基于激光誘導磷光的火焰碰壁時壁溫測試技術(shù)研究

薛雪峰,李 鐵，2,王 寧,陳 潤，2,張小卿，2

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 201100；2.上海交通大學 動力裝置及自動化研究所，上海 201100)

0 概述

由于可靠性好、熱效率高等優(yōu)勢，柴油機作為動力裝置被廣泛應(yīng)用于交通行業(yè)中。但由于火焰撞壁等現(xiàn)象，即便是高效柴油機，燃料燃燒釋放的總能量中壁面熱損失占比也高達20%～30%[1]。基于壁面溫度可以獲取壁面熱流量和熱損失總量，建立準確的壁面溫度測量技術(shù)對計算壁面熱損失尤為關(guān)鍵，同時也是技術(shù)難點之一。

常用的壁面溫度測量技術(shù)有薄膜熱電偶、熱變色涂層、紅外測溫等[2]。薄膜熱電偶為侵入性測溫方法，對實際測溫環(huán)境會產(chǎn)生干擾，且時間分辨率較低。熱變色涂層同為侵入性測溫方法，且只能測量一定時間內(nèi)的最大溫度值。紅外測溫易受黑體輻射干擾，且需要獲得測溫表面的具體輻射率信息。激光誘導磷光(laser-induced phosphorescence， LIP)測溫技術(shù)通過建立磷光信號譜峰頻移、強度、衰減壽命等與溫度的相關(guān)參數(shù)，可以對燃燒室壁面進行二維溫度分布測量，具有高時間分辨率、高空間分辨率和測溫范圍廣等優(yōu)勢[2-6]。LIP測溫依托壁面附著薄磷光涂層作為測溫介質(zhì)，屬于半侵入性測溫技術(shù)，對測溫環(huán)境干擾較小，且不受測溫環(huán)境輻射等條件的限制，具有在復雜多變的燃燒室環(huán)境中準確測量壁面溫度的潛力。

文獻[2-4,7]中列舉了可用于LIP的磷光劑，其中La2O2S：Eu3+和MFG：Mn4+為常用的測溫磷光劑。La2O2S：Eu3+有3個信號譜峰，中心波長分別為 538 nm、615 nm和625 nm，測溫范圍為200 K～580 K，適用于較低溫度的測量[5]。MFG：Mn4+有兩個信號譜峰，中心波長為650 nm和659 nm，測溫范圍為 13 K～900 K[8-9]，測溫范圍比La2O2S：Eu3+廣，在 700 K～900 K 溫度范圍內(nèi)具有高敏感度[10]，柴油火焰撞壁的壁面溫度可高至850 K[11]。可見，MFG：Mn4+用于柴油火焰撞壁過程的壁面溫度測量更具有可行性。常用的LIP測溫方法主要有衰減壽命法和強度比法兩種。文獻[12]中以MFG：Mn4+為研究對象對比兩種方法，在500 K以下兩種方法的測溫誤差非常接近，在500 K以上衰減壽命法測溫誤差比強度比法小1～2個數(shù)量級，衰減壽命的像素點間相對誤差小于1%，而強度比法的像素點間相對誤差為2%～20%。可見衰減壽命法具有更高的測溫精度。

文獻[2-4,13]中對LIP測溫的系統(tǒng)誤差來源進行了分析,發(fā)現(xiàn)影響因素主要包括激發(fā)光通量、環(huán)境壓力、環(huán)境氧濃度、涂層性質(zhì)等。文獻[14]中以Y2O2S：Eu3+為對象，提出激發(fā)光通量較高時會產(chǎn)生磷光飽和效應(yīng)，并基于磷光原理解釋了飽和效應(yīng)產(chǎn)生的原因。但激發(fā)光通量對MFG：Mn4+等磷光劑測溫準確性的影響有待進一步確認。文獻[15-16]中通過試驗確定環(huán)境壓力在0.1～3.0 MPa范圍內(nèi)時，環(huán)境壓力和環(huán)境氧濃度對MFG：Mn4+和La2O2S：Eu3+的衰減壽命影響在誤差范圍內(nèi)。文獻[17-18]中指出發(fā)動機近壁面存在熱梯度，當磷光涂層厚度超過20 μm時，測溫結(jié)果可能存在差異。文獻[19-20]中指出除熱梯度影響外，不同厚度的磷光涂層的光吸收系數(shù)等存在差異性，這也會對測溫結(jié)果產(chǎn)生重大影響，同時由于涂層的光學性質(zhì)及近壁面熱梯度較難獲取，提出將涂層厚度作為表征兩者影響的研究參數(shù)。

本文中采用MFG：Mn4+制作LIP測溫涂層，基于磷光衰減壽命法，運用高速攝影研究激發(fā)光通量和涂層厚度對測溫準確性的影響，基于上述研究結(jié)果利用LIP測溫法針對穩(wěn)態(tài)預混丁烷火焰撞壁進行壁面溫度的一維測量。本研究創(chuàng)新性地將測溫結(jié)果與薄膜熱電偶進行對比，分析穩(wěn)態(tài)預混燃燒火焰撞壁下兩者的壁溫分布差異性，驗證LIP測溫方法用于瞬態(tài)壁面溫度測量的潛力。

1 激光誘導磷光測溫原理

激光誘導磷光測溫(LIP)是一種基于磷光熱淬滅的光學診斷方法。LIP可以對磷光顆粒所處空間的點溫度進行表征。磷光劑的電子通過系間竄越，由基態(tài)躍遷至三線激發(fā)態(tài)。由于系間竄越為自旋禁阻過程，磷光壽命包含系間竄越所需的時間，因此磷光壽命通常大于10-8s，而熒光壽命小于10-8s。相比于熒光，磷光信號具有更長的壽命，易于觀測[2]。磷光產(chǎn)生過程中，激發(fā)態(tài)電子以輻射躍遷或非輻射躍遷方式回到基態(tài)，其中輻射躍遷產(chǎn)生磷光，非輻射躍遷主要為淬滅現(xiàn)象，不產(chǎn)生磷光。隨著溫度上升，非輻射躍遷占躍遷能量比例上升，導致輻射躍遷釋放光子數(shù)下降，磷光衰減壽命縮短。磷光衰減壽命和信號強度比等參數(shù)與溫度存在對應(yīng)關(guān)系，通過測量磷光參數(shù)可以獲得溫度變化。

磷光衰減壽命定義為磷光材料受激發(fā)后，磷光信號強度下降為初始信號強度1/e的時間。因為磷光信號強度隨時間呈現(xiàn)多指數(shù)衰減，為了減輕壞點的影響，通常以指數(shù)擬合的方式獲取衰減壽命值。多指數(shù)擬合得到多個衰減壽命值，對多個衰減壽命的取舍存在歧義，故通常以單指數(shù)擬合[21]或雙指數(shù)擬合[22]衰減壽命。對雙指數(shù)擬合和單指數(shù)擬合結(jié)果進行對比，擬合的置信區(qū)間均達到95%以上，但單指數(shù)擬合更為簡潔，故本研究中采用單指數(shù)擬合。單指數(shù)擬合的準確度取決于擬合數(shù)據(jù)的起始時刻和終止時刻，所以本研究采用動態(tài)信號窗格t1～t2(t1為信號窗格起始時刻，t2為信號窗格終止時刻)[21]。t1和t2滿足式(1)和式(2)。

t1=t0+c1τ

(1)

t2=t0+c2τ

(2)

式中，t0為磷光信號的初始時刻，μs；τ為磷光衰減壽命，μs；c1和c2分別為窗格起始系數(shù)和終止系數(shù)，c1=0.001，c2=4[10]。

單指數(shù)擬合式見式(3)。

I(t)=I0exp(-t/τ)+Ioffset

(3)

式中，I0為激發(fā)后的初始信號強度；Ioffset為擬合后的縱軸截距，可認為是未完全過濾的環(huán)境噪聲的影響。I0和τ的擬合采用Levenberg-Marquardt算法[10,21]。對單次磷光衰減的擬合結(jié)果見圖1。

圖1 動態(tài)信號窗格下衰減壽命單指數(shù)擬合結(jié)果圖

最小二乘法擬合評價指標R2>99%。圖像處理前消除背景噪聲[23]。在測溫范圍內(nèi)，磷光衰減壽命隨溫度上升而下降，基于衰減壽命與溫度的非線性關(guān)系可進行定量測溫。

2 試驗系統(tǒng)

2.1 標定試驗系統(tǒng)

LIP測溫標定試驗系統(tǒng)如圖2所示。試驗系統(tǒng)由脈沖激光器、直角反射棱鏡、平面反射鏡、擴束鏡組、磷光涂層、高溫爐、濾片(透過波段為600 nm以上)、互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)高速相機、信號同步器組成。圖2中，2ω為脈沖激光器的二倍頻模塊，將激光波長由1 064 nm轉(zhuǎn)換為532 nm。3ω為三倍頻模塊，將激光波長轉(zhuǎn)換為355 nm。入射激光經(jīng)反射后進入擴束鏡組，擴束倍數(shù)為5倍，生成直徑約為50 mm的均勻平行光斑，照射在磷光涂層板上，磷光涂層板接收到的激光通量為1.00 mJ/cm2。磷光涂層板使用化學粘合法制成。涂層基板為316不銹鋼板，鋼板表面加工有不同深度的平槽，將磷光劑粉末(MFG：Mn4+)與耐高溫粘合劑(S522，SINWE，耐溫上限為2 000 K)混合均勻后填入平槽內(nèi)。綜合考慮磷光涂層的溫度敏感性[13]與信噪比，選擇混合比為1∶4。經(jīng)退火處理后，進行打磨控制厚度，最后用上海精密生產(chǎn)的涂層測厚儀THM800確定磷光涂層厚度，涂層厚度h的測量精度為±[(1%～3%)h+1.5 μm]。制得的涂層厚度分別為10 μm、18 μm、30 μm、39 μm、51 μm、68 μm、100 μm、138 μm、194 μm、303 μm、398 μm、494 μm。標定試驗中，涂層鋼板與熱電偶固定連接，監(jiān)測整體溫度，當高溫爐恒溫區(qū)溫度上升至設(shè)定值時，等待熱電偶示數(shù)穩(wěn)定后進行測量，以熱電偶示數(shù)為標定的溫度值。信號同步器采用內(nèi)觸發(fā)模式，輸出頻率為1 Hz的上升沿信號，激光器延遲為0 ms，CMOS高速相機延遲為108 ms，保證相機曝光時刻與激光照射涂層在時間上具有一致性。CMOS高速相機拍攝頻率為 500 000 Hz，曝光時間為1.5 ms。長波通濾片允許MFG：Mn4+磷光信號通過，濾去激發(fā)光反射光，防止相機損壞，同時濾去部分雜散光，提高信噪比。

圖2 LIP測溫標定試驗系統(tǒng)

2.2 預混火焰撞壁的穩(wěn)態(tài)壁溫測量系統(tǒng)

預混火焰撞壁穩(wěn)態(tài)壁溫測量系統(tǒng)保留LIP測溫標定試驗系統(tǒng)中的LIP測溫光路，由高溫爐實現(xiàn)的恒溫環(huán)境改為預混火焰噴射器下預混火焰撞壁的穩(wěn)態(tài)環(huán)境。預混火焰生成的主要參數(shù)見表1。

表1 預混火焰與撞壁參數(shù)

丁烷-空氣預混火焰撞擊薄鋼板一側(cè)后，經(jīng)過鋼板傳熱至另一側(cè)。與火焰相對一側(cè)的水平直徑位置上，以撞壁點為中心，對稱布置磷光涂層和薄膜熱電偶，待壁溫分布穩(wěn)定后，對壁面溫度進行測量。當火焰在撞壁點左右形狀對稱時，認為相同半徑距離處的薄膜熱電偶測溫結(jié)果與LIP測溫結(jié)果具有對比性。預混火焰撞壁時壁面溫度分布測量試驗系統(tǒng)如圖3和圖4所示。鋼板大小為120 mm×120 mm，磷光涂層寬度為 10 mm，長度為60 mm，涂層厚度范圍為18 μm～29 μm，覆蓋一側(cè)半徑，用于壁面溫度的一維測量。預混丁烷火焰撞壁點為壁面原點O。薄膜熱電偶(SA1-RTD, OMEGA)共有6個，分別安裝于半徑方向上距離撞壁點5 mm、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm處，6個熱電偶的測溫結(jié)果于圖3中依次以T1、T2、T3、T4、T5和T6表示，由轉(zhuǎn)換器讀取和顯示。

圖3 預混火焰撞壁穩(wěn)態(tài)壁溫測量系統(tǒng)

圖4 磷光涂層與薄膜熱電偶布置圖

薄膜熱電偶響應(yīng)速度為0.15 s，而LIP測溫響應(yīng)極快，時間分辨率取決于MFG：Mn4+的磷光衰減壽命，變化范圍為1 μs～3 000 μs。穩(wěn)態(tài)火焰撞壁的火焰周向分布可認為近似對稱。已知薄膜熱電偶的測溫精度為 ±0.15 K，將薄膜熱電偶測溫結(jié)果與LIP測溫結(jié)果進行對比分析，可驗證LIP測量壁面溫度的準確性。

3 結(jié)果與討論

3.1 激發(fā)光通量

在高溫爐中，改變恒溫區(qū)溫度(即標定板的環(huán)境溫度Ta)，測量誘導激光通量對磷光衰減壽命的影響。

圖5為不同溫度下激發(fā)光通量對磷光衰減壽命的影響。如圖5所示，當Ta=20.6 ℃時，激發(fā)光通量在0.02 mJ/cm2～1.66 mJ/cm2范圍內(nèi)磷光衰減壽命波動為8.67%，而激發(fā)光通量在0.02 mJ/cm2～1.02 mJ/cm2范圍內(nèi)磷光衰減壽命波動僅為2.99%。當Ta=121.4 ℃時，激發(fā)光通量在0.02 mJ/cm2～1.87 mJ/cm2范圍內(nèi)磷光衰減壽命波動為2.10%。當Ta=265.3 ℃時，激發(fā)光通量在0.02 mJ/cm2～1.79 mJ/cm2范圍內(nèi)磷光衰減壽命波動為1.82%。而Ta=434.8 ℃，激發(fā)光通量為0.02 mJ/cm2時，衰減壽命出現(xiàn)壞點。這是由于激發(fā)能量低且衰減壽命隨溫度下降，磷光信號強度較弱，因此所測得的衰減壽命偏低，容易導致壞點。除去壞點，激發(fā)光通量在 0.89 mJ/cm2～1.70 mJ/cm2范圍內(nèi)，磷光衰減壽命波動為2.24%。由上述可知，在0～1.02 mJ/cm2范圍內(nèi)，激發(fā)光通量對磷光壽命的影響造成的誤差在3%以內(nèi)。

圖5 不同溫度下激發(fā)光通量對磷光衰減壽命的影響

如圖6所示，激發(fā)光通量變化范圍為 0.02 mJ/cm2～1.00 mJ/cm2，溫度在100 ℃～300 ℃時，衰減壽命無明顯變化，且在20.6 ℃～434.8 ℃溫度范圍內(nèi)衰減壽命誤差小于3%，在測溫誤差范圍內(nèi)。溫度大于 300 ℃ 時，激發(fā)光通量對磷光衰減壽命影響較小。綜上所述，激發(fā)光通量在0～1.00 mJ/cm2范圍內(nèi)，磷光衰減壽命波動小于3%，測溫誤差小，且具有信噪比良好、對激光功耗要求較低的優(yōu)勢，所以本試驗中選取激發(fā)光通量為1.00 mJ/cm2。

圖6 不同激發(fā)光通量下衰減壽命隨溫度變化結(jié)果

3.2 涂層厚度影響

在激發(fā)光通量為1.00 mJ/cm2的條件下，對不同厚度磷光涂層的衰減壽命隨溫度變化關(guān)系進行了研究，結(jié)果如圖7所示。

圖7 磷光涂層厚度對衰減壽命影響結(jié)果

文獻[19]中的仿真結(jié)果表明，當磷光涂層大于100 μm時涂層厚度變化不會對測溫誤差產(chǎn)生明顯影響，厚度小于100 μm時測溫誤差隨涂層厚度的增加而增大。故將不同厚度的磷光涂層分為小厚度(10 μm～40 μm)、中厚度(40 μm～100 μm)和大厚度(100 μm～500 μm)3組進行對照。由圖7(b)和 圖7(c) 可知，當厚度大于50 μm時，涂層厚度對磷光衰減壽命的影響較小，在25.9～652.2 ℃溫度范圍內(nèi)測溫誤差不超過2%。由圖7(a)可以看出，10 μm～40 μm涂層厚度范圍內(nèi)，在不同的溫度區(qū)域中，測溫結(jié)果存在差異性。因此，對3個厚度區(qū)間不同溫度下的衰減壽命波動分別進行計算，結(jié)果如圖8所示。

圖8 3個厚度區(qū)間不同溫度下衰減壽命波動結(jié)果

由圖8中3個厚度區(qū)間的結(jié)果可以得出，當溫度小于347 ℃時涂層厚度對測溫結(jié)果的影響可以忽略不計，而在熱淬滅區(qū)域(347.0 ℃～440.6 ℃)和高溫敏感區(qū)域(>440.6 ℃)存在一定的測溫誤差。

針對小厚度磷光涂層，進一步對熱淬滅區(qū)域和高溫敏感區(qū)域的衰減壽命與溫度之間的關(guān)系進行標定，結(jié)果如圖9所示。由圖9(a)可知，2次升溫標定和1次降溫標定結(jié)果顯示良好的一致性，衰減壽命標準差小于1%。由 圖9(b) 可知，當涂層厚度由18.1 μm增至39.1 μm，在同一溫度下，衰減壽命誤差同樣小于1%，說明在小厚度范圍內(nèi)，涂層厚度引起的測溫偏差在允許誤差范圍內(nèi)。因此，在本次研究中，由涂層厚度引起的測溫誤差可認為是非主要誤差來源。

圖9 小厚度磷光涂層LIP衰減壽命法標定結(jié)果

3.3 預混火焰撞壁穩(wěn)態(tài)壁溫測量

根據(jù)表1，用LIP與薄膜熱電偶在定流量的預混丁烷火焰撞壁情況下，分別用LIP測溫和薄膜熱電偶測溫對壁面溫度分布進行測量。圖10為撞壁火焰達到穩(wěn)態(tài)時的火焰圖像，右側(cè)分布磷光涂層，左側(cè)定距離多點布置薄膜熱電偶，圖中壁面徑向位置 0 mm，距噴嘴出口距離50 mm處為壁面原點，即圖4中的撞壁點O。

圖10 火焰撞壁穩(wěn)態(tài)圖像

圖11為LIP和薄膜熱電偶的測溫結(jié)果對比。火焰形態(tài)按噴孔軸線軸對稱，薄膜熱電偶與LIP測溫結(jié)果接近。由圖11可知，LIP測溫結(jié)果中最高溫度出現(xiàn)在距撞壁點5 mm處，而薄膜熱電偶測得最高溫度出現(xiàn)在距撞壁點10 mm處，貼近火焰中心區(qū)，LIP測溫結(jié)果高于薄膜熱電偶測量值。

圖11 LIP與薄膜熱電偶測溫結(jié)果對比

LIP與薄膜熱電偶測溫結(jié)果存在差異的原因有：(1) 薄膜熱電偶測溫點在壁面上方，LIP的測溫點在壁面內(nèi)，測溫點差異導致熱量傳導差異；(2) 薄膜熱電偶的熱結(jié)點尺寸大于LIP，LIP熱響應(yīng)速度較快；(3) 熱電偶與涂層存在材料性質(zhì)差異，如熱容差異。在實際測溫過程中，由于測溫介質(zhì)差異，LIP測溫與薄膜熱電偶測溫結(jié)果不同，但是測溫趨勢一致[24]。LIP與薄膜熱電偶隨火焰徑向的溫度變化趨勢基本一致，驗證了LIP測溫技術(shù)的可行性。在徑向方向上，由撞壁點向火焰邊緣發(fā)展，壁面溫度下降快。當徑向位置為50 mm時壁面溫度僅為50 ℃，說明火焰撞壁覆蓋區(qū)域邊緣在約50 mm處，LIP與薄膜熱電偶測溫結(jié)果極為接近，也說明了兩者對低溫區(qū)熱流束的敏感性趨于一致。根據(jù)文獻[25]的研究結(jié)果，在撞壁距離H與噴嘴直徑d之比大于4時，壁面熱流最大值出現(xiàn)在撞壁點處。試驗中撞壁距離H與噴嘴直徑d之比等于10時，壁面熱流量最大值出現(xiàn)在撞壁點處，這與LIP測溫結(jié)果更為吻合。

4 結(jié)論

(1) 當溫度低于265.3 ℃，0.02 mJ/cm2～1.00 mJ/cm2的激發(fā)光通量對LIP測溫無明顯影響；當溫度高于265.3 ℃時，磷光衰減壽命隨激發(fā)光通量的增大而延長，在1.00 mJ/cm2時趨于飽和。

(2) 磷光涂層厚度本身對于LIP測溫結(jié)果的影響在允許誤差范圍內(nèi)。當厚度變化范圍在10 μm～40 μm 時，隨著涂層厚度增大，磷光衰減壽命僅上升1%，因此涂層厚度在10 μm～40 μm內(nèi)時涂層厚度的影響可以忽略。

(3) 在預混丁烷火焰撞壁工況下，驗證了LIP測溫的可行性。相比于薄膜熱電偶，激光誘導磷光所測得的溫度分布更接近火焰撞壁的熱流分布。