CN115684119B - 一种氨燃烧场nh自由基和no污染物同步测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置，包括激光产生部分、光束调节部分和信号探测部分；激光产生部分被配置为利用同一基频激光通过倍频得到倍频激光，激光产生部分输出基频激光与倍频激光，倍频激光包括336nm激光和224nm激光；光束调节部分用于从激光产生部分的输出中分离基频激光与倍频激光，并将分离后的倍频激光的光斑调节成片光，片光射向燃烧氨气的旋流燃烧器，激发氨燃烧场的NH自由基和NO污染物二维组分场；信号探测部分用于接收NH自由基和NO污染物发出的荧光信号，得到二者的二维组分场信息。本发明仅用一套Nd:YAG泵浦的染料激光器系统，实现氨燃烧场NH自由基和NO污染物的同步精确测量。
Description
技术领域
本发明属于以氨为燃料的燃烧技术领域，涉及其燃烧组分场的激光诊断，特别涉及一种氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置。
背景技术
氢气具有质量能量密度高、燃烧速度快、可燃极限宽、扩散性高等特点，对其存储和输运带来巨大挑战。而氨气可以作为一种氢能载体，同时也是一种零碳燃料。氨气可以通过绿氢制取，由于其液化压力低(9.9atm，25℃)，是一种典型的液化气，其长时间存储和远距离输运技术成熟、成本低。但氨气燃烧速率慢(7cm/s，约普通碳氢燃料的1/5)，NOx排放高，需要发展强化氨燃烧和降低NOx排放的关键技术。
在燃烧器层面上发展氨燃烧高放热率和低NOx排放技术，需要对其关键组分场进行测量。平面激光诱导荧光(PLIF)技术具有非侵入式、高时空分辨率、高灵敏度和高选择性等优点，是目前燃烧组分场测量的先进激光诊断技术。PLIF技术一般包含可调谐激光器、微弱信号探测器、滤波片和光学镜组，需要将脉冲激光调谐至特定波长，将待测组分从电子基态激发至电子激发态，处于电子激发态的电子回到电子基态的过程中会发射出荧光信号，一般通过ICCD相机探测荧光信号，从而获得组分场的分布，并且可以通过标定获得组分浓度。由于PLIF技术具有很强的选择性，一般需要将激光器调谐至特定的波长才能实现某一组分的测量。
氨气燃烧不同于常规碳氢燃料，常规碳氢燃料一般采用CH2O和OH的重合区或者HCO自由基表征放热区，而氨气燃放热区可以采用NH这种与放热紧密相关的短寿命自由基表征，通常采用303nm(A-X(1-0)谱带)激光激发NH自由基。另外，由于氨气分子中含有N元素，其燃烧过程将产生大量的NO，是NOx排放的主要来源。可以采用NO-PLIF技术探测其分布和浓度，通常采用226nm(A-X(0-0)谱带)激光激发NO分子。同时研究氨气燃烧的反应区结构和NO生成，需要同时测量NH和NO的分布。但现有的技术需要两套Nd:YAG泵浦的染料激光器系统，分别用于激发NH和NO，导致测量系统成本高、光路复杂、占地面积大，另外两套激光的片光无法完全重合，从而导致测量误差。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置，仅用一套Nd:YAG泵浦的染料激光器系统，实现氨燃烧场NH自由基和NO污染物的同步精确测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置，包括激光产生部分、光束调节部分和信号探测部分；
所述激光产生部分被配置为利用同一基频激光通过倍频得到倍频激光，所述激光产生部分输出所述基频激光与所述倍频激光，所述倍频激光包括336nm激光和224nm激光；
所述光束调节部分用于从所述激光产生部分的输出中分离所述基频激光与所述倍频激光，并将分离后的所述倍频激光的光斑调节成片光，所述片光射向燃烧氨气的旋流燃烧器，激发氨燃烧场的NH自由基和NO污染物二维组分场；
所述信号探测部分用于接收NH自由基和NO污染物发出的荧光信号，得到二者的二维组分场信息。
在一个实施例中，所述激光产生部分包括高能脉冲Nd:YAG激光器、染料激光器和倍频腔，所述高能脉冲Nd:YAG激光器发出的激光射入所述染料激光器，设置所述染料激光器中的染料和光栅选择出窄线宽的基频激光，所述基频激光为672nm激光；所述基频激光射入所述倍频腔，所述倍频腔中包含二倍频晶体、三倍频晶体、偏振片和补偿片，将所述基频激光二倍频和三倍频，得到336nm和224nm的倍频激光。
在一个实施例中，所述高能脉冲Nd:YAG激光器产生1064nm激光，并通过二倍频得到532nm激光，所述532nm激光射入所述染料激光器；所述染料激光器中的染料为加有DCM的LDS698，所述染料激光器的光栅为2400l/mm。
在一个实施例中，所述光束调节部分包括二色镜、平凹柱面透镜和消色差凸透镜，所述激光产生部分的输出激光射入所述二色镜，实现所述基频激光与所述倍频激光的分离，分离后的倍频激光依次通过所述平凹柱面透镜和所述消色差凸透镜，转变为片光。
在一个实施例中，所述基频激光从所述二色镜透射，所述倍频激光被所述二色镜反射90°，射向旋流燃烧器方向。
在一个实施例中，形成片光后，336nm片光和224nm片光的光腰均处于旋流燃烧器中心处，同时激发NH自由基和NO污染物。
在一个实施例中，所述信号探测部分包括ICCD相机一和ICCD相机二，所述ICCD相机一和ICCD相机二对置位于旋流燃烧器两侧，并与336nm片光和224nm片光平面垂直。
在一个实施例中，所述ICCD相机一和ICCD相机二均装有紫外镜头，所述ICCD相机一通过前置带通滤波片一接收NH自由基的荧光信号，所述ICCD相机二通过前置带通滤波片二接收NO污染物的荧光信号。
在一个实施例中，所述染料激光器波长进行精细扫描，使得所述二倍频激光和三倍频激光分别在336nm和224nm附近扫描，所述ICCD相机一和ICCD相机二将在合适的扫描波长时，同时测得旋流燃烧中氨燃烧火焰高信噪比NH自由基和NO污染物分布。
在一个实施例中，所述旋流燃烧器包含四块紫外玻璃，使得NH-/NO-PLIF激发激光和荧光信号高效透过。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明为非接触原位测量，对燃烧场无干扰；
2、本发明实现氨燃烧场NH和NO双组分场同步测量，获得燃烧反应区结构和污染物分布，提供氨燃烧强化和NOx减排研究基础数据；
3、本发明利用一套Nd:YAG激光器泵浦的染料激光器实现NH自由基和NO污染物同步测量，测量系统成本低、装置简单、占地面积小、光路简单，同时避免多套激光的光片无法完全重合造成的测量误差；
4、本发明采用532nm泵浦激光结合染料激光三倍频224nm光束激发NO，能保证窄线宽(约0.06cm-1)，提高信号强度，同时延迟染料使用时间；
5、本发明采用224nm激光激发NO(B-X)，其荧光信号集中在280-320nm，相比于传统226nm激光激发NO(A-X)的荧光信号波长(230-280nm)更长，采用常规滤波片(300±10nm)和普通紫外镜头就能达到更高的信号接受效率；
6、本发明采用336nm激光激发NH(A-X(0-0)谱带的Q支)，激发效率比传统303nm激发NH的A-X(1-0)谱带高，较低能量的336nm激光(约1-2mJ)就可得到很强的NH荧光信号；
7、本发明采用片光转化镜组具有消色差功能，可实现336nm和224nm片光光腰集中在同一区域，避免光片聚焦偏差带来的图片信噪比降低。
附图说明
图1为氨燃烧场NH-/NO-PLIF同步测量装置示意图。
图2为倍频腔内对基频激光进行变频处理得到倍频激光的原理示意图。
图3为氨旋流燃烧器结构示意图。
附图标记如下：
1-高能脉冲Nd:YAG激光器，2-平面高反镜一，3-平面高反镜二，4-染料激光器，5-倍频腔，6-二色镜，7-光束捕集器一，8-平凹柱面透镜，9-消色差凸透镜，10-旋流燃烧器，11-光束捕集器二，12-带通滤波片一，13-ICCD相机一，14-带通滤波片二，15-ICCD相机二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的用于氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置的具体实施方式进行详细说明。
本发明的氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置主要分为激光产生部分、光束调节部分和信号探测部分。
激光产生部分主要作用是利用同一基频激光产生用于激发NH自由基和NO污染物的窄线宽特定波长激光。本发明的激光产生部分主要包括高能脉冲Nd:YAG激光器1、染料激光器4和倍频腔5，并在为了器件布局更合理的情况下，可进一步包括平面高反镜一2和平面高反镜二3或其它的反射组件。高能脉冲Nd:YAG激光器1发出的激光直接或经过平面高反镜一2和平面高反镜二3偏析180°后射入染料激光器4。染料激光器4中特定染料受到泵浦激光激发后会产生特定波段激光，配合光栅选择出窄线宽的目标基频激光(约672nm)。目标基频激光射入倍频腔5，倍频腔5中主要包含二倍频晶体、三倍频晶体、偏振片和补偿片，主要是将基频激光二倍频和三倍频，得到336nm和224nm的倍频激光，用于激发NH自由基和NO污染物的荧光信号。激光产生部分的输出为该基频激光与336nm和224nm倍频激光。
光束调节部分主要作用是分离基频激光和倍频激光，并将分离后的倍频激光光斑调节成片光，射向燃烧氨气的旋流燃烧器10，激发氨燃烧场的NH自由基和NO污染物二维组分场。本发明光束调节部分主要包括二色镜6、平凹柱面透镜8和消色差凸透镜9。激光产生部分的输出激光包含672nm基频激光和336nm、224nm倍频激光，可以通过合适的二色镜6分离基频激光和倍频激光。其中672nm基频激光透过二色镜6，并被光束捕集器一7捕获；336nm、224nm倍频激光经二色镜6反射90°，射向旋流燃烧器10方向。分离后的336nm和224nm激光依次通过平凹柱面透镜8和消色差凸透镜9后转变为片光，336nm片光和224nm片光的光腰均处于旋流燃烧器10中心处，同时激发NH自由基和NO污染物。穿过旋流燃烧器10的激光可由光束捕集器二11捕获。
信号探测部分主要作用是接收NH自由基和NO污染物发出的荧光信号，得到二者的二维组分场信息。本发明信号探测部分主要包括ICCD相机一13和ICCD相机二15。ICCD相机一13和ICCD相机二15对置位于旋流燃烧器10两侧，并与336nm和224nm片光平面垂直。ICCD相机一13装有紫外镜头，并通过前置带通滤波片一12接收NH自由基的荧光信号，ICCD相机一15装有紫外镜头，并通过前置带通滤波片二14接收NO污染物的荧光信号。
本发明的氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量方法的核心原理具体说明如下：
高能脉冲Nd:YAG激光器1产生1064nm激光，并通过二倍频得到532nm激光，532nm激光泵浦染料激光器4中的染料(LDS698+DCM)从而得到672nm基频激光，然后经倍频腔5内二倍频和三倍频模块后产生336nm和224nm倍频激光。通过二色镜6分离出336nm激光和224nm激光，并通过平凹柱面透镜8和消色差凸透镜9形成片光，射入旋流燃烧器10中心，从而激发氨燃烧的NH自由基和NO污染物。其中二倍频336nm激光可激发NH(A-X(0-0)谱带的Q支)，其激发效率比传统303nm激发NH的A-X(1-0)谱带高，发出的荧光信号与传统方法一致(336nm附近波段)，而三倍频224nm激光正好能激发NO(B-X(0-0)谱带)，与传统226nm激发NO的A-X(0-0)谱带的荧光信号差异巨大。NO(B-X(0-0)谱带)的荧光信号主要在280-320nm波段，采用常规紫外滤波片和普通紫外镜头便可达到很高的信号接收效率，NO(A-X(0-0)谱带)的荧光信号主要在230-280nm波段，处于典型深紫外波段，需要采用镀膜紫外滤波片和高透紫外镜头方能达到比较好的探测效果。ICCD相机13装有紫外镜头，由高能脉冲Nd:YAG激光器1触发，经一定时间延迟后开启相机接收NH荧光信号，相机门宽设置为50ns左右，避免杂散光干扰，镜头前放置的337±10nm带通滤波片一12主要用于接收NH荧光信号，并消除绝NO荧光信号干扰；ICCD相机15装有紫外镜头，由ICCD相机13触发，同样经一定时间延迟后开机相机接收NO荧光信号，相机门宽设置为50ns左右，由于NO荧光信号持续时间比NH长，一定的延迟时间能一定程度分离NO和NH荧光信号，另外镜头前放置310±10nm带通滤波片二14用于接收NO荧光信号的主要部分，同时避免激光散射、NH荧光信号、瑞利散射等信号干扰。拍摄得到的图片经过背景剔除、激光片光校正、中值滤波等处理后，可得到NH和NO的分布图像，并且可以通过拍摄标尺将同步测量的NH和NO图像关联在一起，从而同时研究氨燃烧场反应区结构和NO生成排放问题。
在发明的一个实施例中，高能脉冲Nd:YAG激光器1产生的1064nm激光通过内置的二倍频模块后发出532nm激光，单脉冲激光能量为800mJ，持续时间为5ns，线宽为0.7cm-1，532nm激光偏振方向为s偏振。
在发明的一个实施例中，平面高反镜一2和平面高反镜二3用于将高能脉冲Nd:YAG激光器1发出的532nm激光偏析180°，平面高反镜一2和平面高反镜二3均针对532nm激光镀有入射角45°的高反膜，使得532nm激光反射效率高于95％；通过调节平面高反镜一2和平面高反镜二3的角度，使得532nm激光水平射入染料激光器4中。
在发明的一个实施例中，染料激光器4包含两个染料池，染料池一用于振荡级和预放级，染料池二用于放大级，染料池一和染料池二中染料溶液为加有少量DCM的LDS698乙醇溶液，染料池一内LDS698溶液溶度为0.2g/L，染料池二内LDS698溶液溶度为0.03g/L，DCM采用滴管加入到染料池一和染料池二中，根据目标激光672nm基频激光能量确定，滴入少量DCM能有效提高672nm基频激光的转化效率；另外，染料激光器4安装有2400l/mm的光栅，使得672nm激光的线宽能达到0.06cm-1，从而保证后续倍频激光的线宽，提高NH自由基和NO污染物的激发效率。
在发明的一个实施例中，倍频腔5中包含二倍频晶体和三倍频晶体，并且两块倍频晶体中间放置一块偏振片，用于调节激光偏振方向，两块倍频晶体前各放置一块补偿片，用于补偿激光的偏折；首先安装并手动调节二倍频晶体和前方补偿片的合适角度得到二倍频336nm激光，然后通过旋转电动马达精细调整二倍频晶体和前方补偿片的角度，提高转化效率得到最佳的336nm激光输出；然后安装偏振片、三倍频晶体和前方补偿片，并手动调节它们的角度得到三倍频224nm激光，同样通过旋转电动马达精细调整三倍频晶体和前方补偿片的角度，以及偏振片的角度，提高转化效率得到最佳的224nm激光输出。
在发明的一个实施例中，倍频腔5内输出的336nm和224nm激光最终用于分别激发NH(A-X(0-0)谱带的Q支)和NO(B-X(0-0)谱带)，但具体波长需要进行精细扫描，因此，调节激光产生部分时需要对二倍频晶体和三倍频晶体进行标定，使得输出激光在一定范围内均为最佳输出，一般同时通过电动马达调节染料激光器4内光栅和倍频腔5内二倍频晶体和三倍频晶体角度，使得基频激光在一定范围内变化时(如671-673nm)，输出三倍频激光(224nm附近)均有最佳输出；由于NH的激发为Q支，其激发效率极高，因此最终优化目标为激发NO的224nm附近激光能量。
在发明的一个实施例中，二色镜6为350-R-600-T，可完全透过672nm基频激光，反射336nm和224nm倍频激光，透过二色镜6的672nm基频激光将被光束捕集器收集一7捕获，经二色镜6反射90°的336nm和224nm基频激光射入平凹柱面透镜8和消色差凸透镜9，能将光斑转变成片光，并射入旋流燃烧器10；为了确保336nm和224nm片光光腰处于旋流燃烧器10中心，先取下平凹柱面透镜8，将纸片放在旋流燃烧器10中心前后小范围移动，得到聚焦光点刚刚处于燃烧器中心，然后安装好平凹柱面透镜8，这样将使得336nm和224nm片光光腰均处于旋流燃烧器中心处，从而提高NH和NO图像的分辨率。
在发明的一个实施例中，ICCD相机13和ICCD相机15对置摆放，分布置于旋流燃烧器的两侧，并且与336nm和224nm片光平面呈90°；ICCD相机13装有紫外镜头(100mm，f/2.8)，镜头前放置336±10nm的带通滤波片，用于接收NH自由基的荧光信号，ICCD相机15装有紫外镜头(100mm，f/2.8)，镜头前放置310±10nm的带通滤波片，用于接收NO污染物的荧光信号，并且两块带通滤波片与镜头间大约有15°的倾斜，以防止对侧带通滤波片的反射光干扰测量结果。
在发明的一个实施例中，旋流燃烧器10中有一个旋流器，预混氨气和空气经过旋流器后在燃烧腔内被点燃，形成氨旋流火焰；燃烧腔为矩形且四面装有四块紫外玻璃，用于通过激光测量。
在发明的一个实施例中，ICCD相机13由高能脉冲Nd:YAG激光器1触发，而ICCD相机15由ICCD相机13触发，从而实现两台ICCD相机完全同步；为了确定ICCD相机13与高能脉冲Nd:YAG激光器1间的合适延迟时间，先将激光波长调节至NH(A-X(0-0)谱带的Q支)最强激发峰(336nm附近)，并将门宽开始设置成200ns，然后逐渐改变延迟时间，但得到准确延迟时间后，将门宽调节至50ns，然后确定ICCD相机15与ICCD相机13的延迟时间，同样将激光波长调节至NO(B-X(0-0)谱带)的激发峰(224nm附近)，用类似的办法确定合适的延迟时间，最终将门宽也调节至50ns，此时ICCD相机13拍摄的NH图像效果有可能还需要优化。
在发明的一个实施例中，为了得到NH和NO同步的高信噪比图像，需要确定精细的激光波长，采用染料激光器4和倍频腔5进行激光波长精细扫描，步长为0.01nm，基频激光扫描范围为671.00-673.00nm，倍频激光则为335.50-336.50nm和223.67-224.33nm，每个波长记录3张图片，然后通过分析不同扫描波长下NH图像和NO图像的信噪比，选择两者图像信噪比均很高时的波长为最终测量波长。
在发明的一个实施例中，在点燃氨旋流火焰不开激光的情况下拍摄火焰自发光产生的干扰，在不点燃火焰开激光的情况下拍摄激光产生的干扰，并放置超低浓度染料于片光校正池中，将片光打入染料池，拍摄激光的片光能量分布，在正式实验前还需要拍摄标尺用于图像尺寸标定和两台相机相对位置标定，开展正式实验过程中，记录300-500张NH和NO图像组，用于后续统计处理；得到的NH和NO图像数据后，再进行背景和干扰信号剔除、激光能量均匀性校正和中值滤波后得到NH和NO的初步图像信息，并通过标尺将两同步图像进行关联，即得到NH自由基和NO污染物的同步测量结果。
综上，通过本发明，能实现采用一套Nd:YAG+染料激光器和两台ICCD相机，完成氨燃烧场NH自由基和NO污染物的同步测量，能在保证测量准确性的同时大幅降低系统成本。
以上所述仅为本发明的优选实施案例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有多种灵活的修改和优化方式。凡是在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进优化等，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置，其特征在于，包括激光产生部分、光束调节部分和信号探测部分；
所述激光产生部分被配置为利用同一基频激光通过倍频得到倍频激光，所述激光产生部分输出所述基频激光与所述倍频激光，所述倍频激光包括336nm激光和224nm激光；
所述光束调节部分用于从所述激光产生部分的输出中分离所述基频激光与所述倍频激光，并将分离后的所述倍频激光的光斑调节成片光，所述片光射向燃烧氨气的旋流燃烧器(10)，激发氨燃烧场的NH自由基和NO污染物二维组分场；
所述信号探测部分用于接收NH自由基和NO污染物发出的荧光信号，得到二者的二维组分场信息；
其中，所述激光产生部分包括高能脉冲Nd:YAG激光器(1)、染料激光器(4)和倍频腔(5)，所述高能脉冲Nd:YAG激光器(1)发出的激光射入所述染料激光器(4)，设置所述染料激光器(4)中的染料和光栅选择出窄线宽的基频激光，所述基频激光为672nm激光；所述基频激光射入所述倍频腔(5)，所述倍频腔(5)中包含二倍频晶体、三倍频晶体、偏振片和补偿片，将所述基频激光二倍频和三倍频，得到336nm和224nm的倍频激光；所述高能脉冲Nd:YAG激光器(1)产生1064nm激光，并通过二倍频得到532nm激光，所述532nm激光射入所述染料激光器(4)；所述染料激光器(4)中的染料为加有DCM的LDS698，所述染料激光器(4)的光栅为2400l/mm；
所述光束调节部分包括二色镜(6)、平凹柱面透镜(8)和消色差凸透镜(9)，所述激光产生部分的输出激光射入所述二色镜(6)，实现所述基频激光与所述倍频激光的分离，分离后的倍频激光依次通过所述平凹柱面透镜(8)和所述消色差凸透镜(9)，转变为片光，形成片光后，336nm片光和224nm片光的光腰均处于旋流燃烧器(10)中心处，同时激发NH自由基和NO污染物。
2.根据权利要求1所述氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置，其特征在于，所述基频激光从所述二色镜(6)透射，所述倍频激光被所述二色镜(6)反射90°，射向旋流燃烧器(10)方向。
3.根据权利要求1所述氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置，其特征在于，所述信号探测部分包括ICCD相机一(13)和ICCD相机二(15)，所述ICCD相机一(13)和ICCD相机二(15)对置位于旋流燃烧器(10)两侧，并与336nm片光和224nm片光平面垂直。
4.根据权利要求3所述氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置，其特征在于，所述ICCD相机一(13)和ICCD相机二(15)均装有紫外镜头，所述ICCD相机一(13)通过前置带通滤波片一(12)接收NH自由基的荧光信号，所述ICCD相机二(15)通过前置带通滤波片二(14)接收NO污染物的荧光信号。
5.根据权利要求4所述氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置，其特征在于，所述染料激光器波长进行精细扫描，使得所述二倍频激光和三倍频激光分别在336nm和224nm附近扫描，所述ICCD相机一(13)和ICCD相机二(15)将在合适的扫描波长时，同时测得旋流燃烧中氨燃烧火焰高信噪比NH自由基和NO污染物分布。
6.根据权利要求1所述氨燃烧场NH自由基和NO污染物同步测量装置，其特征在于，所述旋流燃烧器(10)包含四块紫外玻璃，使得NH-/NO-PLIF激发激光和荧光信号高效透过。
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