CN101793827B

CN101793827B - 在线测量b类火火焰区oh自由基浓度的方法及火焰装置

Info

Publication number: CN101793827B
Application number: CN 201010017910
Authority: CN
Inventors: 曹丽英; 潘仁明; 阙兴贵; 李燕; 李生有; 叶明生; 徐强; 高飞; 汪立
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology; Shanghai Fire Research Institute of Ministry of Public Security
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology; Shanghai Fire Research Institute of Ministry of Public Security
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: CN101793827A

Abstract

本发明公布了一种在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法及火焰装置，本发明方法采用激光诱导荧光技术，使用一束已经调谐至OH的吸收波长308nm的激光辐照火焰区OH自由基，使之恰好发生由低电子态向高电子态的共振跃迁。这种激发态的分子随即自发辐射放出荧光，在保持激光强度和仪器条件不变的情况下，于是总荧光强度便正比于始态的OH自由基浓度，从而测得OH自由基的浓度。本发明所述装置包括梨形漏斗(1)、方形燃烧装置(3)、装油杯(5)、水雾上升控制管(6)、支架(7)和加湿器(8)。本发明测量精度高、结构简单、易于实现。

Description

在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法及火焰装置

技术领域

本发明属于激光燃烧诊断领域，具体涉及B类火燃烧过程中火焰区OH自由基浓度的测量方法及装置。

背景技术

OH自由基浓度的测量在研究细水雾灭火机理的研究中占有相当重要的地位。目前对于细水雾与火焰相互作用机理研究的主要方法尚停留在宏观界面，文献报道了一些研究方法，即利用热成像仪、热辐射通量计、镍铬一镍硅热电偶或镍铬一康铜热电偶测量细水雾与火焰作用过程中，火焰温度场的变化。但是这种方法准确性不高，仅基于宏观界面间接研究细水雾与火焰作用情况，不能很好的表征细水雾灭火机理。因此提出了通过测量微观界面上OH自由基的浓度来直接表征细水雾灭火机理这一方法。

OH自由基的测量最早始于大气光化学的研究。文献报道了一些测量方法，如激光光学吸收光谱法；CO示踪氧化法；辅助离子测量和自旋捕获法。但是对于激光光学吸收光谱法，其产生的激光对OH干扰水平过高，严重影响测量精度；对于同属基于OH化学性质的CO示踪氧化法；辅助离子测量和自旋捕获法，在研究细水雾与火焰相互作用机理时没有可实施性。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法及火焰装置。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法，其特征在于包括如下步骤：

1.)在水温为15-25℃、室温为16-26℃条件下将含有相应浓度(0-2％)KIDBE水雾添加剂的水加入加湿器(8)；

2.)通过梨形漏斗将装油杯中的油加到固定高度即2-3cm；

3.)预热加湿器，当雾通量达到要求的固定值，点燃步骤2所述装油杯中的油，通过水雾上升控制管使水雾与火焰接触；

4.)采用PLIF实验装置通过观察窗测量火焰区的OH自由基浓度。

所述雾通量固定值为0.2g/min。

所述PLIF实验装置中：激光器泵浦可调谐染料激光器，染料激光器输出激光再经倍频器产生脉宽为7ns、能量为5mJ、线宽为0.3cm^-1、波长为282.03nm激光束，所述波长为282.03nm激光束经柱面透镜压缩为高为5mm、厚为100μm的波长为为308nm的片状激光入射到火焰区。

所述激光器为YAG激光器。

所述的在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法的火焰装置，其特征在于包括梨形漏斗、方形燃烧装置、装油杯、水雾上升控制管、支架和加湿器，其中装油杯设置于方形燃烧装置内，梨形漏斗固定于方形燃烧装置外部并通过导管与装油杯连接，方形燃烧装置固定于支架上，加湿器设置于支架内部并通过水雾上升控制管与方形燃烧装置连通，所述方形燃烧装置上还设置观察窗。

所述加湿器加湿器上还设置水雾控制阀。

所述加湿器加湿器上还设置电流表。

本发明采用激光诱导荧光技术，使用一束已经调谐至OH的吸收波长308nm的激光辐照火焰区OH自由基，使之恰好发生由低电子态向高电子态的共振跃迁。这种激发态的分子随即自发辐射放出荧光，在保持激光强度和仪器条件不变的情况下，于是总荧光强度便正比于始态的OH自由基浓度，从而测得OH自由基的浓度。本发明基于介质对光子的直接吸收过程，不受弹性碰撞与非弹性碰撞的影响，适合诊断高温、高压条件下的燃烧场。与其他燃烧诊断技术相比，本方法具有如下有益效果：

(1)其信号强度不受碰撞淬灭的影响或限制，适用的温度、压力(大气压或更高的压力)环境范围很宽，与激光诱导荧光技术结合可以深入研究荧光的碰撞淬灭过程；

(2)具有很高的时、空分辨率；

(3)其信号是激光信号，与探测光同向，探测较容易；

(4)能够定量测量燃烧场中微量组分的浓度。

附图说明

图1：本发明火焰装置结构图。

1——梨形漏斗；2——螺丝钉；3——方形燃烧装置；4——观察窗；5——装油杯；6——水雾上升控制管；7——铁制支架；8——YC-E350亚都加湿器；9——电流表；10——加湿器水雾控制阀

图2：为方形燃烧装置的A向俯视图。

图3：PLIF实验装置结构图。

11——柱面透镜；12——激光折射镜；13——UG-5滤光片；14——WG305滤光片(请按照上面的标号修改附图3中的标号)

图4：本发明实施例1(a)无喷雾水雾实验测试结果图，(b)加喷雾水雾实验测试结果图，(c)至(e)不同电流强度下的雾通量曲线图。

图5：本发明实施例2(a)无喷雾水雾实验测试结果图，(b)加喷雾水雾实验测试结果图，(c)雾通量曲线图。

图6：本发明实施例3(a)无喷雾水雾实验测试结果图，(b)加喷雾水雾实验测试结果图，(c)雾通量曲线图。

具体实施方式

图7：相同路径喷雾吸收实验的测试波形。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，搭建燃烧装置：

所述的在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法的火焰装置，包括梨形漏斗1、方形燃烧装置3、装油杯5、水雾上升控制管6、支架7和加湿器8，其中装油杯(5)设置于方形燃烧装置3内，梨形漏斗1固定于方形燃烧装置3外部并通过导管与装油杯5连接，方形燃烧装置3固定于支架7上，加湿器8设置于支架7内部并通过水雾上升控制管6与方形燃烧装置(3)连通，所述方形燃烧装置3上还设置观察窗4。

所述的在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法的火焰装置，所述加湿器加湿器8上还设置水雾控制阀10。

所述的在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法的火焰装置，所述加湿器加湿器8上还设置电流表9。如图2所示为方形燃烧装置的A向俯视图。

试验诊断系统准备

采用平面激光诱导荧光(PLIF)技术测量汽油燃烧灭火时添加剂对OH浓度的影响规律研究的实验装置如图3所示。

为了测试水雾以及含添加剂的细水雾对入射激光的吸收。在实验中，不点燃火焰，而仅仅打开加湿器让水雾扩散到燃烧室内，用示波器测量激光穿过水雾后的强度衰减情况。图7为相同路径喷雾吸收实验的测试波形(高的为100mV/格，低的20mV/格)，可见，纯水雾和添加1％添加剂喷雾对282nm激光均有吸收，但二者对激光的吸收率差别不大。

为了减小水雾对激光的衰减，我们将实验装置的窗口处加装了两个筒状的管道，加装后的实验表明，水雾对激光的衰减明显降低。

YC-E350亚都加湿器8(北京亚都科技股份有限公司)；铁制支架7；电子天平(精度0.1g)；100ml量筒一个；500ml烧杯一个；100ml烧杯两个；自制方形燃烧装置，如图1所示，方形燃烧装置长12cm，宽10cm，高34.2cm，加湿器高34.2cm；方形燃烧装置中心的小杯子中装有90#或70#车用汽油，高度在2cm-3cm的汽油点燃即形成一定大小的火焰。利用加湿器8可以将水雾喷撒到空气中的原理，我们将加湿器放在点火装置的下方，使得水雾或含有添加剂的水雾与上方的火焰相作用。为了使雾通量(g/min)(单位时间内水雾上升的质量)相同，我们在加湿器上安装了电流调节装置。

进行试验测量

实验简要步骤如下：

1.在水温为15-25℃、室温为16-26℃条件下将水或含有相应浓度(0-2％)KIDBE水雾添加剂的水加入加湿器。

2.用图1所示装置左侧的分液漏斗将杯中的油加到固定高度(2-3cm)。每次实验后将原来的油倒掉，冷却一段时间后换成新的油。

3.实验开始前将加湿器预热20分钟(加湿器与上面火焰装置之间有挡板，预热期间水雾不会通到上层，会从侧口飘出)，预热结束后，调节开关旋钮和电流，使雾通量达到要求的固定值，并调节挡板，使水雾与火焰发生作用，同时用相应的测试仪器测量火焰区的相关变化。

由于实验用加湿器不是定量仪器，水雾成分不同时，相同时间产生的水雾质量不同，为了保证雾通量为定值，实验结果具有可比性，我们在加湿器上安装了量程为0-10A的电流调节装置，并与开关旋钮共同配合，对雾通量进行了标定，所得实验数据见附件。由实验数据可知：

1.加湿器在刚打开时，雾通量上升较大，而后趋于稳定，因此应让加湿器预热约20分钟。

2.添加细水雾添加剂后的雾通量比纯水雾要小。因此预热条件相同的情况下(两个旋钮都开到最大)，预热结束时，含有添加剂的水雾旋钮位置保持不变，而纯水雾的电流要调节到0.550A。

实施例1：激光诱导荧光法测定水雾作用下火焰中OH自由基变化

搭建自制燃烧装置，接通电源，在水温为15℃、室温为16℃条件下将水加入加湿器，用分液漏斗将杯中的90#汽油加到2cm高度。实验开始前将加湿器预热20分钟(加湿器与上面火焰装置之间有挡板，预热期间水雾不会通到上层，会从侧口飘出)，预热结束后，点燃杯中汽油，5min后，运用软件控制激光，扫描火焰区，然后调节开关旋钮至最大，电流调至0.550A，并调节挡板，使水雾与火焰发生作用，五分钟后，再次进行扫描，每次扫描时间为2秒，扫描一次得多组信号强度数据，绘制所得曲线如图4所示。

图4水雾实验(a为无水雾，b为加水雾，图中左侧尖峰为激光入射小窗口散射)

已知水雾作用抑制燃烧，减少OH自由基的量，由图4中数据可以看出，水雾作用下激光信号曲线有明显变化，证明激光诱导荧光法可以验证水雾的灭火效果。

表1至表3为不同电流下的雾通量测量测量结果：

表1---图4(c)

雾通量测量

水温：17℃；室温：18℃

表2---图4(d)

雾通量测量

水温：17℃；室温：18℃

表3---图4(e)

雾通量测量

水温：17℃；室温：18℃

实施例2：激光诱导荧光法测定含1％添加剂水雾作用下火焰中OH自由基变化

搭建自制燃烧装置，接通电源，在水温为17℃、室温为18℃条件下将含1％添加剂的水加入加湿器，用分液漏斗将杯中的70#汽油加到固定高度2.5cm。实验开始前将加湿器预热20分钟(加湿器与上面火焰装置之间有挡板，预热期间水雾不会通到上层，会从侧口飘出)，预热结束后，点燃杯中汽油，5min后，运用软件控制激光，扫描火焰区，然后调节开关旋钮至最大，电流调至0.550A，并调节挡板，使水雾与火焰发生作用，五分钟后，再次进行扫描，每次扫描时间为2秒，扫描一次得多组信号强度数据，绘制所得曲线如图5所示。

图5为1％添加剂实验(a为无喷雾，b为加喷雾，图中左侧尖峰为激光入射小窗口散射)。已知添加剂有减少火焰中OH自由基的作用，从图4中数据可以看出，含1％添加剂水雾作用下激光信号曲线与图4相比有较明显变化，证明激光诱导荧光法可以验证灭火效果。

表4---图5(c)

雾通量测量

水温：17℃；室温：18℃

实施例3：激光诱导荧光法测定含2％添加剂水雾作用下火焰中OH自由基变化

搭建自制燃烧装置，接通电源，在水温为25℃、室温为26℃条件下将含2％添加剂的水加入加湿器，用分液漏斗将杯中的70#汽油加到固定高度3cm。实验开始前将加湿器预热20分钟(加湿器与上面火焰装置之间有挡板，预热期间水雾不会通到上层，会从侧口飘出)，预热结束后，点燃杯中汽油，5min后，运用软件控制激光，扫描火焰区，然后调节开关旋钮至最大，电流调至0.550A，并调节挡板，使水雾与火焰发生作用，五分钟后，再次进行扫描，每次扫描时间为2秒，扫描一次得多组信号强度数据，绘制所得曲线如图6所示。

图6为2％添加剂实验(左为无喷雾，右为加喷雾图中左侧尖峰为激光入射小窗口散射)。已知添加剂有减少火焰中OH自由基的作用，从图5中数据可以看出，含2％添加剂水雾作用下激光信号曲线与图4、图5相比有较明显变化，证明激光诱导荧光法可以验证灭火效果。

表4---图6(c)

雾通量测量

水温：17℃；室温：18℃

Claims

1.一种在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法，其特征在于包括如下步骤：

1.)在水温为15-25℃、室温为16-26℃条件下将含有相应浓度0-2％KIDDE水雾添加剂的水加入加湿器(8)；

2.)通过梨形漏斗(1)将装油杯(5)中的油加到固定高度即2-3cm

3.)预热加湿器，当雾通量达到要求的固定值，点燃步骤2所述装油杯(5)中的油，通过水雾上升控制管(6)使水雾与火焰接触；

4.采用PLIF实验装置通过观察窗(4)测量火焰区的OH自由基浓度；

其中装油杯(5)设置于方形燃烧装置(3)内，梨形漏斗(1)固定于方形燃烧装置(3)外部并通过导管与装油杯(5)连接，方形燃烧装置(3)固定于支架(7)上，加湿器(8)设置于支架(7)内部并通过水雾上升控制管(6)与方形燃烧装置(3)连通，所述方形燃烧装置(3)上还设置观察窗(4)。

2.根据权利要求1所述的在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法，其特征在于所述雾通量固定值为0.2g/min。

3.根据权利要求1所述的在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法，其特征在于所述PLIF实验装置中：激光器泵浦可调谐染料激光器，染料激光器输出激光再经倍频器产生脉宽为7ns、能量为5mJ、线宽为0.3cm^-1、波长为282.03nm激光束，所述波长为282.03nm激光束经柱面透镜(11)压缩为高为5mm、厚为100μm的波长为282.03nm的片状激光入射到火焰区。

4.根据权利要求4所述的在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法，其特征在于所述激光器为YAG激光器。

5.一种基于权利要求1所述的在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法的火焰装置，其特征在于包括梨形漏斗(1)、方形燃烧装置(3)、装油杯(5)、水雾上升控制管(6)、支架(7)和加湿器(8)，其中装油杯(5)设置于方形燃烧装置(3)内，梨形漏斗(1)固定于方形燃烧装置(3)外部并通过导管与装油杯(5)连接，方形燃烧装置(3)固定于支架(7)上，加湿器(8)设置于支架(7)内部并通过水雾上升控制管(6)与方形燃烧装置(3)连通，所述方形燃烧装置(3)上还设置观察窗(4)。

6.根据权利要求基于权利要求2所述的在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法的火焰装置，其特征在于所述加湿器(8)上还设置水雾控制阀(10)。

7.根据权利要求基于权利要求2或3所述的在线测量B类火火焰区OH自由基浓度的方法的火焰装置，其特征在于所述加湿器(8)上还设置电流表(9)。