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    光譜儀在燃燒診斷實驗中的應用

    2022-09-06 09:45:41  來源:卓立漢光

    技術介紹:

    燃料燃燒是一種瞬態的化學反應動力學過程,科學家利用傳統的光電技術,結合激光技術,光譜技術,圖像處理技術用來分析燃燒場的溫度,組分等參數,對優化發動機的噴霧燃燒提高燃燒效率,減少污染物等有著重要的意義。

    燃燒診斷的方法有很多種,有些是直接用高速測量燃燒的全過程,有些利用光譜儀加PMT監控某些指示化學鍵發光的過程來分析燃料配比,有些則利用激光技術,燃燒化學反應時會產生一些中間產物(如CH、OH等),這些產物會吸收激發激光并發出特征光譜信號。科學家分析這些熒光光譜等信息,可以分析火焰瞬時的結構,組分濃度等信息。

    產品應用:

    科學家通過分析多組分煤油的低溫點火性能,發現添加某些活化劑可以大大降低煤油的燃點,使其在較低溫度時能夠充分燃燒,

    圖1:低溫點火測試實驗圖

    上圖為相關的實驗簡圖,圖中科學家將摻有一定比例活化劑的煤油滴到變溫臺上,變溫臺可以從100度到600多度控制,高速相機拍攝液滴在變溫臺上隨溫度變化后的燃燒情況。而在燃燒時火焰發光通過光纖收集到光譜儀中,再由PMT監控發光波段隨時間變化的衰減過程。整個實驗中,監控燃燒產物OH自由基的發光波段306.5nm,光譜儀將色散位置設置到該波段,然后用PMT進行監控。監控過程中PMT高壓設置為1000V,使其處于光子計數狀態,然后連接數采,對OH發光進行實時監控掃描。

    當激光引入到燃燒實驗中時,又會有很多有趣的現象發生。首先是拉曼光譜分析。

    圖2:火焰燃燒的拉曼光譜分析

    在燃燒的不同時刻,由于燃料從剛開始不充分燃燒,中間產物較多,到充分燃燒,再到慢慢冷卻。整個過程中各種成分的拉曼信號的分布是一個漸變的過程,我們可以利用這些信號變化來分析優化燃燒氣體的比例濃度。實驗中一般采用低重頻的Nd:YAG脈沖激光器結合ICCD來進行研究分析。

    如果將染料激光器引入實驗,在Nd:YAG 激光器后面接上染料激光器,用532nm泵浦我們可獲得多個波段的激發激光,例如606nm的激光,然后經與兩束532nm激光在時域上進行調整,在滿足CARS的相位匹配條件下,我們可以得到相關的CARS信號,從而可以用來分析燃燒場的溫度和組分濃度信息。

    圖3:CARS原理簡圖和實驗裝置簡圖

    在燃燒過程中,燃燒不充分會產生很多中間產物,我們也可以用激光激發火焰中這些中間產物獲得熒光來分析,也就是激光誘導熒光(LIF),如果將激光經過柱面鏡等光學元件整形成很薄的一個平行平面光,這是我們稱該實驗為平面激光誘導熒光(PLIF)

    圖4:PLIF實驗簡圖

    實驗中,我們可以用ICCD或是高速相機拍攝例如OH分子熒光在燃燒過程中的分布情況。

    圖5:采用ICCD獲得的火焰OH PLIF圖像來研究火焰內部湍流結構分布

    卓立漢光可以提供燃燒診斷中的各種產品,例如光路系統搭建所需的光機產品,如柱面鏡,延時光路系統等,也提供各類光譜儀配置,例如光譜儀同PMT的組合,也提供光譜儀同各類相機的組合,特別是燃燒診斷實驗中不可或缺的ICCD相機,卓立漢光也可以非常完美的進行匹配工作。

    引用文獻:

    1. Zhu Jiajian, Wan Minggang, Wu Ge, Yan Bo, Tian Yifu, Feng Rong, Sun Mingbo, Chinese Journal Of  Lasers,48(4),0401005(2021).

    1. Haoqiang Sheng, Xiaobin Huang, Yuan Ji, Zhengchuang Zhao,Zhijia Chen, Hong Liu,international journal of hydrogen energy,46,27207 (2021).

    2. Frank JH, Kaiser SA, and Long MB,Proceedings of the Combustion Institute,29(2),2687(2002)


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