1實(shí)驗(yàn)背景
燃燒過程涉及多種化學(xué)反應(yīng)，關(guān)鍵中間產(chǎn)物CH2O（甲醛）濃度分布可反映燃燒效率。對于優(yōu)化燃燒過程、提高燃燒效率以及降低污染具有重要意義。
傳統(tǒng)侵入式測量技術(shù)會干擾燃燒火焰場，且響應(yīng)速度較慢、精度低。采用平面激光誘導(dǎo)熒光即PLIF技術(shù)，具有高時空分辨率、非接觸、多組分選擇等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對燃燒火焰中CH2O濃度高精度測量。
2 技術(shù)原理
PLIF技術(shù)基于激光與物質(zhì)的相互作用，當(dāng)一束特定波長的平面激光照射到燃燒火焰中的目標(biāo)分子（如 CH?O）時，這些分子吸收激光能量后從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的分子在短時間內(nèi)會自發(fā)地回到基態(tài)，并發(fā)出熒光。通過高速攝像機(jī)或sCMOS科學(xué)相機(jī)采集熒光信號并根據(jù)熒光強(qiáng)度與分子濃度之間的關(guān)系，得到燃燒火焰中CH?O濃度分布圖像。
圖1 PLIF技術(shù)原理圖
3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
千眼狼PLIF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要組成：
1）泵浦激光器，頻率30Hz，能量180mJ，用于產(chǎn)生355nm波長的平面激光，激發(fā)火焰中的CH2O分子。
2）千眼狼Revealer G_Pro系列高速攝像機(jī)，用于捕獲火焰熒光圖像。
3）P43磷光屏像增強(qiáng)器，用于增強(qiáng)甲醛分子受激發(fā)產(chǎn)生的熒光信號。
4）千眼狼Revealer同步控制器，最小脈寬1ns，時間同步精度1ns，用于激光脈沖、高速攝像機(jī)、像增強(qiáng)器精確同步。
5）光學(xué)組件，高反鏡、凹透鏡、凸透鏡、濾光片等，用于將激光聚焦成薄片狀，并對熒光信號收集和濾波，提高信噪比。
6）火焰發(fā)生器，用于產(chǎn)生穩(wěn)定的燃燒火焰。
圖2 PLIF系統(tǒng)示意圖
4 實(shí)驗(yàn)過程
第一步 系統(tǒng)標(biāo)定
測量區(qū)域中充滿0 mg/m3 、0.03mg/m3 、0.05mg/m3 三種濃度的CH2O, 采集對應(yīng)濃度下的熒光圖像，建立熒光強(qiáng)度-濃度關(guān)系曲線。
第二步 數(shù)據(jù)采集
采用千眼狼高速攝像機(jī)搭配像增強(qiáng)器、帶通濾光片，捕獲CH2O分子受激后產(chǎn)生的熒光圖像。
第三步 數(shù)據(jù)后處理
依據(jù)標(biāo)定過的熒光強(qiáng)度-濃度曲線，將原始熒光圖像的灰度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成表示濃度的偽彩數(shù)據(jù)，即濃度分布圖像。通過對高速攝像機(jī)捕獲的序列圖像分析，得到CH2O濃度隨時間、空間的變化規(guī)律，偽彩圖顯示，火焰前鋒區(qū)域濃度較高，火焰尾部區(qū)域濃度較低。
圖3組分濃度偽彩動圖
5實(shí)驗(yàn)結(jié)論
作為一種先進(jìn)的光學(xué)診斷技術(shù)，PLIF測量方法，可提供燃燒火焰中CH2O濃度分布的高時空分辨率圖像，幫助研究人員理解燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，為提高燃燒效率、降低污染物排放提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。
PLIF平面激光誘導(dǎo)技術(shù)還可與PIV粒子圖像測速技術(shù)相結(jié)合，在湍流領(lǐng)域研究、化學(xué)工程、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。
附 千眼狼自研PIV流場測量軟件、硬件
自研PIV測量軟件,適用于2D2C,2D3C,3D3C,PLIF,PTV,氣泡測量等應(yīng)用場景。
自主可控的PIV高速攝像機(jī)、PIV超清相機(jī)
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