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平面激光诱导荧光PLIF以及PLIF技术在燃烧诊断中的优势

更新更新时间:2023-12-12 点击次数:604


1.       为什么研究燃烧?

人类文明发展的每一步都与燃烧利用息息相关,人类的文明史,也是燃烧的利用史。知道燃料的燃烧方式及原理,了解燃烧进程,污染物排放等,对于燃烧类的工程活动至关重要,如汽车、航天、农业、清洁燃料研究、爆炸、污染物排放等领域,燃烧领域的相关研究变得越来越重要。

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2.       什么是PLIF以及PLIF技术在燃烧诊断中的优势?

img2每种分子内部都具有其特定能级结构,宏观表现为特定的吸收或者发射光谱特征。当激光与物质相互作用时,这种特定的结构导致只有当激光的波长与其相匹配时,激光才会被强烈的吸收,随后,也有一定的几率将吸收的能量以荧光的形式释放。激光诱导荧光技术就是利用该特性,通过特定波长的激光与物质相互作用,并探测作用后所产生的荧光,从而实现物质的检测以及物质信息的提取。早期的应用受硬件条件限制,激光通常被聚焦成一点,利用光电倍增管实现单点测量。随着技术的进步以及设备的发展更新,为了获取更多的信息,目前激光通常可以被压缩成片状,这样与待测组分作用产生的荧光就表现为二维分布特性,进一步利用高灵敏度的相机,就可以一次性获取片光有效作用区域的全部荧光,得到组分二维分布的信息。

 

img3PLIF(Planar Laser Induced Fluorescence,平面激光诱导荧光)技术是一种高灵敏的激光流动显示技术,利用物质对电磁波的共振选择吸收特性,它可以实现复杂环境特定组分空间分布特征的提取,从而实现该组分在流场中的二维分布测量。PLIF技术具有较高的时间分辨和空间分辨特性,能够在纳秒时间尺度对示踪组分(原子、分子或自由基团,如O、CO、OH、CH等)进行微米空间分辨的二维成像。对于没有示踪组分的环境,可以通过添加适当的荧光物质(如NO、丙酮和罗丹明等)实现二维显示。同时,基于分子辐射光谱理论以及结合其它测试手段,PLIF技术还可用于温度、浓度、速度等参数的测量。因此,该技术在流体力学、燃烧学、等离子体研究等诸多领域均有广泛的应用。

 

在燃烧场,利用PLIF,通过调节激发波长可以精确选择特定基团,通过激光器,高分辨的光谱仪和高灵敏度的ICCD/iSCMOS可以获得基团空间浓度分布信息及燃烧过程中的散射光谱。燃烧过程中,火焰光很强,激光脉冲打在火焰上,可以产生比火焰光更强的荧光信号,但是时间很短暂(ns);通过分析这些荧光的特性和变化来判断燃烧的状态;为了消除背景火焰光,拍摄到荧光信号,需要很短的曝光时间,一般是纳秒(ns)级别;ICCD/iSCMOS可以设置纳秒(ns)级别的门控,实现时间分辨的测量;在PLIF实验中,还要保证激光器和相机快门的同步,使荧光信号落到相机曝光时间区域内,才能拍到有效信号,排除背景光;

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PLIF 图像OH LIF, CO LIF, reaction rate (RR), temperature (T),and mixturefraction (f)

 

最重要的信息通常是样品在燃烧过程中的浓度及其时空演变的确定。然而,在PLIF研究中可以确定等离子体内温度和压力的重要信息,并且当与粒子成像测速仪(PIV)相结合时,还可以确定速度和流体动力学。在等离子体中,特别是在燃烧研究中研究的典型类型包括OH、CH、NO、NH、CN、CO和O2自由基,以及原子和离子物种内的激发。这些物质通常是等离子体固有的,但在流体动力学研究中,具有良好荧光特性的示踪剂材料被添加到主流体材料中。

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PLIF成像的另一个例子是在脉冲激光沉积(PLD)中。PLD用于通过产生等离子体在真空或背景气体环境中蒸发耐火材料(金属或陶瓷)。等离子体物质凝结在薄膜生长的基底上。作为优化薄膜生长和性能过程的一部分,研究人员对过程中不同物种的进化特别感兴趣,并将这些特性与薄膜的性能(如薄膜化学计量)联系起来。上图显示了不同延迟时间下膨胀等离子体的LIF图像。

 

PLIF还有一个主要应用领域是燃烧研究。流体动力学研究通常结合PLIF和PIV测量来表征火焰或羽流内的传输特性、湍流、温度、压力以及浓度。该技术的一些特定变体被称为OH-PLIF、CH-PLIF,双光子CO-PLIF和TR-PLIF。

 

3.       系统介绍

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PLIF设置的基本示意图如上图所示。所使用的激发激光器通常是脉冲式的并且可调谐的,其波长可以与样品内的光学跃迁的吸收很好地匹配。Quantel的Q-Scan调Q Nd:YAG泵浦染料激光器就很适合这种应用。

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PLIF中成功测量的关键是能够在高帧率(>10Hz)下以高灵敏度和几百纳秒(ns)的短时间窗口测量图像。新型增强型sCMOS(ICMOS)相机是进行此类测量的理想产品,它提供了比传统ICCD更快的帧率、同步触发和门控功能,以及所需的高灵敏度。更快的帧率能够与更高重复频率的激光器匹配。与此功能相结合的是增强sCMOS相机能够按照许多PIV测量的要求,以高时间分辨率拍摄双图像。

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             PLIF系统现场图片(测试对象:酒精灯火焰)

 

 

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