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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?茖W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:
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Frank JH, Kaiser SA, and Long MB,Proceedings of the Combustion Institute,29(2),2687(2002)
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