光譜儀在燃燒診斷實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用
技術(shù)介紹：
燃料燃燒是一種瞬態(tài)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，科學(xué)家利用傳統(tǒng)的光電技術(shù)，結(jié)合激光技術(shù)，光譜技術(shù)，圖像處理技術(shù)用來分析燃燒場的溫度，組分等參數(shù)，對(duì)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)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(jiān)控某些指示化學(xué)鍵發(fā)光的過程來分析燃料配比，有些則利用激光技術(shù)，燃燒化學(xué)反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些中間產(chǎn)物（如CH、OH等），這些產(chǎn)物會(huì)吸收激發(fā)激光并發(fā)出特征光譜信號(hào)。科學(xué)家分析這些熒光光譜等信息，可以分析火焰瞬時(shí)的結(jié)構(gòu)，組分濃度等信息。
產(chǎn)品應(yīng)用：
科學(xué)家通過分析多組分煤油的低溫點(diǎn)火性能，發(fā)現(xiàn)添加某些活化劑可以大大降低煤油的燃點(diǎn)，使其在較低溫度時(shí)能夠充分燃燒，
圖1：低溫點(diǎn)火測試實(shí)驗(yàn)圖
上圖為相關(guān)的實(shí)驗(yàn)簡圖，圖中科學(xué)家將摻有一定比例活化劑的煤油滴到變溫臺(tái)上，變溫臺(tái)可以從100度到600多度控制，高速相機(jī)拍攝液滴在變溫臺(tái)上隨溫度變化后的燃燒情況。而在燃燒時(shí)火焰發(fā)光通過光纖收集到光譜儀中，再由PMT監(jiān)控發(fā)光波段隨時(shí)間變化的衰減過程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)控燃燒產(chǎn)物OH自由基的發(fā)光波段306.5nm，光譜儀將色散位置設(shè)置到該波段，然后用PMT進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控過程中PMT高壓設(shè)置為1000V，使其處于光子計(jì)數(shù)狀態(tài)，然后連接數(shù)采，對(duì)OH發(fā)光進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控掃描。
當(dāng)激光引入到燃燒實(shí)驗(yàn)中時(shí)，又會(huì)有很多有趣的現(xiàn)象發(fā)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(shí)刻，由于燃料從剛開始不充分燃燒，中間產(chǎn)物較多，到充分燃燒，再到慢慢冷卻。整個(gè)過程中各種成分的拉曼信號(hào)的分布是一個(gè)漸變的過程，我們可以利用這些信號(hào)變化來分析優(yōu)化燃燒氣體的比例濃度。實(shí)驗(yàn)中一般采用低重頻的Nd：YAG脈沖激光器結(jié)合ICCD來進(jìn)行研究分析。
如果將染料激光器引入實(shí)驗(yàn)，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(gè)波段的激發(fā)激光，例如606nm的激光，然后經(jīng)與兩束532nm激光在時(shí)域上進(jìn)行調(diào)整，在滿足CARS的相位匹配條件下，我們可以得到相關(guān)的CARS信號(hào)，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(shí)驗(yàn)裝置簡圖
在燃燒過程中，燃燒不充分會(huì)產(chǎn)生很多中間產(chǎn)物，我們也可以用激光激發(fā)火焰中這些中間產(chǎn)物獲得熒光來分析，也就是激光誘導(dǎo)熒光（LIF），如果將激光經(jīng)過柱面鏡等光學(xué)元件整形成很薄的一個(gè)平行平面光，這是我們稱該實(shí)驗(yàn)為平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）
圖4：PLIF實(shí)驗(yàn)簡圖
實(shí)驗(yàn)中，我們可以用ICCD或是高速相機(jī)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(nèi)部湍流結(jié)構(gòu)分布
卓立漢光可以提供燃燒診斷中的各種產(chǎn)品，例如光路系統(tǒng)搭建所需的光機(jī)產(chǎn)品，如柱面鏡，延時(shí)光路系統(tǒng)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(jī)的組合，特別是燃燒診斷實(shí)驗(yàn)中不可或缺的ICCD相機(jī)，卓立漢光也可以非常完美的進(jìn)行匹配工作。
引用文獻(xiàn)：
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Zhu Jiajian, Wan Minggang, Wu Ge, Yan Bo, Tian Yifu, Feng Rong, Sun Mingbo, Chinese Journal Of Lasers,48(4),0401005(2021).
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Haoqiang Sheng, Xiaobin Huang, Yuan Ji, Zhengchuang Zhao,Zhijia Chen, Hong Liu,international journal of hydrogen energy,46,27207 (2021).
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Frank JH, Kaiser SA, and Long MB,Proceedings of the Combustion Institute,29(2),2687(2002)
13810146393
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