光學測量技術在燃燒特性研究中的應用*

潘洪玉 鄭和瑞 鄔思遠 許滄粟

（1-常州常發農業裝備工程技術研究有限公司 江蘇 常州 213000 2-浙江大學動力機械及車輛工程研究所）

引言

化石燃料資源的快速消耗以及它作為內燃機燃料所產生的環境污染導致工業、商業和國內部門對實施高效和環境友好型能源管理計劃的需求不斷上升。解決上述問題的一個可行辦法是深入研究燃料的各項燃燒特性參數，以確保較高的發動機性能和較低的排放。

燃燒過程涉及燃料的噴射、霧化、混合及燃燒等，由于燃燒環境的特殊性，幾乎不可能使用需要與反應流進行某種接觸而不干擾其反應過程的傳感器，因此不可能用傳感器方法直接測量燃燒過程的特性參數。而光學測量技術具有非侵入特性，對測量場沒有干擾，所測結果可以反映被測流場的真實情況，已成為燃燒科學家研究火焰的重要工具[1-3]。除了早期用于穩定火焰的點測量光學技術外[4]，目前已發展并開始廣泛應用于燃燒測量的光學成像技術。其主要有4類：平面成像技術[5-13]、光場成像技術[14-16]、計算機斷層掃描技術[2，17]和全息成像技術[2，18-20]，可對燃料的噴霧特性、油氣混合物的形成與分布、火焰形態及溫度場分布以及各種燃燒產物進行詳盡的研究，對組織高效而穩定的燃燒具有重要意義。

1 平面成像技術

平面成像技術是目前較為成熟的一項激光測量技術，通常需要用一層薄薄的激光片光源照亮所研究的火焰橫截面，然后使用陣列檢測器對激光激發后的信號進行成像。根據激發后信號種類的不同，主要有激光誘導熒光（LIF）、激光誘導磷光（LIP）和激光誘導熾光（LII）技術。

1.1 激光誘導熒光（LIF）技術

LIF利用激光束激發的原子或分子的輻射光進行測試，主要原理是激光源激發一個分子從基態躍遷到高能態，由于高能態的分子不穩定，受激分子將通過自發輻射返回基態，同時產生熒光，該熒光信號不僅取決于熒光物質的濃度，還取決于環境溫度、壓力和局部氣體組成[5]。利用這些相互依賴性，通過標定可建立熒光強度與被測量的關系，從而進行定量分析。

在噴霧特性測量中，LIF可用于同時可視化液滴和燃料蒸汽，但液相的信號通常遠遠強于燃料蒸汽的信號，需使用強化CCD相機得到圖像。Mercier等人[6]使用圖1所示的平面LIF系統研究了應變逆流擴散火焰中甲烷的液滴燃燒，空間分辨率可達到20μm。在火焰結構和溫度場測量中，研究主要集中于OH-LIF和NO-LIF測試。Li等人[7]使用OH-LIF對甲烷/空氣預混層流火焰和非預混湍流甲烷射流火焰進行了三維火焰結構診斷，由于只使用了具有8個視圖的多相機系統檢測，空間分辨率只能達到約1 mm。Bessler等人[8]提出并應用了一種測量穩定火焰中絕對溫度分布的NO-LIF溫度成像技術，與傳統雙線技術或多線玻爾茲曼圖相比，精度和多功能性得到了顯著改善。

圖1 平面LIF系統裝置圖

1.2 激光誘導磷光（LIP）技術

LIP的基本原理與LIF類似，利用磷光物質受激后產生的磷光信號進行定量分析。磷光的產生過程與熒光相同，如圖2所示，不同的是，磷光的壽命和發光強度都勝于熒光。磷光的衰減速度和線形強度對溫度較為敏感，根據這一特性，LIP常應用于固體表面及液滴的溫度測量。白書戰等人[9]利用LIP對一臺光學發動機進行了缸內氣體的溫度分布測量，測試結果與缸內壓力計算得到的缸內平均溫度相比，誤差在5%以內。

圖2 分子的受激和輻射過程

磷光的衰減速率還與磷光物質的狀態有關，在兩相流測試中，利用這一特性可以很好地克服LIF成像存在的兩相間熒光強度差異較大及光暈影響的問題。Charogiannis等人[10]利用液態和氣態丙酮在308 nm激發后的磷光性質，對蒸發液體流動進行了研究。他們發現液相和氣相丙酮的不同磷光衰減速率有利于獲得更好的信號比，使得液滴周圍的蒸汽可以清晰可視化，從而排除光暈的干擾，精確定位氣-液界面。

1.3 激光誘導熾光（LII）技術

LII的原理是碳煙粒子受激光照射后，溫度迅速上升至高于所處環境的溫度，同時產生黑體輻射。Melton[11]的研究結果表明，當碳煙粒子受激后的溫度達到4 000 K以上時，LII信號強度與碳煙粒子的平均直徑和體積分數具有較強的相關性，因此通過采集黑體輻射信號可以定量分析碳煙的體積分數和粒徑大小等物理參數。Kock等人[12]建立了兩種波長下具有時間分辨測量的激光誘導熾光模型（TR-LII），并將其應用于單缸二沖程柴油發動機的燃燒室，測試結果與TEM分析得到的平均一次顆粒尺寸非常一致。唐青龍等人[13]建立了一套雙色法-激光誘導熾光法（2C-LII）測試系統，可用于柴油機缸內燃燒過程中碳煙體積分數的定量測量，并實現多點標定和全視場范圍測量。

2 光場成像技術

傳統的光場成像技術是由Adelson[14]提出和設計的。光場成像技術本質上是3D的，僅用一臺相機就可以實現3D空間分辨率，能夠在一次攝影曝光中對CCD傳感器上的4-D光場進行采樣，從而同時記錄每條射線的輻射強度和方向信息。光場成像技術與傳統光學相機成像的區別如圖3所示，區別是在傳感器前配備一套微透鏡陣列。Wang等人[15]應用如圖4所示的光場相機記錄了本生燈火焰的光場，并用LSQR算法重構其3D溫度場，該光場相機的空間分辨率可以達到毫米量級。孫俊等人[16]則提出了一種基于單光場相機的火焰三維溫度場測量新方法，并通過光場相機探測面的強度分布和基于QR分解的最小二乘算法溫度場反演模型得到的火焰三維溫度場結果證明了該方法的可行性。

圖3 光場成像技術與傳統光學相機成像的區別

圖4 應用光場相機研究本生燈火焰的3D溫度場

3 計算機斷層掃描技術

計算機斷層掃描技術（CT）既可以是2D也可以是3D的[2，17]，其中利用燃燒過程中的化學發光的CT成像技術——化學發光計算機斷層掃描（CTC）是發展最為迅速的一種研究火焰3D結構的成像技術。該技術通過一系列積分測量（相機圖像）重建湍流火焰的3D化學發光場，分析數據可獲得火焰表面密度、起皺因子、火焰法線方向和放熱率等燃燒參數。

相對于前兩種光學測試技術，CTC利用化學發光避免了成像系統對光源的依賴，大大降低了測試系統的復雜度和設備要求，使實驗更加可行。同時化學發光只發生在靠近火焰反應區的狹窄區域[21]，因此提供了火焰幾何形狀的信息。此外，由于發射光的光譜可以與特定的化學物質有關，因此強度也是測量其物質濃度的一種手段。CTC的工作原理如圖5所示，從物體周圍的多個視角進行積分（投影）測量來重建3D結構，更多的視圖會產生更好的分辨率。Floyd等人[17]用5臺攝像機和10片平面鏡組成了10視角的CTC系統（圖6所示），重構得到了對沖湍流火焰的3D結構，但由于受相機數量的限制，空間分辨率只能達到毫米量級。

圖5 CTC測試系統的常規設置

圖6 對沖湍流火焰CTC測試系統

4 全息成像技術

全息技術是利用光的干涉和衍射原理記錄并再現物體光波波前的一種技術，利用光的干涉記錄目標波的振幅和相位信息，包含這些信息的媒介稱為“全息圖”，利用光的衍射理論，可以從全息圖中重建3D圖像。全息技術自1948年D.Gabor發明以來[18]，經歷了3個大的發展階段[20]。第一階段自D.Gabor發明以來，逐步創立了同軸全息圖和全息理論；第二階段開始于20世紀60年代，隨著激光光源（相干光源）的發明，全息技術進入了持續數十年的高速發展，相繼發明了離軸全息[22]、彩虹全息、計算機制全息（CGH）[23]和數字全息（DH）[24]，CGH 和 DH 發明后由于受當時計算機技術和相關設備發展等因素的制約而進展緩慢；第三階段始于20世紀末和21世紀初，隨著圖像傳感器、空間光調制器（SLM）和計算機等電子設備的迅速發展，逐步發展完善了數字全息技術[2，19]。

圖7 DH系統原理圖

DH是一種干涉成像技術，一般采用如圖7所示的2種曲型結構：離軸DH和相移DH，記錄包含目標波前的數字全息圖，并在計算機上重建物體的3D和定量相位圖像。DH不僅在生物樣品3D成像、微機電系統的測量檢測、3D空間顆粒和流量測量、深度方向上納米精度的3D表面形狀測量等領域有所應用，而且在燃燒測量方面[25-30]也開展了廣泛的應用。

Agarwal等人[25]采用如圖8所示的數字全息干涉成像系統研究了微尺度（2～3 mm）蠟燭火焰在磁場作用下的空間溫度場，空間分辨率達到幾十微米量級。

Wu等人[26]利用如圖9所示的全息成像技術研究了空氣/氫氣混合氣體的高速湍流火焰射流的傳播過程，以100μs為間隔，記錄了從點火開始到1000μs的高速湍流火焰射流，空間分辨率達到幾十微米量級。

圖9 實驗裝置俯視圖

圖8 數字全息干涉成像系統

5 結論

本文全面回顧了目前已發展并開始廣泛應用于燃燒測量的4種光學成像技術——平面成像技術、光場成像技術、計算機斷層掃描技術和全息成像技術，對其基本原理、研究現狀和應用范圍進行了分析，得出如下結論：

1）光學成像技術和計算機圖像處理技術的發展為內燃機燃燒過程研究提供了重要的測試手段。目前，內燃機燃料噴霧和燃燒的基本原理還有待進一步研究，因此光學測量技術的前景是廣闊的，其重要性也將不斷增強。

2）單一的光學成像技術應用范圍有限，為了更加深刻地理解內燃機燃燒過程，未來的測試方法將朝著多種成像技術同時使用，并與仿真實驗相結合的方向發展。