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密度和组分测量

密度和组分测量. 燃烧流场的密度测量. 密度测量 温度、压力测量. 气体状态方程. 对气体密度的 非接触 测量是通过对气 体介质的 折射率及其变化 的测量而间接得 到的。通常， 折射率与密度成正比 。. 流场密度的 非接触（光学） 测量原理 是 将人眼看不见的折射率（密度）变化转 变为光的照度变化 记录在胶片上，可定性 或定量分析。. 密度测量. 密度变化. 折射率变化. 测量原理. 阴影法 (Shadowgraphs) ： 定性研究 透射光强分布，偏折位置差，折射率梯度变化（二阶导数）

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密度和组分测量

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  1. 密度和组分测量

  2. 燃烧流场的密度测量 密度测量 温度、压力测量 气体状态方程 对气体密度的非接触测量是通过对气 体介质的折射率及其变化的测量而间接得 到的。通常，折射率与密度成正比。 流场密度的非接触（光学）测量原理 是将人眼看不见的折射率（密度）变化转 变为光的照度变化记录在胶片上，可定性 或定量分析。

  3. 密度测量

  4. 密度变化 折射率变化 测量原理

  5. 阴影法 (Shadowgraphs)：定性研究 透射光强分布，偏折位置差，折射率梯度变化（二阶导数） 纹影法 (Schlieren)：刀口（sharp/acuteedge)，定性研究 区分不同方向偏折光，偏折角度差，折射率梯度（一阶导数） 干涉法 (Interferometry):定量研究 扰动非扰动区光的位相变化~干涉条纹变化~折射率本身

  6. 1 3 阴影法 干涉法 5 目 录 2 纹影法 4 激光诱导荧光（LIF） 相干反斯托克斯拉曼散射光谱

  7. 第一章 阴影法 1.1 流场密度非接触测量的原理和方法 对气体密度的非接触测量通常是通过对气体介质的折射率及其变化的测量而间接地得到的。 阴影法 纹影法 干涉法

  8. 1.2 阴影法测量原理 屏幕上光场所反映的是介质密度梯度变化率，即流场密度变化率的二阶导数。阴影法是研究透明介质中密度不均匀流场的手段。 阴影照相的原理是获得被摄对象受光照射（平行光或汇聚光）后所得的投影相片。它与普通照相的不同之处在于普通照相时来自被摄对象的反射光强分布，而阴影照相获得的是来自被摄对象的透射光强分布。

  9. 1.2 阴影法测量原理 照度不变 照度变弱 照度变强 设n为光在介质中的折射率 当光线通过有扰动的气流时，由于局部部位处折射率梯度的变化，使透射光发生偏折位移，而使观察屏（或照相底片）上对应于未偏折的部位形成暗区（即阴影），偏折光到的部位形成亮区，从而显示屏上照度的变化。

  10. 光源s 平面反射镜1 凹面反射镜2 测试流体 凹面反射镜1 平面反射镜2 摄像 1.3 阴影法光路及设备 测试流体 光源s 成像 透镜1 透镜2 基本型：双透镜结构 光源：点光源，可用普通钨灯光源、氙灯光源或激光光源 摄像：任何可以记录图像的仪器。 应用技巧：凹面镜之间的光路必须是平行的，光源及摄像位于凹面镜焦点上。 实用型：双凹面镜结构

  11. 球面反射镜 氙灯点光源 小平面反射镜 球面反射镜 进气混合段 小平面反射镜 高速摄影机 1.4 阴影法测量结果 双平面镜：减少光程 主平面反射镜 主平面反射镜 脉冲爆震发动机实验室 现有阴影系统

  12. 1.5 阴影仪调节方法 1、定中心高 2、打开光源，调节光源的聚焦 透镜，使灯丝聚光在位于焦 点的狭缝上。 3、按照图示距离摆放各个镜 架，要求在平面镜1和主反射 镜之间形成完整的Ф300mm的 均匀区域。 4、其他左边系统与右边中心系 统对称放置。 5、最终形成阴影。

  13. 第二章 纹影法 2.1 纹影法光路及设备 聚焦透镜 测试流体 光源s 透镜1 透镜2 成像系统 刀口 成像系统 刀口：空间滤波。 光源：线光源（为使图像更清晰），可用狭缝产生。诊断灵敏度可比阴影仪高出一个数量级，可对弱激波和密度变化小的流场进行诊断。通过调整刀口的位置得到需要的灵敏度和对比度。

  14. 2.1 纹影法光路及设备 光源 凹面镜2 凹面镜1 双反射镜纹影仪 聚焦透镜 刀口 成像屏 不透光的刀口被透光的彩色滤光片代替，不会产生由于感光不足引起的问题。可更清晰地看出纹影图中的微小变化。

  15. 2.1 纹影法光路及设备 扩束镜：增加激光 点光源的衍射效应 • 激光作为光源的优点： • 激光具有高强度和高单色性，大大消除火焰自发光的干扰； • 激光具有偏振性，可更有效地抑制火焰自发光的干扰，并可提高折射率的灵敏度； • 激光可与激光全息照相术联合使用，用一张全息图可以得到不同的纹影图像。

  16. 2.1 纹影法光路及设备

  17. 2.2 纹影法测量结果

  18. 2.2 纹影法测量结果 爆震波在分叉管内的传播（中科大）

  19. 彩色纹影术 黑白纹影仪的不足： 火焰自发光的干扰，使得纹影的明暗差别降低，当自发光强大于纹影光强时，就观察不到纹影效果。 所谓彩色纹影术就是用有颜色变化的纹影照片（而不像黑白片那样用黑白灰度的变化）来显示扰动区内折射率变化的技术。

  20. 实现方法： 通常用一块双色带（如红色/蓝色）或多色带的滤光片代替位于第二纹影透镜焦点处的纹影光阑。把色带间的接缝或中央有色或无色的窄带调节到和光源像平行，即可进行彩色纹影观察和记录。 彩色纹影滤光片

  21. Ma=4.5，火箭模型风洞试验的彩色纹影照片

  22. 爆炸瞬间，一张一微秒尺度下拍摄的纹影照片，展示的是两次相互影响的小爆炸产生的冲击波爆炸瞬间，一张一微秒尺度下拍摄的纹影照片，展示的是两次相互影响的小爆炸产生的冲击波

  23. 彩色纹影术的优点： 1、人眼对彩色变化的分辨能力比黑白灰度变化的分辨能力高，可以看出纹影图中的微小变化。 2、透光的彩色滤光片代替不透光的刀口，不会产生由于感光不足而引起的问题。 需要注意的问题： 彩色纹影的光源强度应超过火焰的自发光强度，否则对比度差，光源应在连续的可见光波段内，以便和色带滤光片相匹配。

  24. 激光光源 激光纹影术 激光作为光源的优点： 1、高强度、高单色性，与窄通频带的滤光片配合可大大消除火焰自发光的干扰，并且可以采用较短的曝光时间； 2、具有偏振性，与偏振片联合使用可有效抑制火焰自发光的干扰，还可以提高测量折射率的灵敏度； 3、与全息照相技术结合，在一张全息图就可得到不同的纹影图像。

  25. 目前为止，由于视窗之间、棱镜之间的反射引起的干涉条纹、背景散斑和衍射效应等问题，激光纹影所得到的图像并不理想。目前为止，由于视窗之间、棱镜之间的反射引起的干涉条纹、背景散斑和衍射效应等问题，激光纹影所得到的图像并不理想。

  26. Z M2 e 测区 一束光被S分为 气流方向 W M1 M2 反射后，再被分束器S反射 反射后，再被分束器S透射 激光器 M1 L1 L2 S M2’ 透镜L3 L3 经透镜L4放大 f3 成像屏E L4 f4 E x 第三章 干涉法 基于光的波动性质利用光线通过流体的位相变化来定量地研究流体折射率的空间分布。 3.1 干涉仪原理 L1+L2 : 光束扩束器 S：分束器，50%-50%的透射率-反射率 测量位置：M2和视窗玻璃W之间 迈克尔干涉仪光路示意图

  27. 通过定量测量流场中各点折射率的变化定量获得密度场数据。 亮条纹： 或 暗条纹： 或

  28. 迈克尔逊干涉仪

  29. 迈克尔逊干涉仪测流场密度光路图

  30. 3.2 马赫-参德干涉仪（M-Z干涉仪） 测量原理：与迈克尔干涉仪相同 区别：采用了两个分光器，将光 路拉得很开。

  31. 3.2 马赫-参德干涉仪（M-Z干涉仪）

  32. 3.2 马赫-参德干涉仪（M-Z干涉仪）

  33. 激光器 参考光 分光镜 透镜 透镜 y 测试段 物光  u 全息干板 透镜 观察屏 3.3 全息干涉 全息摄影原理： 将波前重建而使用图像再现；物体反射的物光束与同一激光束分出的参考光叠加，在全息干板上产生两相干光束间的干涉图像。 ：30~45 全息干涉条纹的平均间距： 要求记录介质的分辨率η> 1000 条/ 毫米

  34. 3.3 全息干涉 爆轰波从小管径进入大管径时的全息照片（中科大）

  35. 小结：

  36. 第四章 激光诱导荧光（LIF） 4.1 激光诱导荧光 LIF：laser Induced Fluorescence Spectroscopy 对被测对象所发出的由光源所激发（诱导）的荧光信号进行探测的实验技术都可以称作LIF。 PLIF：如果采用片状光源，则成为PLIF。 示踪平面激光诱导荧光技术（Tracer PLIF）： 人为地加入荧光染料，测量总密度。最容易实现，设备造价最低。 分类 测量分析用激光激发流场物质本身的荧光： 可以分析物质的组分。例如可以分析燃烧过程中的OH, CO, NO, CH 等原子基团的密度分布。 设备造价昂贵，调试复杂。

  37. 4.2 LIF法原理 从PLIF图像可测：组分浓度， 温度，速度，压力和密度。 被激光照射的粒子（分子或原子）吸收光子后，由基态跃迁至激发态。激发态的粒子是不稳定的，通过各种方式释放能量，返回基态。 处于电子激发态的粒子可通过自发辐射，回迁到基态。如果受激吸收与自发辐射的时间间隔仅在微秒量级，则由此发射的光称为荧光。

  38. 光谱学激光成像技术概要 LIF , Rayleigh & Raman Scattering s[cm2/sr] = cross section of light scattering process

  39. 4.2 LIF法原理 PLIF信号强度是温度、压力、摩尔浓度和其它已知的实验参数的函数：

  40. A hv SF = n E A + Q Q(ni,T,P)>> A Quantification problem for SF 激光诱导荧光原理 SF= ( # of molecules)(fraction excited)(fraction emitted)(fraction detected) SF = Fluorescence Signal E = Excitation Efficiency n = Number Density hv = Detection Efficiency A = Fluorescence Rate Q = Quenching Rate LIF-Species: OH, NO, O2, CH, CN, C2, CF, NO2, SO2, CH2O.... PAHs (CnHm), Fuel-Tracer, Exciplex-Tracer... 2 x hv - LIF: O, H, N, CO, H2, H2O...

  41. 可以用荧光光谱技术检测的分子需具备以下条件：可以用荧光光谱技术检测的分子需具备以下条件： 1）具有已知的发射光谱（有的分子在吸收能量后解 离而不再发射）； 2）可被现有频率范围（波长从200nm到1500nm） 的激光激励而产生电子能级的跃迁； 3）脱离受激态主要采取发射荧光的方式而非其他方 式，如解离等； 4）为定量测量分子的数量密度还必须知道受激态的 辐射（衰减）速率。

  42. 为监测待测组分，需选择最佳激励波长和检测谱带宽为监测待测组分，需选择最佳激励波长和检测谱带宽

  43. 流场中某种组分 组分浓度 采集荧光强度 激光诱导荧光测组分原理 特定波长激光 荧光

  44. 激光诱导荧光燃烧诊断系统 激光器 控制系统 Nd：YAG激光器 染料激光器 ICCD 分光器 光学系统 控制系统 数字式延迟脉冲发生器 4.3 LIF典型系统 典型LIF系统构成： （1）激光器 （2）检出系统 （3）控制系统 检出系统

  45. PLIF成像设备实物图

  46. LIF实验装置示意图-开放空间中

  47. PLIF 实验装置示意图-密闭空间中

  48. 4.3 LIF典型系统

  49. 4.3 LIF典型系统 Combined Raman/LIF Measurements in Turbulent Flames 532nm-Raman,CO-230nm,NO-225nm,OH-287nm的LIF同时测量产物中主要组分和温度的装置图

  50. 4.3 LIF典型系统 LIF法测量CH浓度 以研究热解机理的装置图 Energy meter

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