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1、 第31卷 第1期实验流体力学Vol. 31,No. 1 2017年02月Journal of Experiments in Fluid M echanics Feb. , 2017 文章编号:1672- 9897(2017)01- 0001- 12 doi:10. 11729/syltlx20160104 基于激光诱导炽光法进行碳烟测量的研究进展刘福水,花 阳* ,吴 晗,高永利,吴 昊(北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081)摘要:激光诱导炽光法( Laser Induced Incandesence, LII)是一种非接触式的光学诊断方法,可获得激光片光照射薄层内瞬时碳烟的二维分
2、布,具有较高的时间与空间分辨率,已经成为一种重要的碳烟测量技术。本文首先介绍了LII技术的发展历程和基本原理,然后从数值模拟、定性和定量测量3个方面详细综述了LII用于碳烟测量的技术方法以及国内外的研究进展,并对今后的发展提出了建议。实现定量测量的标定方法主要有采样法、 LII结合消光法( Light Extinction M ethod, LEM )和双色法LII( 2- Color Laser Induced Incandesence, 2C- LII) ,其中2C- LII因实现相对简单,可以在线实时标定,因此在国内外获得了较大的发展。本文通过总结国内外LII技术在测量碳烟方面的研究成果
3、,希望让国内同行了解该方法的研究现状以及该方法在揭示碳烟生成氧化机理方面的重要作用,为其今后的发展提供一些参考。关键词:激光诱导炽光法( LII) ;碳烟;定量测量;光学诊断;研究进展中图分类号:TK421 文献标识码:A收稿日期:2016- 06- 27;修订日期:2016- 08- 05*通信作者E- mail: huayanghenan 163. com引用格式:Li u F S, Hua Y , W u H , et al . Research progress on soot measurement by laser induced incandescence . Journal o
4、f Experi ments in Fl uidM echanics, 2017 , 31 ( 1 ) : 1- 12 .刘福水,花 阳,吴 晗,等.基于激光诱导炽光法进行碳烟测量的研究进展.实验流体力学,2017 , 31 ( 1 ) : 1- 12 .Research progress on soot measurement by laser induced incandescenceLiu Fushui, Hua Yang* , W u Han, Gao Yongli, W u Hao( School of M echanical Engineering, Beijing Institu
5、te of Technology, Beijing 100081, China)Abstract: Laser induced incandescence is a non- contact optical diagnosis method. W ith thismethod, we can obtain the two- dimensional spatial distribution of instantaneous soot within thethin layer of incoming sheet laser. This method has become an important
6、measurement technolo-gy of soot due to its high spatial and temporal resolution. This paper first introduces the develop-ment of LII technology and basic theory. Then the technical methods of LII and research progressat home and abroad are summarized detailedly from three aspects, that numerical sim
7、ulation,qualitative and quantitative measurement. The LII mathematical model mainly includes M eltonmodel, Liu model and M ichelsen model. These models can be used to predict the change rule ofLII signal and also lay a foundation for the test of soot particle size. To realize quantitative meas-ureme
8、nt, the calibration of LII signal is necessary. This is also one of the difficulties in LII meas-urement. There are mainly three methods for calibration, that are sampling technique, lightextinction method ( LEM ) and 2- color laser induced incandescence ( 2C- LII) . The samplingtechnique is less us
9、ed because it will disturb the combustion process and mix impurities. The LII-LEM needs two laser systems and uses the measuring result of LEM to calibrate the LII signal,so its operation is complicated. Nevertheless, 2C- LII does not need other measurement technolo-gy and can realize online real- t
10、ime calibration. Since this method is relatively simple, it developsrapidly and has achieved many significant results. Naturally, LII technology still needs improve-ment, such as optimizing the incident laser wavelength and energy, controlling the uniformity oflaser sheet, perfecting the LII mathema
11、tical model, and extending the application in complexenvironment. Through summarizing the research achievements of LII technology, this paperaims to emphasize the research status and the importance of this method in understanding thesoot formation and oxidation mechanism, and providing some referenc
12、es for its future development.Keywords: laser induced incandescence; soot; quantitative measurement; optical diagnosis;research progress0 引 言碳烟是碳氢燃料燃烧产生的主要污染物之一,对人体和环境有极大的危害。碳烟的形成是一个多层面的复杂过程,不仅包括十分复杂的气相反应,还包括从气态到固态的相变过程以及后续颗粒的生长、聚集发展过程,其详细的生成氧化机理至今仍未能很好地了解,而明白其生成氧化机理却是降低碳烟排放的理论基础。目前碳烟机理的研究主要建立在对火焰内部
13、碳烟的实时观察和定量测量上。光学诊断技术作为一种非接触式的测量手段,可以提供碳烟浓度和粒径方面的信息,而且不会对燃烧过程产生干扰,因此这种测量技术在深入了解碳烟生成机理以及降低碳烟排放方面具有重要意义。目前常见的碳烟光学测量技术包括:消光法( LEM ) 、散射法( LS) 、双色法( TC)和激光诱导炽光法( LII) 。其中前3种方法都是对光程方向上的碳烟进行测试,得到的是一个光程方向累积碳烟的平均值,不能反映出碳烟的二维分布情况,所以采用片状激光进行进一步的空间解析是必需的。而LII可以获得片状激光照射薄层内瞬时碳烟的二维分布,信噪比高,还可以满足缸内高温高压等复杂环境下的测试需求,其已
14、经发展成为一种重要的碳烟测量技术,必将在揭示内燃机的碳烟生成氧化机理、燃烧优化以及降低碳烟排放方面有着十分广阔的应用前景 1 。国外关于LII测试技术的应用已经取得了很多成果,而国内的相关研究虽起步较晚,但发展迅速,近10年来也取得了一些研究成果。本文介绍了LII技术的基本原理和发展历程,并详细综述了国内外LII技术在碳烟研究方面的进展。1 激光诱导炽光法的基本原理2当激光照射碳烟粒子云时,碳烟颗粒因吸收了激光能量会被迅速加热,温度迅速升高到4000K左右,并发出与升高温度相对应的黑体辐射,其辐射信号强度与激光照射区域的碳烟体积分数成正比。因此测量碳烟受激后的LII光强信号,再结合相应的标定方
15、法即可得到碳烟体积分数的定量分布。在激光照射之后,碳烟粒子因为向周围辐射、传递热量以及表面升华等,温度会逐渐降低, LII信号也随之衰减,而不同粒径的碳烟粒子具有不同的比表面积(即表面积与体积之比) ,其温度衰减的速度不同,粒子越小比表面积越大,温度衰减的速度越快。因此通过采集碳烟粒子在激光照射之后LII信号的变化曲线或者利用不同时刻LII信号的比值,再结合相应的LII数学模型通过计算即可得到粒径信息。2 LII用于碳烟测量的研究进展1974年W eeks等 3利用二氧化碳激光器激光照射气溶胶粒子时,首次发现了激光诱导炽光现象,并认识到其可能用于粒径的测量。 1977年Eckbreth 4在研
16、究拉曼散射时发现火焰中碳烟颗粒在激光照射下会发出炽光,至此正式提出了激光诱导炽光( LII)的概念。 1991年Dec等 5首次将LII方法应用于柴油机缸内碳烟的测量实验中。此后, LII逐渐发展成为一种重要的碳烟测量技术。目前, LII用于碳烟的研究主要有数值模拟、定性和定量测量碳烟3个方面,定性测量是直接利用LII拍摄得到光强分布图,定量测量是利用其他光学测量技术或测量原理对LII信号进行标定,实现定量测量。下面将从数值模拟、定性和定量测量3个方面详细综述LII在国内外的发展情况。2. 1 数值模拟在LII测量中,碳烟颗粒被激光脉冲加热到4000K左右发出热辐射。这一过程发生在很短的时间和
17、长度尺度内,包括一系列物理化学现象,如激光能量吸收、热传导、升华、辐射、退火等。早期的很多LII模型如M elton模型 6 、 Dasch模型 7以及Hofeldt模型 8 ,都认为颗粒内能的增加是由激光加热所导致的,而碳烟的热量损失则是由升华、传热和辐射所导致的(如图1所示) 。这些模型的差异主要是在引发热损失的子模型上。而后出现的Liu模型 9- 10和Bladh模型 11- 13与早期模型的差异主要是低激光能量密度下模型中碳烟的光学和热学性质,如碳烟比热、吸收函数和热适应系数,以及高激光能量密度下碳烟升华模型的改变。其中高激光能量密度下的激光加热过程至今仍然没能很好了解,由于缺少准确的
18、碳烟物性参数使得升华模型仍存在很大的不确定性。图1 碳烟粒子能量平衡示意图Fig. 1 Energy balance schematic of soot particle2实 验 流 体 力 学 ( 2017)第31卷 M elton等 6于1984年首次对激光诱导炽光现象进行了详细的数学描述,建立了利用LII测量碳烟体积分数和粒径的理论基础。该模型假定碳烟的光学和热学性质,如密度、比热、热适应系数、比热容等与温度无关,并提出在高激光能量和最高温度下,吸收的激光能量等于升华的热量,此时的炽光信号强度I与粒子数密度N p、粒径dp和采集波长之间的关系是I = C1 N p d3+ 0. 154/
19、 p ,当采集波长足够大时,I= C1 N p d3p,炽光信号强度正比于碳烟颗粒的体积浓度。M ichelsen等 14于2003年提出了一种新的LII模型,该模型除了能量吸收、内能改变、辐射、升华和传热项以外,还考虑了基于测量速率的氧化、基于石墨化速率的退火和融化机制,并引入了随温度改变的热适应系数和热容量。研究发现,在激光能量密度为0 0. 9J/ cm2范围内,该模型相比M elton模型与试验结果的一致性更好,能量密度在0. 1J/ cm2以上时,颗粒温度取决于能量吸收和升华之间的平衡,在低激光能量密度下,颗粒温度不会达到升华温度,此时温度主要由能量吸收和传热决定。激光脉冲之后,碳烟
20、温度主要受控于传热冷却速率。形成更多有序相碳的颗粒退火预计出现在激光能量密度低至0. 02J/ cm2时,该过程会严重影响升华速率,而且该过程中辐射系数的改变会增加信号衰减速率。Smallwood等 15利用一种详细的LII数学模型,在大气压强下的层流扩散火焰条件下研究了初始碳烟颗粒直径的多分散性对碳烟体积分数和LII信号之间关系的影响,并针对大而热的粒子在传导冷却过程中的LII信号偏差以及升华对碳烟质量损失的影响提出了2个量化指标:粒子发射强度分布函数和碳烟体积分数尺度。结果表明,单分散碳烟颗粒的碳烟体积分数与LII信号严格成比例。粒子发射强度分布函数可以清楚地表明大颗粒对于LII信号有更多
21、的贡献而小颗粒在传导冷却过程中会从LII信号中消失,由此造成的信号偏差程度取决于不同尺寸颗粒温度的不均匀性和探测波长。在低激光能量密度下,碳烟体积分数在激光脉冲过后相当长的时间内(约200ns)与LII信号成比例。在高的激光能量密度下,会产生升华,碳烟体积分数仅在短暂的10 15ns内与LII信号成比例,因此LII信号应该尽早探测甚至在激光脉冲达到峰值之前。Bejaoui等 16对2种LII模型研究,一种是基础模型,另一种是以M ichelsen模型为基础的扩展模型。首先在大气压强下利用波长为1064nm的YAG激光对CH4预混层流火焰在不同激光能量密度下的相对LII信号强度的变化以及不同高度
22、处的碳烟平均温度进行了测试,而后与2种LII数学模型的计算结果进行了对比。结果发现在低的激光能量密度下采用取决于火焰高度的碳烟吸收函数可以使实验和计算结果更加吻合。而在高的激光能量密度下2种模型都不能准确反映LII信号的变化情况以及碳烟的平均温度。浙江大学王飞等 17提出了一种激光诱导炽光法( LII)测量碳烟的数学模型,对激光脉冲照射过程中的碳烟温度与粒径的变化进行了计算,并和M elton论文中的结果进行了对比,证明了模型的有效性。而后计算了火焰温度、初始粒径、激光波长和功率对碳烟加热过程的影响。结果发现,火焰温度对测量的影响很小,粒径初始值越大,激光波长越小则粒子在加热中达到的温度越高。
23、激光的功率对测量的影响很大,因此实际测量时必须选择合适的激光功率。在此研究基础上,北京理工大学何旭等 16基于该模型进一步探究了入射激光波长和能量密度对碳烟粒子受激过程的影响。结果发现,入射激光波长为532nm时结果较为理想,激光能量密度对LII测试的影响很大,需要依据实验具体选择;还发现碳烟粒子的初始粒径可以依据温度衰减速率来计算。这些数学模型的建立和研究可以用来预测LII信号的变化规律,为进一步的实际测量奠定了基础,也为实际利用LII测试粒径奠定了基础。2. 2 定性测量Dec等人 5在一台可视化单缸直喷重型柴油机上,搭建了LII测试系统(如图2所示) ,利用YAG激光器,激光波长为532
24、nm,得到了距缸盖底部11. 1mm处,不同曲轴转角下柴油和参考燃料2种燃油的碳烟分布,并进行了定性的对比分析。通过信号的强弱来反应碳烟浓度分布的相对强弱,结果表明,碳烟在油束中心和边缘生成,且在整个碳烟区域内是连续分布的。之后, Dec等 19- 20又结合LII与散射法( LightScattering, LS)对缸内直喷式柴油机缸内碳烟的生成和氧化过程进行了定性研究,发现相比LII散射法测量的准确性较差,并提出柴油机产生碳烟的根本原因是多环芳香烃( Polycyclic Aromatic Hydrocar-bons, PAHs)的化学作用以及扩散火焰中的空气卷吸量。 2000年Dec等
25、21又结合LII与激光诱导荧光法(测试系统如图3所示)采用2个激光器, 2个相机同时得到OH的二维荧光信号和soot的二维炽光信号。研究发现,远离壁面区域的不完全燃烧是导致碳3 第1期 刘福水等:基于激光诱导炽光法进行碳烟测量的研究进展 烟排放增加的主要原因,尤其是随着喷油定时的推迟和稀释气的增加(模拟EGR) 。而造成不完全燃烧的原因主要是排气门打开前的燃烧时间不够充足以及剩余碳烟区域边缘燃烧反应的停止。图2 实验装置示意图Fig. 2 Schematic diagram of experimental set- up图3 LII- LIF测试系统示意图Fig. 3 Schematic di
26、agram of LII- LIF test system上海交通大学田波等 22在一个水冷式平面燃烧器上,结合激光诱导炽光法( LII)与激光诱导荧光法( LIF) ,定性研究了火焰温度和当量比对预混合乙烯火焰中碳烟及其前驱物生成特性的影响。结果发现,碳烟浓度变化与其前驱物的浓度变化相一致,随火焰温度和当量比的增加, LII信号与LIF信号均增强,表明碳烟及其前驱物的相对浓度均升高。华中科技大学陈亮、成晓北等 23- 25在一台高温高压定容燃烧弹内,结合激光诱导炽光法( LII)和高速摄影,对柴油喷雾燃烧火焰及碳烟生成的二维分布进行了定性的测量分析。研究了在不同喷油压力、环境压力和环境温度下
27、燃烧火焰以及油气混合特性对碳烟生成的影响。结果表明,柴油扩散火焰浮起长度内的空气卷吸量是影响碳烟形成过程的一个重要因素,喷射压力的升高以及环境压力和温度的降低会导致炽光信号的强度减弱,即碳烟体积分数的减小,碳烟主要形成于相对浓混区的喷雾下游包围在火焰面内的喷雾团内。2. 3 定量测量LII要实现定量测量,需要对LII图像进行标定,这也是LII测试技术的难点之一。目前常见的标定方法有3种:第一种是利用采样技术,这种方法原理简单但会对燃烧过程产生干扰,并会混入杂质,影响标定结果。第二种是用激光消光法( LEM )来标定LII,该方法是将LEM的激光衰减信息与LII的二维炽光分布相结合,拟合出LEM
28、的KL因子与LII信号沿LEM激光方向上的积分值之间的线性关系,进而得到标定系数。但这种方法需要2套激光系统,测试系统复杂,且要求LII的片状激光与LEM的点激光在同一平面内,操作较难;第三种是Snelling等 26提出的双色法LII( 2C- LII) ,该方法首先通过对已知辐射强度的标准光源进行校准得到光强敏感系数,而后在测试中同时采集2个波长下的LII信号,再通过2个信号的比值计算出碳烟粒子温度和体积分数。该方法的实现相对简单、可在线实时标定,且可以采用低的激光能量密度,避免了碳烟升华,从而更好地保持了碳烟形态。2. 3. 1 采样法亚琛工业大学Greis等 27在一台高压共轨柴油机上
29、结合LII和高速摄影测量了碳烟的生成氧化过程以及火焰发展图像,并采用采样阀方法对LII信号进行校准实现了定量测量,得到了不同时刻下碳烟浓度的二维分布。研究表明,在燃烧过程后期,碳烟大部分集中在燃烧室凹坑的中心区,没有被氧化,这主要是由于燃烧室中心区的气流运动较弱,导致相对低温区域的产生,使碳烟的氧化作用减弱,因此可以通过优化燃烧室形状来改善碳烟氧化状况。采样法虽然可以直接对火焰中碳烟进行采样分析,但这种方法的测量速度很慢,在取样和测量间无法保证实时在线,并且对燃烧过程造成很大的影响,同时还会混入杂质,这些都会影响标定结果。因此目前这种方法在LII的标定中应用较少,但采样与透射电子显微镜法相结合
30、经常作为LII测量碳烟粒径的一种校验方法。2. 3. 2 激光诱导炽光法消光法(LII- LEM)消光法( LEM )的原理是光束在穿过碳烟粒子云时其光强信号会发生衰减,利用探测光强I和入射光强I 0二者的关系可以得到光程方向累积碳烟体积分数的值。计算过程如公式( 1) ( 4)所示 28 。I = I 0 exp( - L0kdx) = I 0 exp( - KL) ( 1)KL = - ln( I/ I 0 ) ( 2)4实 验 流 体 力 学 ( 2017)第31卷 fV = - 6 ( 1 + sa) Im( m2 - 1m2 + 2) k = ke k ( 3) L0 fV ( x)
31、 dx = k e KL ( 4)式中: K为光程的平均吸收系数, L为激光束穿过碳烟的光程长度, k为光程上某点处的吸收系数,fV为光程某点处的碳烟体积分数, sa为碳烟粒子对入射光的散射与吸收光强之比(一般取0) , m为碳烟的复折射率,为入射激光波长, ke为无量纲消光系数。激光诱导炽光法消光法( LII- LEM )是用LEM的测量值来标定LII,测量时LEM激光光束所在的直线和LII激光片光位于同一平面上,这样就可以利用LEM测量得到的光程方向的碳烟体积分数值来标定LII信号图像上LEM光程所在区域对应的碳烟体积分数。首先将LEM光程所在区域的LII信号强度I LII进行积分得到(
32、KL) LII,如公式( 5) ,而后将其代入KL LII =L0I LIIdx ( 5)如前面所述激光诱导炽光法( LII)测量得到的激光片光照射区域中某处的LII信号强度( I LII)与碳烟体积分数( fV )成正比。如令该比例系数为c,则二者关系可表达为:fV = c I LII ( 6)将( 3)式和( 6)式代入( 5)式中,可以得到:KL LII = 1cL0fV dx = c keL0kdx = c ke KL LEM( 7)因此比例系数可以表达为( 8)式,再利用得到的比例系数,根据( 6)式即可求得整个LII二维图像的碳烟体积分数的分布 28 。c = ke KL LEMK
33、LLII( 8)LII- LEM法可用于多种环境下的碳烟测量,是一种较为常用的定量测试方法,在用于稳态层流火焰的测量时, LEM和LII可以单独进行,而对于瞬态湍流火焰二者必须同时进行。该方法中LEM的测量较为简单,但碳烟复折射率的不确定性对该方法标定结果的准确性影响较大,而且该方法需要2套激光系统,且要求LII的片状激光与LEM的点激光在同一平面内,这一操作难度较大。美国宾夕法尼亚州立大学的Pinson等 29在一台倒置结构的可视化柴油机上,结合LII和散射法( LS)研究了碳烟的生成特性。首先利用消光法( LEM )对乙烯扩散火焰的炽光信号进行标定。然后将标定的结果应用在光学发动机的碳烟测
34、量中,实现了碳烟的定量测量。在距燃烧室底面3mm处开始取3个测量平面(相距3mm) ,对上止点后2 CA到50 CA内的碳烟生成过程进行测量,获得了粒径、粒子数密度和碳烟体积分数。De Francqueville等 30在一台光学直喷式汽油机上,结合LII和消光法( LEM ) ,利用LEM对二维LII图像进行校准,对燃烧过程中缸内的碳烟体积分数场进行了定量测试,研究了喷射策略和EGR率对碳烟生成的影响,并根据均质富燃条件下的碳烟测量结果验证了该方法的有效性。结果表明,碳烟主要产生于高温富燃区域,在燃烧上止点后90 CA内,碳烟氧化过程对碳烟浓度的降低起主要作用,而碳烟氧化过程主要受控于碳烟与
35、羟基间的混合。止点后90 CA以后,因为缸内温度降低,不会出现碳烟氧化反应。Pastor等 31在一台光学柴油机上,同时使用LII、LEM和双色测温法对柴油机火焰内部的碳烟分布进行测试,研究了4种不同燃料,正癸烷( n- Decane) 、正十六烷( n- Hexadecane) ,及2种混合燃料,对碳烟生成的影响,并对3种测试技术的敏感性、性能以及优缺点进行了评估。图4为4种燃料碳烟体积分数的二维分布的对比,发现正癸烷和混合燃料( 50Dec50Hex)的碳烟浓度较低,正十六烷的碳烟最高,说明随分子量增加,碳烟的生成增多。图4 不同燃料碳烟体积分数分布Fig. 4 Soot volume f
36、raction distribution of different fuels清华大学郑亮等 28, 32- 33设计了可满足高温高压环境下碳烟测试要求的LII- LEM测试系统(如图5所示) ,解决了LEM在高温高压下的光束偏转和背景光强实时修正的问题,以及LII在发动机测试中激光同步信号的频率波动问题,并在层流扩散燃烧器和定容弹上验证了方法的有效性。而后应用该测试方法在定容燃烧弹中研究了石脑油和宽馏分燃料的碳烟生成特性。此外,还实现了GDI汽油机缸内碳烟浓度分布的定量测试,研究了空燃比和喷油策略对缸内碳烟生成特性的影响。结果表明,石脑油的碳烟初5 第1期 刘福水等:基于激光诱导炽光法进行碳
37、烟测量的研究进展 始生成距离和生成启动时间均比柴油长,碳烟浓度峰值比柴油低。宽馏分燃料测试发现随着汽油掺混比的增加,碳烟初始生成距离和生成启动时间均增加,碳烟浓度峰值降低。图5 高温高压环境下LII- LEM测试系统示意图Fig. 5 Schematic diagram of LII- LEM measurement system in ahigh pressure and high temperature environment浙江大学潘振艳等 34利用激光诱导炽光法测量燃煤氢气火焰中纳米级含碳粒子的体积分数和粒径,并利用双波长消光法对不同流量燃煤氢气火焰中符合瑞利散射条件的纳米级颗粒体积分
38、数进行了验证。基于该研究成果,浙江大学陈玲红、左磊等 35- 36结合激光诱导白炽光法( LII)和消光法( LEM )测量了丙烷火焰中纳米碳粒以及燃煤丙烷火焰中纳微米碳粒的粒径和浓度。对燃煤丙烷火焰中LII信号衰减曲线进行三段指数函数拟合,通过对信号衰减特征时间的分析确定其中存在3 m、 2nm和21nm 3种粒径。并采用消光法( LEM )对炽光信号强度进行标定得到对应的平均体积分数为0. 18、 0. 16与0. 19ppm。2. 3. 3 双色法激光诱导炽光法(2C- LII)双色法-激光诱导炽光法( 2C- LII)是由Small-wood、 Snelling等 26, 37- 38
39、于2002年提出的一种最新的标定方法,具体就是同时采集2个波长下的LII光强信号,根据2个光强信号的比值,利用公式( 9)和( 10)分别计算出碳烟受激后的温度Tp和体积分数fV 。 62E( m1) 61E( m2) exp -hckT p (1 1 -1 2 ) =V Exp1V Exp2 2 1GExp2GExp1 ( 9)fV = V Exp wbG Exp 12 c2h 6 E( m ) exp(hck T p ) - 1- 1( 10)式中: 1, 2为选用滤光片的中心波长, h为普朗克常数, c为光速, k为玻尔兹曼常数, E( m )为在波长下的碳烟吸收函数, V EXP为IC
40、CD输出的信号强度,GEXP为探测系统的增益, wb为激光片光厚度。 ( )表示ICCD在波长下对于光强的敏感系数,即输出信号与照射光强度的比值,可以通过使用标准光源对采集系统进行标定获得。2C- LII法利用LII信号自身就可以完成标定,不需借助其他测量手段,实现相对简单,而且在任何环境下测试时均可以实现在线实时标定。此外该方法不需像传统LII方法那样将碳烟加热到升华温度,因此可以更好地保持碳烟的形态和体积分数信息。但该方法也存在不足之处,在高碳烟浓度环境下,探测装置与激光片光面间的碳烟粒子云会造成探测装置采集到的LII信号发生衰减,这会对标定结果产生影响。鉴于该方法的众多优点,其已经发展成
41、为目前十分热门的LII定量测试方法,广泛应用于燃烧器层流稳态火焰及气缸内复杂环境中的碳烟测量。目前利用2C- LII定量测量碳烟体积分数二维分布的方法从校准系统上看主要有2种:一种是利用光电倍增管( PM T)系统的点校准方法,用2个光电倍增管同时采集测试点处2个不同波长下的LII信号,计算出该测试点的碳烟体积分数,再将若干测试点处的碳烟体积分数映射到利用ICCD所拍摄的整幅LII图像上,从而实现二维定量测量。这种方法较为适合燃烧器稳态火焰的碳烟测量。另一种是二维面校准方法。这可以利用双像器( Image Double)来实现,试验中将双像器装在ICCD相机的镜头前,即可将同一视场信息变成2个
42、图形信号。通过在双像器前装上6实 验 流 体 力 学 ( 2017)第31卷 2种不同的滤光片,可一次拍摄同时得到2种波长下的二维LII图像,再根据2波长下LII强度的比值通过计算即可得到二维碳烟体积分数分布。这种方法不仅可用于燃烧器稳态火焰的碳烟测量,而且还可用于缸内等复杂环境下的碳烟测量。Boiarciuc等人 39在一台扩散燃烧器上搭建了双色法LII测试系统(如图6所示) ,利用光电倍增管系统同时采集405和650nm 2个波长下的LII信号,然后对ICCD相机在不同燃烧器高度( Height AboutBurner, HAB)拍摄的二维图像进行标定,获得了异辛烷层流扩散火焰中碳烟体积分
43、数的定量分布,如图7所示。在此测试的基础上,在一台高压直喷光学柴油机上研究了正庚烷(体积分数95% )和 -甲基萘(体积分数5% )混合燃料的碳烟生成特性,得到了不同曲轴转角时的碳烟浓度分布。图6 实验装置示意图Fig. 6 Schematic diagram of experimental set- up图7 火焰内碳烟体积分数分布Fig. 7 Soot volume fraction distribution in flame运用同样的方法, Aronsson等 40在一台重型柴油机上研究了EGR对一种混合燃料(正庚烷体积99% ,润滑油体积1% )初期碳烟(上止点前6 CA到上止点后9
44、CA)生成的影响。结果发现从燃烧开始到预混燃烧结束的时间内,碳烟首次出现的时间随着O2摩尔分数的变化而改变;预混燃烧阶段没有明显的碳烟,但碳烟形成与预混燃烧相的结束有密切关系; O2摩尔分数较低时,预混燃烧结束时刻和碳烟形成时刻均延迟。为了更全面地理解2C- LII测量过程中所包含的物理化学过程, M affi等 41在一台预混燃烧器上,利用2C- LII方法对不同燃烧器高度处以及不同激光能量密度下的2个波长( 530nm和700nm)的LII信号变化曲线进行了采集。再根据之前通过热电偶测量得到的气体和颗粒初始温度以及事先利用透射电镜( TEM )和消光/散射光测量得到的碳烟初始粒径,并结合模
45、型计算结果得到不同燃烧器高度处的碳烟吸收函数和热适应系数。结果表明,随着火焰高度的变化出现的所谓初期碳烟和成熟区碳烟与其光学特性和换热特性密切相关,因此针对不同高度,应选择不同的碳烟吸收函数和热适应系数。碳烟吸收函数的取值在0. 3附近,但热适应系数取值却有很大的不同,取值范围为0. 22 0. 34,其中对于初期碳烟是0. 22,对于成熟区碳烟是0. 34。Bladh等 42同样采用2C- LII并结合TEM法研究了乙烯预混火焰碳烟生长区域的碳烟光学特性,根据加热颗粒的温度与气体温度的差异估算出碳烟吸收函数E( m) 。 E( m)虽然不能准确确定,但其趋势是随着燃烧器高度增加而增加。此外2
46、C- LII与TEM得到的颗粒尺寸不同,这主要是因为2C- LII没有考虑颗粒的聚合效应,而且热适应系数随着燃烧器高度降低而降低。国内LII技术的应用虽然起步较晚,但鉴于双色法LII具有很多优点,因此近几年在国内也获得了较快的发展。清华大学王宇等 43搭建了一套基于PM T的双色法LII碳烟浓度测试系统(如图8所示) 。在G lder燃烧器上,研究了外加电场对乙烯火焰内部碳烟生成的影响。并且利用双色法标定法得到了在外加正反电压下,碳烟浓度分布随着电压变化的二维分布图像。标定系统主要包括2个光电倍增管,利用分光镜将标定点处的LII信号分别投射到2个光电倍增管上, 2个倍增管前分别装有中心波长为425和590nm的滤波片,采集到2个波长下的LII信号,利用公式( 9)和( 10)求出标定点处的碳烟体积分数,再通过映射匹配,得到了整个二维图像的碳烟浓度分布。清华大学的何旭 44- 45在一台可以产生层流扩散火焰的液体燃烧器上,采用与王宇同样的标定方法,获得了不同掺混比下的生物柴油扩散火焰中碳烟的二维定量分布。此外,他还运用激光诱导荧光法( LIF) ,对碳烟前驱物多环芳香烃的二维分布进行了定性测试。研究发现,随着生物柴油掺混比的增加,7 第1期 刘福水等:基于激光诱导炽光法进行碳烟测量的研究进展