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1、激光光谱技术在燃烧诊断中的应用物理与工程Vo1.2ONo.52010激光光谱技术在燃烧诊断中的应用李树峰(武警学院基础部,河北廊坊065000)(收稿13期:2009—1201)摘要激光光谱燃烧诊断技术由于测量的非介入性,高分辨率和高灵敏度,成为了燃烧科学中的研究热点.文中综述了自发拉曼散射技术(VRS),相干反斯托克斯拉曼散射技术(CARS)和平面激光诱导荧光技术(PLIF)的原理,方法,特点及其发展现状.并展望了它们在燃烧科学中的应用前景.关键词激光光谱;燃烧诊断;拉曼散射;相干反斯托克斯拉曼散射;平面激光诱导荧光APPLI
2、CATIoNoFLASERSPECTRoSCoPYToCoMBUSTIoNDIAGNOSISLiShufeng(FundamentDepartment,ChinesePeople'SArmedPoliceForcesAcademy,Langfang,Hebei065000)AbstractThecombustiondiagnosistechnologybasedonlaserspectroscopybecomes3re—searchfocusincombustionscienceduetothenoninvasivemeasur
3、ing,thehighresolutionandthehighsensitivity.Theprinciples,themethods,thecharacteristicsandthedevelopmentsta—tusofVRS,CARSandPLIFarereviewedinthispaper.Atlast,theirapplicationprospectsincombustionsciencearelookedforward.KeyWordsIaserspectroscopy;combustiondiagnosis;VRS
4、;CARS;PLIF燃烧从经济,安全和环境等多方面影响着人们的生产和生活.无论是利用热能的燃烧,还是事故性的燃烧和爆炸,对燃烧的诊断和控制一直备受关注.为此,人们对各类燃烧场进行了大量的研究.近年来,其研究对象逐渐深入到分子层面,而传统的燃烧诊断技术已经限制了燃烧诊断科学的进一步发展.由于激光的特性,刚刚兴起的激光光谱技术为燃烧诊断学提供了独有的非介人性探测方法,使得燃烧科学的深入研究成为可能.因此以激光为基础的燃烧诊断技术已经成为当前研究的热点.在基于激光光谱的燃烧诊断技术中,尤以自发拉曼散射(VRS)El,z],相干反斯托克
5、斯拉曼散射(CARS)和激光诱导荧光(LIF)等几种技术研究较多.与传统燃烧诊断技术相比,激光光谱作者简介李树峰(1976年出生),男,河北大城人,讲师,硕士技术既具有较高的灵敏度和时空分辨率,又不干扰流场,并且对燃烧场的恶劣环境适应性强,能够测量火焰温度,组分浓度,压力,燃烧物质的流量和流速等参量及其各参量的时空分布,这是以前无法做到的.本文将重点介绍以上三种光谱技术在燃烧诊断中的应用,研究现状及发展前景.1自发拉曼散射技术(VRS)当一束激光照射一透明物体后,会有少量的光线偏离原来的传播方向,发生散射现象,大部分散射光频率不
6、会发生变化,这是因为光子与物质相互作用时发生了弹性散射.同时,光子与物质相互作用时还会发生交换能量的非弹性散射,在与入射光传播方向成某些角度的方向上出现与入射物理与工程Vo1.2ONo.52010光频率不同的散射光,称为自发拉曼散射.当一个能量为h.的光子射到一个处于某定态能级E的粒子上,使其向较高能级Ez跃迁,光子损失能量后,散射光子的能量为h(一Av),其中hay一E一E,此时,散射光频率比入射光频率小,称为斯托克斯光.如果物质分子最初处于高能级E,与光子相互作用时就会将能量传给光子,散射光子能量为h(+△),频率比入射光频
7、率大,称为反斯托克斯光.根据玻耳兹曼分布,大多数分子处于低能级,所以发生拉曼散射时,斯托克斯光线比反斯托克斯光线强.由于散射强度反映了粒子能级的布居数,而粒子布居分布与温度有关,通过测量某种组分的斯托克斯谱线与反斯托克斯谱线光强之比可获得相应的温度值,理论计算表明,介质温度可以表示为.]T一!In(Ns/NAS)+3In(As/s)+inC式中,T为分子振动温度;N,N分别为探测到的斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子数;,vAS分别为斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光频率;C为测量系统对v,v的光响应效率比,试验中可通过系统标定求得.
8、除了测量燃烧场温度,自发拉曼散射光谱还可以测量燃烧场组分浓度和压力等,假定气体分子处于热平衡状态,激光产生的Q支斯托克斯拉曼散射强度可表示为l_】S一刀P.式中,刀为测量系统的接收效率;为分子浓度;P为激光的能量密度;为组分的拉曼散射截面,它与分子种类有关;V为
