CN112098363A - 高频no-plif成像测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧场的高频NO‑PLIF成像测量装置及方法，其中，该装置包括：高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光，该355nm激光通过第一镜片分成相互垂直的第一束355nm激光和第二束355nm激光；种子激光器模块，用于产生822.3nm的种子激光；光参量振荡器，用于将高频激光器输入的第一束355nm激光与种子激光器模块输入的822.3nm的激光转化产生624.7nm的激光；NO‑PLIF模块，用于将光参量振荡器输入的624.7nm的激光与高频激光器输入的第二束355nm激光合成226nm的光，该226nm经过凸透镜汇聚于标气池中与NO反应产生PLIF光信号；以及成像测量模块，用于将PLIF光信号成像后进入计算机中处理得到待测燃烧场的火焰温度。

Description

高频NO-PLIF成像测量装置及方法
技术领域
本发明属于燃烧诊断领域，具体地涉及一种高频NO-PLIF成像测量装置及方法。
背景技术
燃烧是流动、传热、传质和化学反应的相互作用产生的急速、剧烈的发光发热的过程，是一种复杂的物理化学现象，通常伴随着系统性质在空间或时间上的突然变化，特别是化学成分和温度。燃烧过程是当下世界范围内能源产生的主要方式，目前世界上80％以上的能源和动力都来自燃料的燃烧，可以说燃烧对于社会的运转至关重要。尽管经过几个多世纪的发展，燃烧有了相当成熟的技术，但与燃烧相关的污染物的排放对燃烧的更广泛使用造成了困扰，在人类环保意识觉醒的当下，日益严格的污染物排放法规正考验着我们对于燃烧的深层次理解。
而对燃烧过程的描述涉及热化学、化学动力学、流体力学和输运等多个分支学科，涉及的方法主要有三种：实验、计算和理论，后两种方法是通过数值解和解析解的特性来区分的。在未能完全了解燃烧机理的现在，我们可以通过燃烧诊断对燃烧的过程进行测量并对结果进行分析。长期以来，我们应用热电偶、热线风速仪和组分分析仪等接触式的测量仪器测量燃烧过程中的温度、压力及燃烧产物，这些接触式的测量仪器具有结构简单、可靠，维护方便，价格低廉等优点，但对感温元件要求较高、会对流场产生干扰并对检测结果造成影响，且只能用于测量宏观平均的物理量，缺乏足够的时间和空间的分辨率。因此为在测量中需要避免物理探针的侵入性，避免对系统的测量结果的干扰，目前普遍采用基于激光的光学方法进行燃烧诊断。
基于燃气轮机燃烧产物NO的平面激光诱导荧光(Planar Laser InducedFluorescence，PLIF)技术能够非接触的成像燃烧过程中重要中间产物分布，从而获得这些组分的二维分布，得到火焰的瞬态结构，当我们结合不同时刻或空间的变化时，可以获得火焰的发展变化规律。同时高频PLIF技术具有更高的测量精度且更普适的测量环境，突破以往在风洞中测量的限制。。
燃烧诊断是一门对燃烧过程中的物质浓度、温度和流场等信息进行测量的学科，为理解燃烧中复杂的化学反应和流动过程提供实验依据，按照与待分析物接触的形式可以将常用燃烧诊断方法划分为2大类，即光谱法和取样分析法。长期以来，我们应用热电偶、热线风速仪和组分分析仪等接触式的测量仪器测量燃烧过程中的温度、压力及燃烧产物，这些接触式的测量仪器具有结构简单、可靠，维护方便，价格低廉等优点，但对感温元件要求较高、会对流场产生干扰并对检测结果造成影响，且只能用于测量宏观平均的物理量，缺乏足够的时间和空间的分辨率。因此为在测量中需要避免物理探针的侵入性，避免对系统的测量结果的干扰，目前普遍采用基于激光的光谱法进行燃烧诊断。
激光光谱技术是利用检测信号与燃烧场各参量信息之间存在的物理联系，采用实验测量技术检测信号而获得燃烧场参数的方法，其本质是激光与燃烧过程中产生的粒子、分子和自由基的相互作用。从光学原理上我们可知各种线性和非线性效用会产生拉曼散射、瑞利散射、米散射、荧光等信号，这些信号携带了我们所需的燃烧场的温度、密度、组分浓度等重要信息，在对燃烧场几乎没有干扰的条件下可以准确获得瞬时一维、二维以及三维的燃烧场参数。
当我们利用一束脉冲激光将特定分子(或离子)由电子基态激发至激发态，再测量分子由电子激发态弛豫放出的光子，扫描激发激光的波长使它通过分子的吸收谱带，就可以把荧光强度描绘成激发激光波长的函数，得到激发光谱。通过光谱分布，我们可以探测样品粒子的种类，从荧光的强弱，可得知粒子的浓度以及温度，利用其空间分辨性还可以测量粒子的空间浓度/温度分布。利用这一特性，PLIF技术能够实现成像燃烧过程中的重要中间产物的分布，从而实现火焰结构的可视化。目前，PLIF技术测量的突出优点有：高空间的分辨性，可以达到微米量级；快速时间响应，时间分辨最高可达纳秒量级，可对自由基等瞬态物质寿命进行检测；高灵敏度；对燃烧场干扰小。
现有的NO平面激光诱导荧光(NO-PLIF)技术多采用低频重复激光，相比于高频NO-PLIF其针对不稳定性燃烧组织方式的燃烧污染物NO定量测量时时间分辨率与空间分辨率均不高。同时现有技术多用染料激光器载入C450染料溶液，产生波长为450nm左右的基频光，经频率转换单元倍频至225nm用于NO荧光诱导，但染料激光器存在激光效率低和光稳定性差、损伤阈值低、不适用于超高重复频率系统等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频NO-PLIF成像测量装置及方法，以克服上述问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一方面，提供了一种燃烧场的高频NO-PLIF成像测量装置，包括：
高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光，该355nm激光通过第一镜片分成相互垂直的第一束355nm激光和第二束355nm激光；
种子激光器模块，用于产生822.3nm的种子激光；
光参量振荡器，用于将高频激光器输入的第一束355nm激光与种子激光器模块输入的822.3nm的激光转化产生624.7nm的激光；
NO-PLIF模块，用于将光参量振荡器输入的624.7nm的激光与高频激光器输入的第二束355nm激光合成226nm的光，该226nm经过凸透镜汇聚于标气池中与NO反应产生PLIF光信号；
以及成像测量模块，用于将PLIF光信号成像后进入计算机中处理得到待测燃烧场的火焰温度。
在较佳实施例中，高频激光器为Nd:YAG激光器。
在较佳实施例中，第一束355nm激光经第一反射镜转向90度后进入光参量振荡器。
在较佳实施例中，种子激光器模块包括半导体激光器和光电隔离器，半导体激光器用于产生波长822.3nm、功率100mW、线宽为0.01nm的半导体激光，该半导体激光经过光电隔离器处理后输出822.3nm的种子激光。
在较佳实施例中，光电隔离器输出的种子激光经第二镜片反射进入光参量振荡器与355nm激光产生624.7nm激光束，第二镜片用于透射600-640nm波长的p偏振光并反射820-860nm波长的p偏振光，光参量振荡器输出的624.7nm经过第二镜片进入NO-PLIF模块。
在较佳实施例中，光参量振荡器包括BBO晶体和位于BBO晶体两侧的第三镜片与第四和第五镜片，第三镜片位于BBO晶体与高频激光器模块之间，用于透射355nm波长的光并反射820-860nm和600-640nm波长的光；第四镜片靠近BBO晶体，用于透射355nm波长、820-860nm和600-640nm波长的光，第五镜片用于透射820-860nm和600-640nm波长的光并反射355nm波长的光。
在较佳实施例中，624.7nm的激光与第二束355nm激光分别经过第二反射镜和第三反射镜进入NO-PLIF模块。
在较佳实施例中，NO-PLIF模块包括混频晶体、凸透镜、标气池、泵和供气单元，混频晶体用于将624.7nm的激光与355nm激光合成226nm的光，供气单元用于将N2和NO混合气体提供至标气池中，包括N2瓶和NO瓶，泵、N2瓶和NO瓶分别通过相应管道与标气池流体连通，并且每一管道上设有相应阀门。
在较佳实施例中，成像测量模块包括ICCD相机、延时器和计算机，延时器使Nd:YAG激光器、ICCD保持同步性，同时减少相机快门打开时间，减少图像的噪声，ICCD相机用于捕捉PLIF荧光信号并成像，计算机用于对从ICCD相机得到的图像进行处理，以实现燃烧场的温度测量。
根据本发明的另一方面，提供了一种高频NO-PLIF成像测量方法，包括以下步骤：
S1.通过如上所述的高频NO-PLIF成像测量装置产生NO-PLIF图像数据，具体过程为：
S11.通过供气单元和泵向标气池中添加NO和N2混合气体；
S12.通过高频NO-PLIF成像测量装置中的光学器件产生226nm激光来激发标气池中的NO分子，产生PLIF光信号；
S13.通过ICCD相机和延时器对PLIF光信号捕捉成像；
S14.通过计算机对从ICCD相机得到的图像进行处理，得到NO-PLIF图像数据；
S2.由NO-PLIF图像数据计算得到待测燃烧场的火焰温度，具体地过程为：
像平面上所接收到的荧光光子数表达式如下：
Figure BDA0002693152360000051
其中，E为入射激光的能量密度(J/m2)；
h为普朗克常数(Js)；
c为光速(cm/s)；
λ为波长(cm)，0.0226；
σ为荧光粒子对激发光的吸收截面(cm2)；
χ0为该组分的摩尔分数；
N1为流场中所有组分的数密度(个/cm-3)；
A21为总体自发辐射系数；
Q21为淬灭系数；
η为ICCD的量子效率；
Ω为ICCD相对于视场微元体积的立体角(sr)；
ΔxΔyΔz/(4π)为ICCD视场微元；
简化上式表达，令N0＝χ0N1为NO分子数密度，令
Figure BDA0002693152360000052
为已知常数，则有F＝CEN0σ；
由于能量密度E中含有面积ΔxΔy，故可以约分，因此可继续简化为：F＝C1E1N0σ，其中，
Figure BDA0002693152360000053
E1为入射激光能量；
当入射激光能量较微弱时为线性激发，此NO-PLIF信号强度与入射激光能量呈线性关系，通过实验拟合出NO-PLIF图像荧光强度与NO分子数密度的线性关系，并得到斜率k1，由以上推导可知
Figure BDA0002693152360000054
式中常数C1和入射激光能量E1为已知参数，由此可以计算出吸收截面σ；
然后通过实验拟合出NO-PLIF图像荧光强度与入射激光能量的线性关系，并得到斜率k2，由以上推导可知
Figure BDA0002693152360000061
式中常数C1和吸收截面σ为已知参数，因此可以获得NO分子数密度N0；
最后根据NO分子数密度N0，通过标定的火焰温度即可得到待测燃烧场的火焰温度。
本发明将入射激光的重复频率提高到了100kHz，采用高重复频率的激光进行燃烧污染物NO的定量测量，使测量结果具有较高的空间分辨率与时间分辨率，并采用OPO(光参量振荡器)来代替染料激光器获得所需要波长的激光，弥补了染料激光器中的染料溶液在连续泵浦光脉冲之间进行交换的时间有限的不足。
附图说明
图1是本发明的高频NO-PLIF成像测量实验装置的示意图。
附图标记：
1：高频激光器(Nd:YAG激光器)；2：第一镜片；3：第一反射镜；4：第三镜片；5：BBO晶体；6：第四镜片；7：第五镜片；8：第二镜片；9：光电隔离器；10：种子激光器(半导体激光器)；11：第二反射镜；12：第三反射镜；13：混频晶体；14：凸透镜；15：标气池；16：ICCD相机；17：延时器；18：计算机；19：供气单元；20：泵浦。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
图1示出了本发明的高频NO-PLIF成像测量实验装置的示意图。其中，该高频NO-PLIF成像测量实验装包括高频激光器1、第一镜片2、第一反射镜3、第三镜片4、BBO晶体5、第四镜片6、第五镜片7、第二镜片8、光电隔离器(OI，Optical isolator)9、种子激光器(DSL)10、第二反射镜11、第三反射镜12、混频晶体(mixing crystal)13、凸透镜14、标气池15、ICCD相机16、延时器17、计算机(PC)18、供气单元19以及泵浦20。其中，高频激光器1为Nd：YAG激光器，其发射出来的1064nm的激光经过三倍频得到355nm的激光，激光重复频率为100kHz。第一镜片2可以透射(20％)和反射(80％)355nm的光，即，355nm的激光经过第一镜片2后分成相互垂直的第一束355nm激光(反射光，竖直方向)和第二355nm激光(透射光，水平方向)。第一束355nm激光再经第一反射镜3反射成水平方向后进入光参量振荡器(OPO)。光参量振荡器由第三镜片4、BBO晶体5、第四镜片6和第五镜片7组成。其中，第三镜片4可以透射355nm的光并反射600-640和820-860nm的光，第四镜片6可以透射355nm并部分反射(20％)600-640和820-860nm的光、以及第五镜片7可以反射355nm的光并透射600-640和820-860nm的光。种子激光器10产生波长822.3nm，功率100mW、线宽为0.01nm的半导体激光，经过光电隔离器9，再经过第二镜片8反射进入光参量振荡器中。第二镜片8可以透射600-640nm波长的p偏振光并反射820-860nm波长的p偏振光。第一束355nm激光与822.3nm的种子激光在OPO中最终合成624.7nm的光。具体地，822.3nm的种子激光经过第五镜片7和第四镜片6进入BBO晶体5中，在BBO晶体5中355nm的光与822.3nm的光进行波长转换得到一束624.7nm的光。此624.7nm光经过第四镜片6、第五镜片7、第二镜片8后再通过第二反射镜11反射后与经过第三反射镜12反射的第二束355nm激光一起进入NO-PLIF模块中合成226nm的光并通过该226nm的光产生的PLIF光信号。具体地，NO-PLIF模块包括混频晶体13、凸透镜14、标气池15、泵20和供气单元19。供气单元19用于将N2和NO混合气体提供至标气池15中，包括N2瓶和NO瓶，泵20、N2瓶和NO瓶分别通过相应管道与标气池流体连通，并且每一管道上设有相应阀门。也就是说，NO的通入控制可以通过供气单元19和泵20来完成。624.7nm的激光与355nm激光中混频晶体13合成226nm的光，该226nm的光经过凸透镜14汇聚于标气池15中与NO反应产生PLIF光信号。
PLIF光信号进入成像测量模块进行处理得到待测燃烧场的火焰温度。具体地，成像测量模块包括ICCD相机16、延时器17和计算机(PC)18，延时器17使Nd:YAG激光器1、ICCD相机16保持同步性，同时减少ICCD相机16的快门打开时间，减少图像的噪声，ICCD相机16捕捉荧光信号并成像，由计算机18进行处理和保存。具体地，计算机18对从ICCD相机得到的图像进行处理，得到NO-PLIF图像数据，并由NO-PLIF图像数据计算得到待测燃烧场的火焰温度。
此外，本发明还提供了一种高频NO-PLIF成像测量方法，包括以下步骤：
S1.通过如上所述的高频NO-PLIF成像测量装置产生NO-PLIF图像数据，具体过程为：
S11.通过供气单元和泵向标气池中添加NO和N2混合气体；
S12.产生226nm激光来激发标气池中的NO分子，产生PLIF光信号；
S13.通过ICCD相机和延时器对PLIF光信号进行捕捉成像；
S14.通过计算机对从ICCD相机得到的图像进行处理，得到NO-PLIF图像数据；
S2.由NO-PLIF图像数据计算得到待测燃烧场的火焰温度，具体地过程为：
像平面上所接收到的荧光光子数表达式如下：
Figure BDA0002693152360000081
其中，E为入射激光的能量密度(J/m2)；
h为普朗克常数(Js)；
c为光速(cm/s)；
λ为波长(cm)，0.0226；
σ为荧光粒子对激发光的吸收截面(cm2)；
χ0为该组分的摩尔分数；
N1为流场中所有组分的数密度(个/cm-3)；
A21为总体自发辐射系数；
Q21为淬灭系数；
η为ICCD的量子效率；
Ω为ICCD相对于视场微元体积的立体角(sr)；
ΔxΔyΔz/(4π)为ICCD视场微元；
简化上式表达，令N0＝χ0N1为NO分子数密度，令
Figure BDA0002693152360000091
为已知常数，则有F＝CEN0σ；
由于能量密度E中含有面积ΔxΔy，故可以约分，因此可继续简化为：F＝C1E1N0σ，其中，
Figure BDA0002693152360000092
E1为入射激光能量；
当入射激光能量较微弱时为线性激发，此NO-PLIF信号强度与入射激光能量呈线性关系，通过实验拟合出NO-PLIF图像荧光强度与NO分子数密度的线性关系，并得到斜率k1，由以上推导可知
Figure BDA0002693152360000093
式中常数C1和入射激光能量E1为已知参数，由此可以计算出吸收截面σ；
然后通过实验拟合出NO-PLIF图像荧光强度与入射激光能量的线性关系，并得到斜率k2，由以上推导可知
Figure BDA0002693152360000094
式中常数C1和吸收截面σ为已知参数，因此可以获得NO分子数密度N0；
最后根据NO分子数密度N0，通过标定的火焰温度即可得到待测燃烧场的火焰温度。
本发明将入射激光的重复频率提高到了100kHz，采用高重复频率的激光进行燃烧污染物NO的定量测量，使测量结果具有较高的空间分辨率与时间分辨率，并采用OPO(光参量振荡器)来代替染料激光器获得所需要波长的激光，弥补了染料激光器中的染料溶液在连续泵浦光脉冲之间进行交换的时间有限的不足。
以上已详细描述了本发明的优选实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种燃烧场的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，包括：
高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光，该355nm激光通过第一镜片分成相互垂直的第一束355nm激光和第二束355nm激光；
种子激光器模块，用于产生822.3nm的种子激光；
光参量振荡器，用于将高频激光器输入的第一束355nm激光与种子激光器模块输入的822.3nm的激光转化产生624.7nm的激光；
NO-PLIF模块，用于将光参量振荡器输入的624.7nm的激光与高频激光器输入的第二束355nm激光合成226nm的光，该226nm经过凸透镜汇聚于标气池中与NO反应产生PLIF光信号；
以及成像测量模块，用于将PLIF光信号成像后进入计算机中处理得到待测燃烧场的火焰温度。
2.如权利要求1所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，高频激光器为Nd:YAG激光器。
3.如权利要求1所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，第一束355nm激光经第一反射镜转向90度后进入光参量振荡器。
4.如权利要求3所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，种子激光器模块包括半导体激光器和光电隔离器，半导体激光器用于产生波长822.3nm、功率100mW、线宽为0.01nm的半导体激光，该半导体激光经过光电隔离器处理后输出822.3nm的种子激光。
5.如权利要求4所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，光电隔离器输出的种子激光经第二镜片反射进入光参量振荡器与355nm激光产生624.7nm激光束，第二镜片用于透射600-640nm波长的p偏振光并反射820-860nm波长的p偏振光，光参量振荡器输出的624.7nm经过第二镜片进入NO-PLIF模块。
6.如权利要求5所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，光参量振荡器包括BBO晶体和位于BBO晶体两侧的第三镜片与第四和第五镜片，第三镜片位于BBO晶体与高频激光器模块之间，用于透射355nm波长的光并反射820-860nm和600-640nm波长的光；第四镜片靠近BBO晶体，用于透射355nm波长、820-860nm和600-640nm波长的光，第五镜片用于透射820-860nm和600-640nm波长的光并反射355nm波长的光。
7.如权利要求5所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，624.7nm的激光与第二束355nm激光分别经过第二反射镜和第三反射镜进入NO-PLIF模块。
8.如权利要求5所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，NO-PLIF模块包括混频晶体、凸透镜、标气池、泵和供气单元，混频晶体用于将624.7nm的激光与355nm激光合成226nm的光，供气单元用于将N2和NO混合气体提供至标气池中，包括N2瓶和NO瓶，泵、N2瓶和NO瓶分别通过相应管道与标气池流体连通，并且每一管道上设有相应阀门。
9.如权利要求1所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，成像测量模块包括ICCD相机、延时器和计算机，延时器使Nd:YAG激光器、ICCD保持同步性，同时减少相机快门打开时间，减少图像的噪声，ICCD相机用于捕捉PLIF荧光信号并成像，计算机用于对从ICCD相机得到的图像进行处理，以实现燃烧场的温度测量。
10.一种高频NO-PLIF成像测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.通过如上所述的高频NO-PLIF成像测量装置产生NO-PLIF图像数据，具体过程为：
S11.通过供气单元和泵向标气池中添加NO和N2混合气体；
S12.通过高频NO-PLIF成像测量装置中的光学器件产生226nm激光来激发标气池中的NO分子，产生PLIF光信号；
S13.通过ICCD相机和延时器对PLIF光信号进行捕捉成像；
S14.通过计算机对从ICCD相机得到的图像进行处理，得到NO-PLIF图像数据；
S2.由NO-PLIF图像数据计算得到待测燃烧场的火焰温度，具体地过程为：
像平面上所接收到的荧光光子数表达式如下：
Figure FDA0002693152350000021
其中，E为入射激光的能量密度(J/m2)；
h为普朗克常数(Js)；
c为光速(cm/s)；
λ为波长(cm)，0.0226；
σ为荧光粒子对激发光的吸收截面(cm2)；
χ0为该组分的摩尔分数；
N1为流场中所有组分的数密度(个/cm-3)；
A21为总体自发辐射系数；
Q21为淬灭系数；
η为ICCD的量子效率；
Ω为ICCD相对于视场微元体积的立体角(sr)；
ΔxΔyΔz/(4π)为ICCD视场微元；
简化上式表达，令N0＝χ0N1为NO分子数密度，令
Figure FDA0002693152350000031
为已知常数，则有F＝CEN0σ；
由于能量密度E中含有面积ΔxΔy，故可以约分，因此可继续简化为：F＝C1E1N0σ，其中，
Figure FDA0002693152350000032
E1为入射激光能量；
当入射激光能量较微弱时为线性激发，此NO-PLIF信号强度与入射激光能量呈线性关系，通过实验拟合出NO-PLIF图像荧光强度与NO分子数密度的线性关系，并得到斜率k1，由以上推导可知
Figure FDA0002693152350000033
式中常数C1和入射激光能量E1为已知参数，由此可以计算出吸收截面σ；
然后通过实验拟合出NO-PLIF图像荧光强度与入射激光能量的线性关系，并得到斜率k2，由以上推导可知
Figure FDA0002693152350000034
式中常数C1和吸收截面σ为已知参数，因此可以获得NO分子数密度N0；
最后根据NO分子数密度N0，通过标定的火焰温度即可得到待测燃烧场的火焰温度。
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