内容简介
《燃烧诊断学》*先介绍燃烧诊断学的基本概念与历史沿革,继而对各类燃烧诊断方法基于的共同性原理进行详细介绍。针对具体燃烧诊断方法,《燃烧诊断学》*先介绍了光谱基本理论,随后介绍基于吸收光谱、发射光谱、散射光谱及粒子图像测速等常见燃烧诊断方法的理论基础、实验方法和应用实例;详细介绍了面向燃烧诊断技术的图像分析及可视化方法,其次还介绍了分子束-光电离质谱技术及其在燃烧诊断中的应用;*后,《燃烧诊断学》介绍了多种燃烧诊断技术在典型动力装置中的应用及未来发展趋势。
目录
目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 燃烧诊断的研究意义 1
1.2 燃烧诊断的发展历史 2
1.3 燃烧诊断的研究方法 3
1.3.1 速度测量 4
1.3.2 组分测量 5
1.3.3 温度测量 6
1.3.4 颗粒测量 7
1.4 燃烧诊断的硬件基础 7
1.4.1 激光器 7
1.4.2 光学分光系统 10
1.4.3 光电探测器 10
参考文献 14
第2章 光谱基本理论 17
2.1 分子的运动与光谱 17
2.2 谱线位置 18
2.2.1 转动光谱 18
2.2.2 振动光谱 19
2.2.3 振动-转动光谱 21
2.2.4 电子光谱 23
2.3 谱线强度 24
2.3.1 转动光谱强度 24
2.3.2 振动光谱强度 25
2.3.3 电子光谱强度 25
2.4 跃迁选择定则 27
2.5 谱线线宽 28
2.5.1 自然加宽 28
2.5.2 多普勒加宽 29
2.5.3 碰撞加宽 29
2.5.4 Voigt线型 30
2.6 分子光谱模拟 30
参考文献 33
第3章 基于吸收光谱的燃烧诊断 35
3.1 简介 35
3.2 理论基础 35
3.2.1 光谱模型 35
3.2.2 光谱数据库 38
3.3 实验方法 38
3.3.1 实验硬件 39
3.3.2 直接吸收光谱 39
3.3.3 波长调制吸收光谱 41
3.3.4 腔增强吸收光谱 43
3.4 应用实例 45
参考文献 46
第4章 基于发射光谱的燃烧诊断 49
4.1 简介 49
4.2 火焰化学自发光 49
4.2.1 基本原理 49
4.2.2 实验技术 50
4.2.3 应用实例 51
4.3 激光诱导荧光 52
4.3.1 基本原理 52
4.3.2 实验技术 54
4.3.3 应用实例 56
4.4 激光诱导磷光 58
4.4.1 基本原理 58
4.4.2 实验技术 64
4.4.3 应用实例 66
4.5 激光诱导炽光 68
4.5.1 基本原理 68
4.5.2 实验技术 71
4.5.3 应用实例 73
4.6 激光诱导击穿光谱 74
4.6.1 基本原理 74
4.6.2 实验技术 76
4.6.3 应用实例 79
参考文献 80
第5章 基于散射光谱的燃烧诊断 85
5.1 简介 85
5.2 瑞利散射 86
5.2.1 基本原理 86
5.2.2 实验技术 89
5.2.3 应用实例 90
5.3 自发拉曼散射 93
5.3.1 基本原理 93
5.3.2 实验技术 95
5.3.3 应用实例 97
5.4 相干反斯托克斯拉曼散射 97
5.4.1 基本原理 98
5.4.2 实验技术 100
5.4.3 应用实例 104
5.5 简并四波混频 105
5.5.1 基本原理 105
5.5.2 实验技术 106
5.5.3 应用实例 108
5.6 激光诱导光栅光谱 110
5.6.1 基本原理 110
5.6.2 实验技术 114
5.6.3 应用实例 115
参考文献 117
第6章 粒子图像测速技术 124
6.1 简介 124
6.2 理论基础 125
6.2.1 粒子发生系统 126
6.2.2 光源照射系统 129
6.2.3 图像采集系统 131
6.2.4 粒子图像评估算法 133
6.2.5 数据后处理 138
6.3 实验方法 139
6.3.1 体视粒子图像测速法 140
6.3.2 片光扫描粒子图像测速法 141
6.3.3 全息粒子图像测速法 141
6.3.4 层析粒子图像测速法 142
6.3.5 光场粒子图像测速法 143
6.3.6 彩虹粒子图像测速法 144
6.3.7 显微粒子图像测速法 145
6.4 应用实例 145
6.4.1 在冷态流场中的应用 145
6.4.2 在燃烧流场中的应用 147
参考文献 152
第7章 图像分析及可视化方法 157
7.1 图像采集硬件与核心参数 157
7.2 图像类型 158
7.3 图像修正与图像映射 161
7.3.1 图像修正 161
7.3.2 图像映射 162
7.3.3 Pinhole模型法 164
7.4 单帧图像分析 167
7.4.1 图像平滑滤波 167
7.4.2 图像轮廓提取 170
7.4.3 图像形态特征量化 172
7.5 序列图像分析 174
7.5.1 运动速度计算 174
7.5.2 动态模态分析 178
7.6 基于深度学习的图像分析 195
7.7 图像分析及可视化工具 198
参考文献 200
第8章 基于分子束-光电离质谱的燃烧诊断 204
8.1 简介 204
8.2 分子束-光电离质谱技术 205
8.2.1 分子束取样 205
8.2.2 电离源 207
8.2.3 定性分析 211
8.2.4 定量分析 212
8.2.5 取样扰动 214
8.3 分子束-光电离质谱技术测量基元反应 215
8.3.1 慢速流动管反应器 216
8.3.2 快速微型反应器 218
8.3.3 激波管 220
8.3.4 快速压缩机 221
8.4 分子束-光电离质谱技术测量热解与氧化反应 224
8.4.1 燃料热解 224
8.4.2 燃料氧化 225
8.5 分子束-光电离质谱技术测量基础火焰 228
8.5.1 层流预混火焰 228
8.5.2 同轴扩散火焰 230
8.5.3 对冲流扩散火焰 231
参考文献 232
第9章 在动力装置中的典型应用及发展趋势 241
9.1 内燃机 241
9.1.1 喷雾测量 241
9.1.2 流场测量 244
9.1.3 温度场测量 246
9.1.4 组分浓度测量 248
9.2 航空发动机和燃气轮机 252
9.2.1 流场测量 252
9.2.2 温度场测量 253
9.2.3 组分浓度测量 255
9.3 火箭发动机 259
9.3.1 流场测量 259
9.3.2 温度场测量 261
9.3.3 组分浓度测量 262
9.4 其他动力装置 265
9.4.1 流场测量 265
9.4.2 温度场测量 265
9.4.3 组分浓度测量 267
9.5 燃烧诊断技术的发展趋势 269
9.5.1 高时间分辨测量 269
9.5.2 高空间分辨测量 274
9.5.3 多物理场同步测量 278
参考文献 280
试读
第1章绪论
1.1燃烧诊断的研究意义
人类使用火的历史已经有几十万年,中国古代就有燧人氏钻木取火及天神伏羲为了解救人间疾苦而送来火种的故事。古希腊神话中有普罗米修斯为了解救饥寒交迫的人类盗取天火,将火种带到人间的故事。火为人类送来了温暖,帮助人们御寒、驱逐野兽与烹饪食物,直到今天,燃烧已经成为人类生产生活中*重要的动力和热量来源。2020年,英国石油公司的报告显示:目前,包括煤炭、石油和天然气在内的化石燃料的燃烧仍然提供了世界上约85%的一次能源消耗[1],并且在达到峰值之前,化石燃料的需求还将继续增长。因此,在工业生产方面,提高燃烧效率和降低污染物排放事关能源危机和可持续发展战略。不仅如此,优化燃烧组织形式从而提高发动机的性能和寿命在动力装置中同样至关重要。为此,人们对燃烧进行了孜孜不倦地探索,力求真正认识燃烧、改进燃烧并控制燃烧。如今,燃烧科学已经成为一门汇集化学反应动力学、流体力学、传热传质学和热力学等基础科学且面临许多实际应用需求的重要学科。燃烧科学的研究手段包括理论、计算机辅助模拟及实验研究。其中,理论研究为燃烧科学建立了基本框架,计算机辅助模拟研究基于理论研究成果开展实际过程模拟,实验研究则为燃烧科学建立了完善的理论体系并构建了精确的燃烧模型并提供了可靠的数据支持和强有力的验证工具。因此,燃烧诊断是认识和揭示燃烧规律的必然途径。
从早期的现象观察到今天借助各种科学辅助手段和工具,燃烧诊断主要测量与燃烧过程相关的化学组分和物理参数,包括燃料、中间产物、主要产物的定性和定量测量,以及燃烧过程中的压力、速度和温度分布等,并通过进一步分析得到火焰面位置、火焰面密度、火焰传播速度、着火延迟时间、拉伸率和标量耗散率等参量,以探究燃烧过程中的科学问题[2-17]。由于实际燃烧过程通常伴随高温、高压、湍流和多相流等非稳态过程,因此不同燃烧条件下的实验环境常有较大差异,这对实验诊断方法的适用性提出了较大的挑战。针对这些需求,基于物理化学和流体力学等学科发展而来的新的燃烧诊断方法不断涌现,不同的实验方法具有不同的探测目标,适用于不同的研究场景。本书将系统介绍燃烧科学研究中常用诊断方法的基本原理、实验方法及其应用。
1.2燃烧诊断的发展历史
火在人类社会发展中扮演着重要角色,人们对于火的探究也从未停止。人们早已开始从物质世界本身来寻求火的本质,中国古代哲学家提出了“五行说”,火为其中一行,古希腊哲学家也提出了类似的包括火在内的“四元素说”。17世纪末,德国化学家贝歇尔和施塔尔总结了前人对于火的实验和理论研究,提出燃素说:物质在空气中燃烧是物质失去燃素、空气得到燃素的过程。此后,燃素说统治了化学界达百年之久。然而,燃素说难以解释很多燃烧实验现象。1772年,拉瓦锡用锡、硫和铅做了著名的钟罩实验,并提出科学的燃烧学说,即氧化学说:燃烧的本质是物质与氧结合发生氧化反应[18]。氧化学说的提出不仅为燃烧科学的研究打开了新的大门,也带动了整个化学学科的蓬勃发展。事实上,在此后的很长时间,人们对于火焰的研究一直停留在基于表观的现象观察阶段,直到1857年,斯旺在火焰中观察到蓝光的明亮光谱带,并被后人证明为C2的发光谱线,现在称为斯旺光谱(Swan spectrum)[19]。1860年,本生和基尔霍夫将金属物质放在清洁的本生灯火焰中烧灼,观察到金属发出的光谱,创立了光谱化学分析法[20]。随着光谱学的发展,人们对于火焰光谱的认识也逐步加深。与此同时,其他的诊断手段也在不断发展。1875年,奥萨特发明了奥氏气体分析仪,并对蒸汽机尾气进行分析[2,21],其原理是利用不同的化学试剂吸收不同气体组分,并通过测量吸收前后的体积差来计算气体中各组分含量。该方法原理简单且价格便宜,但操作烦琐且精度较低,目前基本不再使用。
为了对燃烧中复杂的化学组分进行更准确的测量,利用探针采样结合色谱和质谱等灵敏的现代分析手段得到了广泛关注。1900年,俄国植物学家Tswett研究植物叶子的色素成分时发明了色谱法(或称层析法)[22]。此后,色谱法广泛应用于气相、液相物质的分离与分析。1958年,Ferguson等将色谱应用到燃烧研究中,对丙烷冷火焰中的主要氧化产物进行了分析[23]。色谱具有较高的灵敏度和优异的化学组分分离能力,能够实现对燃烧反应中低浓度组分的探测及对部分同分异构体的有效鉴别[24],因此广泛应用于燃烧科学的研究。在色谱法发明后不久,英国科学家Aston于1919年发明了**台质谱仪,凭借其强大的组分鉴别能力与高灵敏度很快在科学研究和工业生产中得到了广泛应用。1947年,Eltenton将质谱应用于宽温度范围的反应器中,检测到寿命较短的反应中间产物,并证实其来源于碳氢化合物的裂解[25]。Eltenton的研究表明可以通过对反应区进行采样并利用质谱进行定量分析,从而探究燃烧过程中产物浓度的变化。如今,质谱已经成为燃烧诊断强有力的工具之一。质谱技术因检测速度快,分离和鉴定可同步进行,在燃烧反应动力学研究中扮演着极其重要的角色,尤其是近20年来,真空紫外光电离质谱技术在燃烧与能源中的应用越来越广泛[15, 16, 26-28]。
1960年**台激光器问世,这一发明引发了科学研究的革命,也为燃烧诊断方法的发展开辟了新的道路,深刻影响了燃烧实验科学的研究进程。激光*一无二的单色性、相干性和准直性等优异特性,使燃烧中的组分、速度和温度无扰动测量成为可能。1964年,激光多普勒测速技术被发明并用于单点流场测速。随后,各种基于激光的光学诊断方法被发明并用于燃烧研究中,如激光诱导荧光、粒子图像测速、激光诱导炽光和拉曼散射等[4-7, 10]。经过多年发展,当前的激光器拥有更短的脉冲、更高的能量、更快的重复频率和更好的光束质量;另外,光探测器具有更好的敏感性、更大的动态范围和更高的采样帧频;同时,计算机等其他电子设备的不断进步,以及各类分析算法的不断优化,也使基于激光的光学诊断方法得到快速发展。诸多光学诊断技术从单点测量、线测量逐渐发展到二维和三维测量,从单一组分、单一参量的测量到多组分、多参量的同步测量,从时间积分或时间平均的测量到瞬态高速时间分辨的测量,使光学诊断技术越来越适用于复杂的燃烧环境。
当前,燃烧诊断为燃烧科学的研究提供了数据支持,带来了更多新发现。本书主要描述当前燃烧科学实验研究中常用诊断方法的原理和应用,为读者开展燃烧实验研究所选择的适当诊断方法提供参考。
1.3燃烧诊断的研究方法
燃烧科学的研究尺度跨度很大,包括宏观的火焰结构到微观的化学反应。一般来说,宏观的实验参数主要包括燃烧过程中的火焰形态、流场、压力、温度、着火延迟时间和火焰传播速度等,而微观化学组分的实验研究则主要测量反应物、产物及包含原子、分子和自由基等各类中间产物的浓度变化和分布等。
根据测量方法与测量对象之间的媒介关系,可以将燃烧诊断方法分为接触式和非接触式这两类,见表1.1。其中,非接触式燃烧诊断方法大多基于光学手段,并可以进一步细分为成像法和光谱法。接触式燃烧诊断方法则需要依赖各类物理探针与待测对象的直接接触以获得温度、流速等物理信息,抑或通过原位采样再结合色谱、质谱等其他分析手段进行化学组分分析。接触式方法相对于非接触式方法的主要优势是实验操作简便、成本低廉、方法成熟。但是,探针的引入对火焰或反应本身将产生扰动,从而影响测量结果的准确性。
基于测量对象的不同,人们也常将燃烧诊断方法分为流场诊断方法、组分诊断方法、温度诊断方法和颗粒诊断方法等。与此同时,同一种诊断手段可以同时测量多个物理量,如吸收光谱方法可以同时获得温度及主要燃烧产物浓度的信息,激光诱导磷光技术可以同时测量温度和流场等。此外,对于同一物理量,不同诊断方法也存在测量精度、测量维度等方面的差异,例如,对于温度测量,吸收光谱方法一般只能获得视线平均的温度信息,而反斯托克斯拉曼散射光谱方法则可以获得单点的更高测量精度。
表1.1总结归纳了一些燃烧诊断方法的具体分类,在下面的章节中将对其中较常见的方法进行更详细的介绍。
表1.1燃烧诊断方法的分类 1.3.1速度测量
典型的接触式流场速度测量方法包括热线风速仪测速和皮托管测速等,其涉及的基本原理较简单,在此不再赘述。非接触式流场测量手段种类较多,主要包括激光多普勒测速(laser Doppler velocimetry,LDV)、粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)等依赖示踪粒子散射信号的测量手段及分子标记测速(molecular tagging velocimetry,MTV)等无需示踪粒子的测量手段。其中,典型的LDV测量装置包括两束单色激光光源,激光在待测流场中交汇从而产生干涉条纹,当流场中的运动粒子(人为加注或燃烧流场中自有)经过激光交汇区间并散射激光信号时,其干涉条纹特征会因多普勒效应而发生变化,并且多普勒频移与粒子运动速度成正比。由此,通过对干涉信号的测量即可进一步推算出流速信息。PIV方法一般需要人为加注示踪粒子,并引入激光光片照亮粒子,通过相机拍摄粒子图像并求解相邻图像中粒子的位移来获得粒子移动速度。随着高频高功率激光器和高速相机技术的快速发展,粒子图像测速技术也逐渐从平面二维测速发展到三维测速,其测量时间分辨率也逐渐满足高速流场中的测量需求。因此,PIV方法是目前燃烧诊断领域*常用的测速手段。
除此之外,MTV和背景纹影(background oriented schlieren,BOS)方法等也在流场测量中具有较广泛的应用。其中,MTV方法通过激光激发待测流场中的气体分子发生能级跃迁,并利用高速摄像记录分子能级跃迁发光(磷光、荧光等)的过程,再基于对相邻图像的比对分析即可获得流场流速信息。相比于PIV方法,MTV方法更适用于难以加注示踪粒子的场景,如高马赫数条件下或高速度梯度分布条件下的流场测量。BOS方法是基于流场密度梯度的测量方法,在实际燃烧流场中,密度梯度可能因涡结构、浓度梯度、温度梯度或激波产生,因此,BOS方法测量所得的速度只代表空间结构的速度,如旋涡的对流速度或压缩激波速度,而不一定等同于当地流速。
1.3.2组分测量
接触式的组分测量方法一般利用毛细管或分子束对火焰进行采样。在毛细管采样过程中,不稳定中间产物易与毛细管壁发生碰撞而猝灭,因此该法仅适用于稳定产物的检测。而分子束方法则利用圆锥形石英喷嘴尖端的小孔进行采样,由于采样喷嘴上下游的压差,化学组分通过石英喷嘴时近似绝热膨胀,经快速冷却形成无碰撞的自由分子束流,从而避免组分发生进一步反应。尽管接触式测量方法的采样过程不可避免地会对火焰产生一定扰动,但通过优化喷嘴的结构可以大幅降低其影响[29, 30]。*后,采样所获得的样品还需要结合色谱、质谱和傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)等方法进行组分分析。
非接触式的组分测量方法多依赖激光与待测组分间的吸收、散射及发射等过程来获得特征光谱信号,再借助光谱分析获得组分分布信息。在燃烧诊断应用中,大部分气体分子的吸收光谱信号集中在红外波段,对应待测组分的转动及振动能级跃迁。非接触式的吸收光谱方法常直接测量激光经待测火焰前后的光强变化来得到原位组分信息。但由于吸收光程较短,大部分非接触式吸收光谱方法的测量灵敏度和检测限均低于FTIR方法。基于散射原理的组分测量手段中*主要的是拉曼散射光谱(Raman spectroscopy)方法,其光谱信号多对应待测分子的振动及转动能级跃迁。拉曼散射光谱可测量的组分一般都是中心对称的非极性分子,而吸收光谱可测量的组分需要具有分子内的偶极矩,所以多为极性分子。在某种程度上,吸收光谱和拉曼散射光谱在组分测量能力上具有互补性。基于发射光谱的组分测量方法主要包括化学自发光光谱(chemiluminescence