jǐn)?shù)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此通過采集黑體輻射信號(hào)可以定量分析碳煙的體積分?jǐn)?shù)和粒徑大小等物理參數(shù)。Kock等人[12]建立了兩種波長下具有時(shí)間分辨測量的激光誘導(dǎo)熾光模型（TR-LII），并將其應(yīng)用于單缸二沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，測試結(jié)果與TEM分析得到的平均一次顆粒尺寸非常一致。唐青龍等人[13]建立了一套雙色法-激光誘導(dǎo)熾光法（2C-LII）測試系統(tǒng)，可用于柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中碳煙體積分?jǐn)?shù)的定量測量，并實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)標(biāo)定和全視場范圍測量。

2 光場成像技術(shù)

傳統(tǒng)的光場成像技術(shù)是由Adelson[14]提出和設(shè)計(jì)的。光場成像技術(shù)本質(zhì)上是3D的，僅用一臺(tái)相機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)3D空間分辨率，能夠在一次攝影曝光中對CCD傳感器上的4-D光場進(jìn)行采樣，從而同時(shí)記錄每條射線的輻射強(qiáng)度和方向信息。光場成像技術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)相機(jī)成像的區(qū)別如圖3所示，區(qū)別是在傳感器前配備一套微透鏡陣列。Wang等人[15]應(yīng)用如圖4所示的光場相機(jī)記錄了本生燈火焰的光場，并用LSQR算法重構(gòu)其3D溫度場，該光場相機(jī)的空間分辨率可以達(dá)到毫米量級。孫俊等人[16]則提出了一種基于單光場相機(jī)的火焰三維溫度場測量新方法，并通過光場相機(jī)探測面的強(qiáng)度分布和基于QR分解的最小二乘算法溫度場反演模型得到的火焰三維溫度場結(jié)果證明了該方法的可行性。

圖3 光場成像技術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)相機(jī)成像的區(qū)別

圖4 應(yīng)用光場相機(jī)研究本生燈火焰的3D溫度場

3 計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)

計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）既可以是2D也可以是3D的[2，17]，其中利用燃燒過程中的化學(xué)發(fā)光的CT成像技術(shù)——化學(xué)發(fā)光計(jì)算機(jī)斷層掃描（CTC）是發(fā)展最為迅速的一種研究火焰3D結(jié)構(gòu)的成像技術(shù)。該技術(shù)通過一系列積分測量（相機(jī)圖像）重建湍流火焰的3D化學(xué)發(fā)光場，分析數(shù)據(jù)可獲得火焰表面密度、起皺因子、火焰法線方向和放熱率等燃燒參數(shù)。

相對于前兩種光學(xué)測試技術(shù)，CTC利用化學(xué)發(fā)光避免了成像系統(tǒng)對光源的依賴，大大降低了測試系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)備要求，使實(shí)驗(yàn)更加可行。同時(shí)化學(xué)發(fā)光只發(fā)生在靠近火焰反應(yīng)區(qū)的狹窄區(qū)域[21]，因此提供了火焰幾何形狀的信息。此外，由于發(fā)射光的光譜可以與特定的化學(xué)物質(zhì)有關(guān)，因此強(qiáng)度也是測量其物質(zhì)濃度的一種手段。CTC的工作原理如圖5所示，從物體周圍的多個(gè)視角進(jìn)行積分（投影）測量來重建3D結(jié)構(gòu)，更多的視圖會(huì)產(chǎn)生更好的分辨率。Floyd等人[17]用5臺(tái)攝像機(jī)和10片平面鏡組成了10視角的CTC系統(tǒng)（圖6所示），重構(gòu)得到了對沖湍流火焰的3D結(jié)構(gòu)，但由于受相機(jī)數(shù)量的限制，空間分辨率只能達(dá)到毫米量級。

圖5 CTC測試系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)置

圖6 對沖湍流火焰CTC測試系統(tǒng)

4 全息成像技術(shù)

全息技術(shù)是利用光的干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體光波波前的一種技術(shù)，利用光的干涉記錄目標(biāo)波的振幅和相位信息，包含這些信息的媒介稱為“全息圖”，利用光的衍射理論，可以從全息圖中重建3D圖像。全息技術(shù)自1948年D.Gabor發(fā)明以來[18]，經(jīng)歷了3個(gè)大的發(fā)展階段[20]。第一階段自D.Gabor發(fā)明以來，逐步創(chuàng)立了同軸全息圖和全息理論；第二階段開始于20世紀(jì)60年代，隨著激光光源（相干光源）的發(fā)明，全息技術(shù)進(jìn)入了持續(xù)數(shù)十年的高速發(fā)展，相繼發(fā)明了離軸全息[22]、彩虹全息、計(jì)算機(jī)制全息（CGH）[23]和數(shù)字全息（DH）[24]，CGH 和 DH 發(fā)明后由于受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)設(shè)備發(fā)展等因素的制約而進(jìn)展緩慢；第三階段始于20世紀(jì)末和21世紀(jì)初，隨著圖像傳感器、空間光調(diào)制器（SLM）和計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的迅速發(fā)展，逐步發(fā)展完善了數(shù)字全息技術(shù)[2，19]。

圖7 DH系統(tǒng)原理圖

DH是一種干涉成像技術(shù)，一般采用如圖7所示的2種曲型結(jié)構(gòu)：離軸DH和相移DH，記錄包含目標(biāo)波前的數(shù)字全息圖，并在計(jì)算機(jī)上重建物體的3D和定量相位圖像。DH不僅在生物樣品3D成像、微機(jī)電系統(tǒng)的測量檢測、3D空間顆粒和流量測量、深度方向上納米精度的3D表面形狀測量等領(lǐng)域有所應(yīng)用，而且在燃燒測量方面[25-30]也開展了廣泛的應(yīng)用。

Agarwal等人[25]采用如圖8所示的數(shù)字全息干涉成像系統(tǒng)研究了微尺度（2～3 mm）蠟燭火焰在磁場作用下的空間溫度場，空間分辨率達(dá)到幾十微米量級。

Wu等人[26]利用如圖9所示的全息成像技術(shù)研究了空氣/氫氣混合氣體的高速湍流火焰射流的傳播過程，以100μs為間隔，記錄了從點(diǎn)火開始到1000μs的高速湍流火焰射流，空間分辨率達(dá)到幾十微米量級。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖

圖8 數(shù)字全息干涉成像系統(tǒng)

5 結(jié)論

本文全面回顧了目前已發(fā)展并開始廣泛應(yīng)用于燃燒測量的4種光學(xué)成像技術(shù)——平面成像技術(shù)、光場成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)和全息成像技術(shù)，對其基本原理、研究現(xiàn)狀和應(yīng)用范圍進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

1）光學(xué)成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展為內(nèi)燃機(jī)燃燒過程研究提供了重要的測試手段。目前，內(nèi)燃機(jī)燃料噴霧和燃燒的基本原理還有待進(jìn)一步研究，因此光學(xué)測量技術(shù)的前景是廣闊的，其重要性也將不斷增強(qiáng)。

2）單一的光學(xué)成像技術(shù)應(yīng)用范圍有限，為了更加深刻地理解內(nèi)燃機(jī)燃燒過程，未來的測試方法將朝著多種成像技術(shù)同時(shí)使用，并與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方向發(fā)展。