基于激光的测量技术在燃烧流场诊断中的应用

刘晶儒 胡志云

(西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024)

1 引 言

燃烧是当今世界上能量转换的主要方式之一，广泛应用于能源、电力、交通运输等重要领域。燃烧又是多学科交叉的领域，涉及工程热物理、化学、流体力学、地球物理、生态学等学科。国际上，许多发达国家从20世纪80年代起就大力开展燃烧理论、实验及诊断技术研究，并在工业发动机研发及其相关领域得到广泛应用。我国对燃烧领域的研究起步较晚，但近年来开始快速发展。燃烧领域事关国家安全和经济社会发展的全局，有效地利用能源、提高燃烧效率和减小燃烧产生的污染至关重要，而面临的主要挑战源自对基础燃烧现象的理解。

激光燃烧诊断技术是以激光器件、光谱物理、光电探测、数据图像处理等为基础的非接触式测量技术，当前已发展成为燃烧实验研究的主要测量工具之一。与传统的接触式测量手段相比，其具有如下优势：首先，它是非侵入式测量方法，对燃烧流场基本没有扰动，测量结果能更好地反映真实的燃烧过程；其次，测量信息丰富，可获取燃料雾化、流动速度、燃烧场温度及组分浓度等各种信息，有利于较全面地了解燃烧过程；第三，它具有很高的时空分辨力，其时间分辨力可以达到纳秒甚至飞秒量级，空间分辨力可以达到毫米甚至微米量级，可为认识和理解发动机湍流与燃烧相互作用提供信息；第四，能够用于燃烧流场参数的可视化测量，结合图像处理与图像显示等手段，可以显现燃烧场的各种变化特性。

本文从发动机湍流燃烧场诊断的需求和面临的挑战出发，结合本课题组在激光燃烧诊断技术领域的研究工作，对基于激光的主要测量技术的基本原理、在燃烧场诊断中应用的国内外研究现状进行介绍，并对存在的主要问题和发展趋势进行探讨。

2 工业发动机湍流燃烧场诊断需求及面临的挑战

工业发动机包括内燃机、燃气轮机、航空发动机、冲压发动机、火箭发动机等，是先进的航空、航天、航海以及陆地运载工具的核心部件，其燃烧效率、燃烧稳定性、动力性能和污染物排放等性能均与发动机湍流燃烧过程的本质规律密切相关，也决定于发动机高效燃烧的组织与调控。

发动机的研制需要大量地面试车台的模拟试验来验证工程设计和理论建模的准确性，流动和燃烧参量(例如，速度、温度、组分浓度等)的高时空分辨测量是认识和理解发动机湍流与燃烧相互作用现象和规律的重要手段，精确的实验测量数据是进行发动机性能评估的基础；另一方面，随着高性能计算技术的迅速发展，涉及燃烧化学反应的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)高保真模拟已发展成为发动机燃烧室高效燃烧组织与调控的预测设计方法，但其需要大量的发动机燃烧室内燃烧流场测量数据的支撑，从而对网格生成、数值方法、物理模型等CFD中的关键问题进行系统地验证。

工业发动机燃烧过程非常复杂，其特点主要有燃烧空间受限、流动速度高、混合强度高、燃烧强度高、工作范围宽和参数突变等。影响发动机燃烧的主要影响要素是：燃烧化学反应、燃烧与流动的相互作用和极端条件。燃烧反应动力学的复杂性体现在反应机理涉及成百上千种中间组分和成百上千步基元反应。发动机湍流燃烧的复杂性表现为强旋流、交叉射流、回流等多尺度湍流涡旋和火焰的相互作用。而极端条件包括高压、高温、超声速、宽当量比、强边界约束、参数突变等。由于湍流燃烧的高度复杂性，其流动和燃烧的众多参量交织耦合在一起，对温度场、速度场、火焰面结构、主要组分浓度进行定量测量难度很大。

在处于高压、高温等严苛环境的现代燃烧系统中，基于激光的测量技术既能为燃烧基础研究提供测量手段，同时也能在实际燃烧装置中，为燃烧效率最大化、污染最小化提供经验性的解决策略。此外，激光诊断技术在解决实际燃烧问题如催化燃烧、火焰抑制、燃烧控制、燃气轮机和内燃机的燃料注入与混合、材料燃烧合成等方面都具有重要的作用。

3 基于激光的测量技术及其应用进展

3.1 组份浓度测量技术

燃烧过程中主要组分浓度是关键参数之一，不仅决定了整个燃烧过程的效率，而且与燃烧反应动力学、燃烧速率密切相关。

浓度从10-2到10-12量级的微量组分的化学反应动力学对于研究燃烧问题起着十分重要的作用，主要的问题涉及到污染物形成(NOx、SOx、碳烟、有毒有机化合物)、火焰点火和火焰抑制等，微量组分空间分布的测量还可以反映火焰的精细结构，确定燃烧反应发生的位置。《应用燃烧诊断学》第二章列举了与火焰化学应动力学研究相关的60种不同微量组分及其测量方法[1]。但到目前为止，微量组分中研究最多的是OH、NO以及CH自由基，它们在火焰中具有重要的作用，并且检测方案比较成熟。

自发拉曼散射(Spontaneous Raman Scattering，SRS)技术是燃烧场主要组分浓度测量的重要方法；激光诱导荧光(Laser-Induced Fluorescence，LIF)技术是微量组分测量的有力手段，该测量技术简单易行，并且有用于理论解释的数据库以及二维成像能力；腔衰荡光谱技术(Cavity Ringdown Spectroscopy,CRD)是一种高灵敏度的吸收技术，可以探测低浓度的化学反应中间产物，也能探测不辐射荧光的分子，并具有可定量标定的能力；光学相干的偏振光谱(Polarization Spectroscopy,PS)技术特别适合背景噪声较强、而且不辐射荧光的情况下中间产物浓度的测量。我们将分别介绍这些技术。

3.1.1 自发拉曼散射技术

燃烧场主要组分浓度的测量常采用自发拉曼散射技术。激光作用到气体分子时会产生弹性瑞利散射，同时还会产生较弱的非弹性散射即拉曼散射。拉曼散射光与激励激光存在一定的频差，该频差与激励激光的波长无关，由散射分子的振动和转动能级决定。不同的分子，振动能级往往各不相同，因此，理论上一次激发即可获得被测气体中所有组分的拉曼光谱，通过光谱分析可以获得被测气体的组分信息，同时还可以根据各组分拉曼光谱的强度，计算出各组分的摩尔分数。

(1)

图1 测量的燃料与空气混合比的分布(曲线1为平均值，曲线2为RMS值)[3] Fig.1 Experimental mean(curve 1) and RMS fluctuation(curve 2) mixture fraction data[3]

SRS信号强度与照射激光频率的四次方成正比，由于SRS信号极弱(比瑞利散射信号小3个量级)，为提高信号强度，实验测量一般采用短脉冲大功率紫外激光器。但是，燃料为煤油时，紫外激光很容易激发煤油产生强的荧光干扰，因此发动机燃烧室实验大多采用小分子燃料作为替代燃料开展研究工作。例如，N.R.Grady等人[3]采用基于248 nm可调谐KrF准分子激光的SRS方法测量了超燃冲压发动机燃烧室主要反应物和生成物浓度分布，并有此获得了燃料与空气混合比的分布(如图1所示)，实验采用70%的甲烷和30%氢气混合作为燃料。L.Wedr等人[4]采用基于355 nm激光的SRS方法，测量了以天然气为燃料的高压燃气轮机燃烧场，获得了激光传输线上主要反应物和生成物浓度一维分布定量结果，实验数据用于校验燃烧室内湍流燃烧过程的大涡模拟(large eddy simulations,LES)。近年来，R.J.Locke等人[5]采用长脉冲大能量532 nm激光代替紫外波长激光，对燃料为JP-8航空煤油的燃烧室进行测量，获得了探测区主要燃烧产物种类及其平均浓度数据，但单脉冲拉曼谱仍不能提取出定量信息。本课题组利用355 nm 激光激发拉曼散射，开展了煤油燃烧场主要组分测量,着重分析了煤油荧光的特征及其对拉曼信号的干扰，并获得了贫油燃烧状态下燃烧场主要组分的典型拉曼散射谱及其摩尔分数随时间的变化(如图2所示)[6]。这些研究为SRS方法应用于发动机燃烧室测量提供了很好的借鉴，但如何抑制煤油等大分子碳氢燃料与激光作用产生的光谱噪声干扰并对极微弱拉曼光谱信号进行高效探测仍需深入研究。

图2 煤油燃烧场主要组分拉曼散射谱(左)及主要组分摩尔分数随时间变化(右)[6] Fig.2 Typical measured Raman spectrum(left) and mole fractions of the major species(right) in kerosene flame[6]

因商用Nd∶YAG激光器的激光脉宽通常为纳秒级，经透镜聚焦后的高功率密度激光很容易产生激光诱导击穿辐射等干扰。为此，采用激光分束和延时合束方法，利用多个相互串联的环形光学腔构成激光脉冲展宽器，通过调谐腔长，可把纳秒级激光展宽至近百ns。在激光能量衰减不太大的前提下有效降低激光峰值功率密度，且展宽前后激光光束质量基本不变，可基本消除激光诱导击穿光谱的干扰，获得航空煤油燃烧场信噪比高的拉曼光谱[7]。

3.1.2 激光诱导荧光技术

激光诱导荧光技术是定量测量微量组分浓度最常用的方法。LIF技术通常采用窄线宽激光将分子或原子激发至高能级，然后采集与入射激光有一定频移的荧光信号。LIF技术具有非接触、多组分测量、高选择性、高测量灵敏度(达ppb量级)、高空间分辨率(达50 μm)，可二维测量等优势，还可实现时间分辨的单脉冲测量。

已有若干综述性文章论述了LIF技术及测量，其发展历史可参考两本激光燃烧诊断著作[8-9]。发表在《Progress in Energy and Combustion Science》期刊上的两篇文章尤其值得关注。Kohse-Höinghaus[10]全面介绍了火焰中微量组分探测实验(超过700篇参考文献)。Daily[11]介绍了LIF的数学模型，包括碰撞导致的复杂模型并给出了实验和设备的详尽细节。

在LIF实验中测量的激光单脉冲荧光信号SF(以mV为单位)由下式给出[1]：

SF=BILΓτLNfBΦFf l(Ω/4π)εηV,

(2)

式中，B为Einstein吸收系数除以光速，IL为单位面积的激光功率谱密度除以激光带宽，Γ表示激光与吸收线宽之间卷积，τL为激光脉宽，N为电子基态上的分子数；fB为Boltzman分数，表示能够被激光激发的处于特定电子振转能级的那部分分子，Φ为激发态的荧光量子产额，Ff l为探测器带宽内收集的荧光份额。剩下的几项，Ω为探测器收集荧光的立体角，ε和η分别为探测器的传输和光电效率，V为作用区的体积。需要指出的是，此方程只适用于线性区，即当BILΓ足够小时，基态只有很少一部分粒子被激发。

但若获得精确的定量测量结果，LIF技术还有许多复杂的问题需要考虑。其中主要涉及测量过程中碰撞和能级转移。图3为自由基OH的荧光过程能级示意图。由于大多数激发态能级的寿命在数十纳秒至百纳秒之间，而常压环境下典型的碰撞时间约为100 ps，所以处于激发态的粒子在辐射光子之前会发生很多次的碰撞。而碰撞会导致激发态的粒子以无辐射跃迁的方式返回基态，即产生淬灭，从而大大降低荧光的产生效率。但是，淬灭并不是影响荧光信号的唯一因素，碰撞会频繁地诱导能级转移过程，激发态上不同振转能级的粒子数也会因转动能级转移(Rotational Energy Transfer，RET)和振动能级转移(VibrationalEnergy Transfer，VET)而改变，从而进一步导致荧光光谱复杂化。碰撞淬灭主要取决于探测的能级量子数、温度、压强以及碰撞对象(即火焰的化学成分)，需在LIF定量测量中通过标准火焰进行标定或通过测量火焰成分来计算淬灭修正值。对于湍流场，要求LIF技术为瞬时测量，而瞬时条件下的淬灭速率的标定与计算极为困难。Kohse-Höinghaus[10]、Schiffman和Chandler[12]的综述性文章以及Daily和Rothe的文章[13]详细地给出了淬灭和能级转移在LIF技术定量测量组分浓度和温度时的作用。

图3 自由基OH的能级转移过程示意图 Fig.3 Schematic diagram showing energy transfer processes in the OH radical

有几种方法可以实现无淬灭的LIF测量。第一种方法是激光诱导预分离荧光(Laser Induced Predissociative Fluorescence,LIPF)技术，即激励激光将粒子激发至一个预分离态，若能级的预分离速率P远大于碰撞淬灭速率Q，那么产生的荧光信号几乎不受碰撞淬灭的影响[14]。另一种方法是饱和荧光技术(Saturated LIF)，即激励激光的能量非常强，那么荧光信号的强度将与碰撞淬灭和激光强度无关。然而，这两种方法受基态能级的能级转移影响非常大，所以也不易实现定量测量。理论模拟和实验表明，大部分分子在与LIPF所用的强激光光场作用过程中，其量子态会改变。此外，即使使用高功率激光，达到完全饱和也是不可能的，激光脉冲在时间和空间边缘上的不饱和状态使探测信号的定量分析很复杂。短脉冲光谱技术为实现无淬灭的LIF测量提供了一个很好的选择。如果LIF技术的激励激光脉冲时间比典型的分子间碰撞时间短，且使用适当的探测系统，那么就可以降低淬灭效应对LIF技术的影响。

图4 超燃冲压发动机燃烧室OH浓度分布图像[15] Fig.4 OH PLIF images for hydrogen injection at each of the equivalence ratios[15]

LIF技术信号强，采用片状激光可测量湍流燃烧中间反应物浓度的空间分布，这种方法称为平面激光诱导荧光(Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF) 技术。例如，Byrne等人[15]采用PLIF方法测量了以氢气为燃料的超燃冲压发动机燃烧室内两种燃料注入方式的OH浓度分布，获得了湍流燃烧火焰结构(图4)，研究了不同燃料配比下氢燃烧现象及规律，并对CFD进行校验。Strakey等人[16]对1～8 bar压力下的涡轮燃烧室内OH和CH浓度分布进行了测量研究，起因于较长寿命OH的扩散，由OH荧光图像的浓度梯度分布能够获得火焰结构，但会丢失火焰前锋面的细节信息，火焰前锋面精细结构的测量需要借助寿命极短的CH荧光图像。利用PLIF技术进行组分浓度空间分布测量必须考虑无辐射淬灭的影响，这需要详细地了解淬灭受温度、压强和局部组分环境的影响，通过恰当的荧光激励线选择将淬灭效应的影响降到可接受的水平，此时才可以认为在可容忍的误差范围内组分浓度与荧光强度成正比[17]。另外，在高压强、高超音速流动、强湍流度等极端条件下，高时空分辨荧光图像才能反映大梯度精细结构和多尺度涡系结构。

由于分子能级结构的差异，PLIF探测火焰中不同种类小分子微量组分时，采用的激励激光波长通常并不相同，激发的荧光信号一般借助合适的光谱滤光片也能够进行区分。因此，PLIF适合多组分的同时可视化测量。例如，瑞典隆德大学燃烧中心采用多组分PLIF同时可视化技术研究湍流火焰的结构特性，获得了高湍流度射流火焰中多组分(OH/CH2O/CH/HCO)的瞬时空间分布图像，其成像空间分辨力在50～70 μm，观察到湍流燃烧中的分布式反应区模态，还揭示了湍流与化学反应以及射流剪切层之间的复杂相互作用[18]。PLIF技术简单的光路布局使其容易与其它测量技术组合实现多参数的测量。例如，Slabaugh等人[19]联合采用PIV和PLIF测量发动机模型燃烧室湍流燃烧速度场(图5)和OH浓度分布(图6)的演化过程，用于发展工业燃烧装置的CFD 仿真软件。

图5 时间序列速度场测量结果[19] Fig.5 Sequence of instantaneous velocity field measurements[19]

图6 时间序列OH-PLIF图像[19] Fig.6 Sequence of corrected PLIF images at flame[19]

3.1.3 腔衰荡光谱技术

腔衰荡光谱技术(CRD)是一种先进的光学吸收测量技术，其选择性好、灵敏度高，并具有定量标定的能力，可用于火焰中化学反应中间组分浓度的直接定量测量。CRD技术只要求分子能吸收激光，因此也能探测不辐射荧光的分子。在该技术中，一束脉冲激光被调谐到感兴趣的分子的某个吸收线上，少量的光进入由两个反射镜构成的光腔，火焰放置在光腔中。

腔内激光能量随时间变化的表达式为：

I=I0e-[(1-R)+σρd]ct/L,

(3)

式中，I0为初始激光能量，R为腔镜反射率，L为腔长，d为腔内吸收介质的长度，σ为吸收截面，ρ为吸收组分的浓度。根据公式(3)，激光在腔内来回传播一次的损耗率为2[(1-R)+σρd]，所以吸收的测量便可转化为对激光随时间衰减的测量，即时间常数τ=L/{[(1-R)+σρd]}c。可以看出，CRD测量的是激光衰减过程，而不是绝对的激光能量I0，所以CRD技术对激光脉冲能量抖动不敏感。

与其它的吸收光谱方法一样，CRD技术在路径上空间分辨率有限。如果相关的吸收系数已知并精确地确定有效路径长度，则这种直接吸收法能提供一种免标定的绝对浓度测量方法。但是，若沿腔吸收路径上的吸收分子不是均匀分布，则定量测量时就必须考虑实际的分布。用LIF技术可获得吸收组分空间分辨的相对浓度分布情况，结合CRD技术可得到吸收组分浓度分布所需的定量浓度值。

CRD技术已成功应用于燃烧场中CH[20-24]、OH[25-26]、CN[22]、CH2[27]、CH3[28]、 CH2O[29]、HCO[30]等组分浓度的测量。

3.1.4 偏振光谱技术

偏振光谱技术(PS)是基于光子吸收技术、偏振光技术、多普勒光谱技术的一种非线性光学综合诊断技术。与其它燃烧诊断技术相比，PS 技术具有很多优点：第一，PS 信号强度不受碰撞淬灭的影响或限制；第二，对那些不辐射荧光的组分具有探测能力(例如多数碳氢化合物)第三，PS 信号是类激光信号，与探测光同向，收集效率高、易于探测。

PS一般需要两束激光：一束较强，用作泵浦光；另一束较弱，用作探测光，这两束激光具有特定的偏振状态。一般情况下探测光为严格的线偏振光，泵浦光为圆偏振光。当两束激光共同作用到探测区域且激光的频率与介质共振吸收频率相同时，泵浦光将使原本各向同性的介质变成各向异性介质，此时，当探测光通过这一区域后，其偏振状态会发生改变。通过测量探测光偏振状态的变化量可以获得介质的部分参量信息。通过定量分析可得到信号强度的表达式[31-32]：

(4)

式中：Isig表示信号强度，I0表示探测光的强度，L为相互作用区域的长度，χ为线型函数，Δα0表示介质对探测光的两个分量吸收系数之差的最大值，它与所探测介质基态特定能级上的粒子数成正比。由公式(4)可知，在其它参数不变的条件下，PS信号强度与被测组分粒子数的平方成正比，因此，实验中通过所测的PS信号强度即可获得被测组分的粒子数。PS测温一般采用双线法，通过选择基态两个不同的转动能级，分别测量各自能级对应的信号强度，根据信号强度可计算出两个转动能级对应的粒子数，再结合热平衡条件下的玻尔兹曼分布公式，即可获得介质温度。

图7 在乙炔-氧气火焰中利用圆偏振泵浦光获取的C2偏振光谱。上部：两偏振片相互垂直；底部：当检偏器略微偏离垂直位置时获得的色散线型[35] Fig.7 Polarization spectrum of C obtained in an acetylene-oxygen flame for circularly polarized pump beam. R-branch triplets are clearly resolved. Top:the two polarizers are crossed. Bottom:dispersive line profiles are obtained when the analyser is slightly opened from the crossed position. The vertical scale is the same for both panels

PS被若干研究团队用于OH[33-34]、NH[34]、C2[35]、CO和NH3[36]的测量。图7显示了在预混乙炔-氧气焊枪中火焰区记录的C2偏振光谱，探测灵敏度估计优于1018m-3[35]。

本课题组建立了二维PS 实验诊断系统，测量了CH4/air 预混火焰、酒精灯火焰中OH 的二维分布；并成功将该技术应用到对固体燃剂燃烧场的诊断，获得了燃烧场中OH 的二维分布，实验结果对了解燃烧场构造，研究燃烧机理等有一定的参考价值[37]。

PS在实验上比其他非线性光学技术简单，但由于窗口的应力双折射，PS的应用或许将主要局限在开放火焰。

3.2 温度测量技术

温度是燃烧研究中的关键参数之一，不仅决定了整个燃烧过程的效率，而且与燃烧释热及污染物生成密切相关。此外，燃烧设备的热应力分布决定了材料的选取、寿命和可靠性。因此，准确、可靠的温度测量有助于湍流燃烧过程的理解以及实际燃烧装置的性能改进。迄今为止，已发展了很多种基于激光的温度测量技术，但至今仍没有一种测温技术能满足所有的测量要求，所以需要根据具体的探测对象和测量需求选择合适的测量技术。目前，相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering，CARS)、瑞利散射(Rayleigh Scattering，RS)、基于双线法的平面激光诱导荧光(Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF)等技术已广泛用于燃烧流场的温度测量。

3.2.1 相干反斯托克斯拉曼散射测温技术

CARS测温技术是一种相干技术[38]，具有信号方向性好、不易受强光背景干扰、测温精度高等优点，已被广泛用于各种复杂燃烧环境温度的测量，例如宽压强范围的航空涡轮/涡扇发动机[39-40]、内燃机[41-42]、超燃冲压发动机[43-44]等模型燃烧室流场温度的测量。

CARS技术[38]是依据探测介质的拉曼位移选定窄带泵浦光束和宽带斯托克斯光束(>100 cm-1)，并以相位匹配方式聚焦到燃烧火焰区与探测介质相互作用，由三阶非线性效应产生共振CARS信号。在满足相位匹配条件时，CARS信号强度表达式为：

(5)

式中，n1、n2、n3分别为泵浦光、斯托克斯光和CARS光折射率，I1为泵浦光强度，I2为斯托克斯光强度，l为有效作用区长度，ω3为CARS信号角频率，x(3)为三阶非线性极化率，c为光速。

CARS的信号强度与三阶非线性极化率x(3)模的平方成正比，x(3)通常包括被测介质的温度、组分、浓度等信息，决定了CARS光谱的线型轮廓，采用CARS实验光谱与理论光谱线型拟合的方法可实现温度的反演，其测温范围在200～3 000 K。在燃料和空气混合燃烧场中，氮气含量丰富且氮气的CARS理论谱计算已十分成熟，因此通常选取氮气作为探测组分进行温度测量。当然，一些无氮气的火焰也可采用其它组分开展CARS测量，例如火箭发动机中H2/O2燃烧场，便可选择H2作为探测对象。由于氢气具有非常大的转动和振转结合的相互作用常数，所以H2-CARS谱通常是由少数几条间隔较大的转动线构成，这些谱线即使在高温情况下也具有很高的强度。此外，H2的拉曼谱线宽度要比N2窄10至100倍，使得H2的CARS谱对激光源的模式结构更为敏感。

CARS测温系统主要采用调Q-Nd∶YAG二倍频激光器及其泵浦的染料激光器，重复频率一般在10～100 Hz，单脉冲CARS信号的时间分辨力在ns量级。采用BOX CARS[43]或USED CARS[45]相位匹配方式，沿激光传输方向空间分辨力可达mm量级。CARS为单点测温技术，通过探测点的扫描移动，借助图像重建算法，也可以获得二维平均温度场信息[46-47]。CARS系统极其精密复杂，其光路布局参见文献[48]，为满足发动机试验台苛刻试验条件，本课题组研发了可移动式高集成度CARS测温系统，测量重复频率10 Hz，单脉冲时间分辨力约10 ns，测量点空间分辨力约φ0.1 mm×3 mm，在CH4/air预混火焰中测温不确定度约40 K。该系统具备以下优点：模块化设计、高集成度、易于调试、远程控制、良好的恶劣环境适应性，具备空间二维扫描测量能力[46]。

研发的可移动式CARS测温系统已成功应用在航空涡轮/涡扇发动机和超燃冲压发动机模型燃烧室内部流场温度的测量，图8为发动机燃烧试验CARS诊断现场布局照片。图9为航空涡轮/涡扇发动机模型燃烧室内部流场温度测量结果[46]。图9(a)为航空煤油燃烧过程测量的典型脉冲平均CARS实验谱与理论谱拟合结果，其CARS实验谱的信噪比与CH4/air预混火焰测量的脉冲平均CARS谱相当。图9(b)为采用空间扫描方式(相邻探测点间隔5 mm，每一探测点测量时间19 s)测量的主燃孔中心前10 mm与喷嘴中心轴线垂直截面的温度场分布，每个探测点的温度值为19 s内的平均温度。图10为2 Ma来流条件下以氢气为燃料的超燃冲压发动机模型燃烧室出口温度测量结果[49]。图10(a)为典型单脉冲CARS实验谱与理论谱拟合结果，其CARS实验谱的信噪比与CH4/air预混火焰测量的单脉冲CARS谱相当。图10(b )给出了燃烧过程温度随时间变化的结果，整个燃烧过程CARS测量的温度平均值为1 705 K，CFD理论计算温度值为1 723 K。CARS测温结果不仅验证了CFD模型的合理性，而且还反映了燃烧过程的不稳定性。在ns CARS技术中，产生共振CARS信号的同时会产生非共振四波混频信号，特别是在高压强火焰测量中，非共振信号的存在会降低CARS技术的测量精度和灵敏性[50]，可采用偏振技术来消除非共振背景的影响[51]，也可采用基于ps和fs激光的超快光谱CARS技术抑制非共振背景[52]。

图8 发动机模型燃烧室CARS测量现场布局照片 Fig.8 Schematic setup for the temperature measurement of model combustor based on CARS

图9 航空发动机模型燃烧室内部流场平均温度测量结果[46] Fig.9 Average temperature measurement results of a model aero-engine combustor[46]

图10 超燃冲压发动机模型燃烧室出口流场温度随时间变化[49] Fig.10 Measured temperature versus time at the exit of scramjet engine

在可移动式CARS测温系统中，采用特殊的光学设计，实现了可调谐二极管吸收光谱技术和CARS技术的共线测量[53]， 并利用建立的测量系统在超燃发动机模拟试验台不同位置处开展了温度测量实验,测量结果为发动机提供了更为全面的温度信息，便于分析发动机的燃烧过程及流场结构，为燃烧室设计以及计算流体动力学模型验证提供参考。

3.2.2 瑞利散射测温技术

瑞利散射(RS)由光子与分子间的弹性碰撞产生，其信号强度正比于总的分子数密度。若探测对象压强已知，则可依据理想气体状态方程，由RS信号强度计算温度。RS信号强度表达式为[54]：

(6)

式中，S为瑞利散射信号强度；η为光学采集效率；I为激光强度；N为总的分子数密度；Ω是探测系统的采集立体角；V为探测体积；(∂σ/∂Ω)mix为混合气体的有效微分散射截面，其值由混合气体依据各组分的摩尔分数的加权平均得到[54]，即：

(7)

式中，xi为第i种组分的摩尔分数。

从上式可以看出，瑞利散射法测量温度需要知道探测对象的组分种类及其浓度。特别是湍流燃烧场的组分及其浓度是瞬态变化的，这要求在RS信号测量过程中同步获取组分信息。因此，RS测温技术常与自发拉曼散射技术进行联合测量，由测量的主要组分信息可计算混合气体的有效微分散射截面，这对于温度的精确测量是必要的。使用高脉冲能量的激光器和高探测灵敏度的像增强型CCD相机，RS技术有足够的信号强度实现单脉冲二维温度场测量，而且RS测量系统相对简单的光学布局有利于与其它光学技术进行组合测量。RS技术可在洁净的、低辐射的、开放火焰中获得良好的测温结果。对于受限空间内的火焰测量，需要采用一定的措施(例如，燃烧室壁面的发黑处理)抑制杂散光的干扰，即使如此，也仅能在远离壁面的区域获得有效数据。在含有碳烟的火焰中，由于碳烟带来的米散射的强干扰，RS技术很难直接应用。目前，RS测温技术仍局限在H2、CO/H2火焰，以及小分子碳氢燃料的洁净火焰。

瑞利散射光与流场中颗粒物及壁面散射光的重要区别在于瑞利散射光的光谱会随温度升高而展宽。因此，在RS探测光路上插入在激光波长处存在强吸收极窄凹陷的分子吸收池，过滤颗粒物及壁面引起的散射光，温度展宽的瑞利散射信号被探测器接收，从而可获得高信噪比的瑞利散射信号，这种方法称为过滤瑞利散射(Filtered Rayleigh Scattering，FRS)。FRS信号强度表达式为[55]：

(8)

式中，S为FRS信号强度，C为与光学系统有关的常数，ν为激光频率，T为待测温度，Mk为第k种粒子的分子质量，τ(ν)为分子过滤器的透过率曲线，Rk(ν,p,T,Mk)为瑞利散射光谱线型函数。

由公式(8)知要从测量的FRS信号中提取流场温度信息，需要知道主要组分信息和瑞利散射光谱线型函数。对于湍流燃烧场，主要组分种类及浓度分布可结合SRS方法进行实时测量。瑞利散射光谱线型函数可由Tenti提出的S6模型[56]进行计算，该模型能够较为准确地模拟低压强下简单多原子分子的瑞利散射光谱线型，对于高压强燃烧环境中的瑞利散射光谱线型函数需要结合实验进行标定。

如果待测的湍流火焰压强已知，将火焰中的FRS信号强度S与室温空气中的FRS参考信号强度Sref相除，可以消掉与系统有关的常量C，得到如下表达式：

(9)

式中，T0为室温，P0为当地大气压强。

根据公式(9)拟合给出S/Sref随温度变化的理论曲线，由实际测量的S/Sref值与理论曲线进行比对，就可获得测量区域的火焰温度信息。FRS测温技术常采用二倍频Nd∶YAG激光器与碘蒸气吸收池的组合方案，相较于RS测温，FRS技术需要注入锁定的Nd∶YAG激光器，以保证输出极窄线宽的单纵模激光，更好地适配碘蒸气的吸收谱凹陷。Kearney等人[57]的研究表明FRS技术不仅能够有效消除壁面散射光的影响，使得近壁面和近光学窗口区域湍流燃烧场的温度测量成为可能，而且很容易与SRS技术进行组合实现温度和主要组分浓度的同时测量。

Kearney等人[58]采用FRS和激光诱导白炽光(Laser Induced Incandescence ，LII)进行组合，研究碳烟浓度对FRS测温的影响。碳烟是燃烧排放的重要污染物， LII是目前燃烧场碳烟浓度定量时空分辨测量的首选方法[1]。他们的研究表明：在0.1 ppm量级碳烟含量的C2H4火焰中，FRS技术能够有效抑制碳烟米散射对FRS图像的干扰，可拍摄到高信噪比的FRS图像并能够计算满足测量精度要求的温度场数据。

3.2.3 双线法PLIF测温技术

二维瑞利散射技术在简单燃料的洁净火焰应用中具有一定的优势，而双线法PLIF测温技术可应用于杂散光干扰严重导致瑞利散射测量失败的实际燃烧装置中。基于双线法的PLIF测温技术[18]的基本原理是合理选择两束不同波长的激光，使其在间隔百纳秒的极短时间内顺序通过燃烧火焰的同一位置，基于共振吸收将探测分子由基态中的量子态1和量子态2分别激励到激发态，处于激发态的分子向下跃迁产生荧光，选择合适的激光强度，使得荧光信号强度与激光功率密度成线性关系，测出相应激发态的荧光信号强度S1和S2以及入射激光强度I1和I2，气体中分子的转动能级处于热平衡状态时服从玻尔兹曼分布，温度表达式为[59]：

(10)

式中，k是玻尔兹曼常数，Ei代表量子态i的能量，C为标定系数。

由于OH在火焰反应区和高温区域中含量丰富且有众多的激励线可供选择，在燃烧场温度测量中常以OH作为激光作用介质。但也正是由于OH浓度很强的依赖于温度，所以OH-PLIF测温仅适用于T>1 300 K的燃烧环境。OH荧光谱位于入射激光的长波方向，从光谱上很容易与入射激光区分开，用合适的滤光片可有效减小碳烟和壁面散射光的干扰；采用特定波长窄线宽激光对OH进行激励，可避免其它燃烧产物引起的干扰。基于OH的双线法PLIF技术已用在以氢气为燃料的超燃冲压发动机模型燃烧室二维温度场的可视化测量[60]，以及煤油为燃料的航空发动机模型燃烧室内贫油燃烧区温度场测量(图11)[61]。需要注意的是采用紫外激光激发OH荧光会同时激发煤油荧光，煤油荧光光谱范围覆盖了OH荧光光谱，难以从时间或光谱上加以区分，煤油富油燃烧区温度场的定量测量会受到限制，如图11中黑色网格区域所示。

图11 双线OH-PLIF用于发动机模型燃烧室温度场测量典型结果[61] Fig.11 Two-dimensional temperature distribution in a jet-engine model combustor segment as measured using two-line excitation of OH radicals[61]

OH的能级结构很复杂，被激励至激发态后会经历碰撞能级转移、极化效应、淬灭、自发辐射、荧光等复杂的物理过程，因此采用一个已知温度火焰来标定PLIF技术是十分必要的。在很多燃烧环境下，特别是高压强环境中，由于谱线展宽的影响，使得仅激发单一的、分离的谱线不可行。此外，为了获得良好的信噪比，通常选择荧光信号强的谱线，而强的荧光谱线通常由两条或更多的谱线构成。因此，LIF双线法测温需要考虑谱线的结构而不是单一的谱线。在实际应用中，常采用数值模拟方法计算两条选定的荧光谱线强度比值随温度的变化关系，并在计算中考虑谱线压强展宽、激光线宽等因素的影响。

NO也可以作为PLIF的探测对象。NO的化学性质比较稳定，如果将其掺混至燃气中，那么NO将在整个火焰区域中存在。但是，NO荧光的主要缺点是其激励波长位于226 nm附近，激光在穿过火焰区过程中吸收很严重且很容易激发其它组分产生荧光干扰。Vyrodov等人[62]开展了高压强环境下层流CH4/air火焰NO-LIF测温研究。在27 bar压强下，通过最小二乘法拟合NO荧光谱方式反演的温度结果与CARS测温结果偏差在3%以内；但在贫油火焰中，O2荧光会严重干扰NO的荧光谱。为了克服226 nm激光易被吸收的缺点，可采用NO在248 nm附近的A-X带(0,2)荧光线进行测量[63-64]，但该荧光线仅适用于高温环境下测量。

为了避免碰撞淬灭和煤油荧光的干扰，可选择铟(In)原子作为探测对象。In原子采用410和451 nm激光进行激发并产生荧光，由于两个荧光过程中的能级跃迁共享同一上能级，能够抑制甚至消除由压强变化引起的荧光淬灭对温度测量的影响，其温度敏感范围在800～2 800 K，适用于宽压强范围燃烧反应区温度场测量。由于采用可见光激光进行激发，能够避免煤油荧光的干扰，适用于富油燃烧区的测量。In原子在流场中的撒播方式通常是将InCl3溶液添加至发动机燃料中，InCl3随燃料的流动分布在整个流场中，InCl3在燃烧反应区分解产生丰富的In原子。In原子的注入量应该控制在一定的范围内，以避免引起火焰冷却效应和In原子的强吸收。Kaminski等人[65]采用基于In原子的PLIF技术实现了1.4 MPa高压SI发动机内温度场的测量，实验中采用低的激光功率密度，保证了荧光强度与激光功率的线性关系，获得了曲柄不同转动角度的平均温度场图像，测温精度约14%，但单次荧光图像信噪比水平不高。Medwell等人[66-68]采用高的激光功率密度进行激发，获得了高信噪比单脉冲荧光图像，常压火焰的单次荧光图像测温误差约60 K。

3.3 速度测量技术

湍流燃烧涉及复杂的湍流流动，流场速度的测量可以确定湍流强度、剪应力和湍流动能，还可导出湍流长度和漩涡尺寸，速度场的测量可揭示环流与逆流区以及加速和减速区。基于激光的速度测量技术主要包括利用多普勒频移测速原理的激光多普勒测速计(Laser Doppler Velocimetry，LDV)和平面多普勒测速仪(Planar Doppler Velocimetry，PDV)，利用粒子位移测速原理的粒子成像测速仪(Particle Imaging Velocimetry，PIV)和分子标记测速技术(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)。前3种技术的工作原理、实验装置、数据处理方法和燃烧装置中的应用在文献[69]中有详细介绍，这3种技术在低温流场或较低马赫数高温流场中已获得很好的应用。但由于粒子跟随性问题或粒子不能耐受高温，这3种技术很难用于高温超高速流场的速度测量。

MTV技术是以分子作为标记示踪的流场速度测量技术，它与PIV技术的测量原理类似，都是根据示踪物在已知时间间隔内跟随流场的移动距离计算流场的速度分布。所不同的是PIV技术采用质量较大的粒子作为示踪物，而 MTV技术采用分子作为示踪物，能够克服PIV技术在超高速流动尤其是含有强激波的流场中的示踪粒子跟随性问题。能够用于流场显示的示踪分子需满足几个条件：(1)在空间上具有可区分性；(2)寿命足够长，通常要求在ms量级以上；(3)标记分子可辐射光或通过PLIF的方式被单独显示。表1列出了近些年学者们研究发现的一些标记示踪分子、产生这些分子的母体及标记方法[70]。

表1 几种标记分子

NO2、N2O、O3、磷光物质在燃烧场中可能分解或参与化学反应，使得标记的图像信噪比大大降低，因此主要用于低温流场速度的测量。振动激发态的O2作为标记示踪分子的方法[71]是利用两束激光(波长532和580 nm)将O2通过拉曼激发的方式激励到振动激发态作为标记示踪分子，并利用激光诱导荧光进行显示。由于激发是非线性过程，所需的激光功率密度比较高，标记区域较小，而且激光装置也比较复杂。虽然Webster和Lempert[72]对系统进行了进一步改进，但仍局限用于良好的实验室环境。Michael等人[73]最近提出了飞秒激光电子激发标记(Femtosecond laser electronic excitation tagging,FLEET)方法，他们利用飞秒激光非常高的功率密度(～1018W/m2)，通过多光子激发方式，与流场中的N2作用产生原子态N，N在复合的过程中产生长寿命宽带的可见光辐射，但飞秒激光器对运行环境要求较为苛刻。

这里主要介绍适用于高温高速流场速度测量的羟基分子标记测速(Hydroxyl Tagging Velocimetry,HTV)技术[70]。作为流场标记的羟基(OH)是用激光解离流场中的水分子产生的，它不需要从外部往流场中撒播粒子。HTV测速技术的工作原理是利用激光解离水(燃烧的主要产物之一)产生的OH作为示踪标记线，再用设定延迟时间的OH-PLIF激光片诱导OH产生荧光并显示OH示踪标记线位置，基于时间-位移相关算法计算流场速度。1988年，Shirley等人[74]使用输出波长为248 nm的氟化氪(KrF)准分子激光，利用双光子激发的方式解离水产生OH作为流场的标记示踪分子，但由于双光子吸收截面小，需要很高的激光功率密度。1999年， Wehrmeyer等人[75]对该方法进行了改进，利用氟化氩(ArF)准分子激光器输出的波长193 nm激光作为标记激光，利用单光子吸收激发的方式解离水产生OH标记，所需的激光功率密度显著降低，使得技术的实用性得到了大大的提高。在高温环境中，解离产生的OH寿命可达ms量级，而且更多的水分子处于振动的激发态，使得对193 nm光子的吸收截面大大增加(1 500 K温度下，水对193 nm激光的吸收是常温下的约500倍)。因此，HTV技术非常适合于高温亚声速至高超声速流场速度的测量。Pitz等[76]利用多线交叉网格HTV方法对超燃发动机燃烧室凹腔内2 Ma预热来流的速度分布进行了测量研究，给出了凹槽内速度的分布。Alexander等人[77]利用HTV方法对SR30缩比型涡轮发动机和全尺寸J85涡轮发动机的尾流进行了速度测量，得到了较好的速度图像。Perkins等人[78]利用该技术测量了置于激波管内头部为弓形和锥形的试件表面的流动速度分布，流场气体为含水的氦气。本课题组利用HTV技术获得了以煤油为燃料的超燃冲压发动机燃烧室内部流场速度分布和H2/air燃烧高温超声速羽流速度分布，图12为在H2/air燃烧高温超声速羽流中获得的标记线图像和计算的速度分布数据，其中(a)、(b)、(c)分别对应于羽流的膨胀区域、膨胀压缩中间区域和压缩区域[70]。

图12 高温超声速羽流单线HTV图像及速度分布结果[70] Fig.12 Single-line HTV images in supersonic plume[70]

3.4 多参数综合诊断

在湍流火焰中，混合过程和燃烧化学反应存在强烈的相互耦合，多参数的同时高时空分辨测量更利于理解湍流与燃烧的相互作用过程。例如，Barlow等人[79]联合1D-SRS、FRS和PLIF方法对温度场、主要组分浓度、火焰面结构标示物(OH/CO)浓度场进行同时可视化测量，获得了湍流燃烧温度场和OH/CO浓度场的精细结构，用于研究燃烧参数(雷诺数、油气比、燃料类型等)对湍流燃烧混合特性的影响规律。Boxx等人[80]采用高重频PIV和OH-PLIF组合，研究湍流与燃烧相互作用的动力学过程。Kothnur和Johchi等人[81-82]联合PIV和(CH/OH)PLIF方法研究小尺度湍流对火焰面结构及火焰动力学的作用机理。Sjoholma等人[83]采用多色PLIF方法实现了甲烷湍流火焰中四组分(OH/CH/CH2O/ toluene)的同时成像，并将其用来研究预混射流湍流火焰的结构特性。

随着计算机能力的提升，基于大涡模拟(Large eddy simulation，LES)[84]的CFD模型发展迅速。LES方法不仅能给出时间域的信息，描述不稳定效应；也能够获得空间相关的信息。因此除了定量逐点测量之外，为了达到验证的目的还需要空间和时间相关的信息，例如不同空间方向上的温度和组分浓度等标量的梯度及其时间相关性等[85]。美国桑迪亚国家实验室、德国宇航中心、澳大利亚悉尼大学等研究机构采用RS/SRS/PLIF技术对氢气、小分子碳氢燃料以及合成气的一系列湍流火焰进行了点、一维、二维测量，不仅获得了火焰温度、主要组分(CH4、O2、CO2、H2O、N2)和微量中间反应物(OH、NO、CO)质量分数，还获得了这些标量的梯度分布，测量的时间分辨力达到了纳秒量级、空间分辨力在几十微米～毫米范围，提供了一批可用于湍流燃烧机理研究和模型验证的实验数据[86-87]。近十年来，随着高重频大能量Nd∶YAG激光器和高重频微弱信号成像器件的发展，基于RS、SRS、PLIF技术的10 kHz以上时域成像技术在湍流燃烧诊断中已显现出巨大优势。例如，Sutton等人[88]采用10 kHz以上的高重频(OH/CH2O)PLIF、1D-SRS 和RS方法组合对清洁湍流火焰组分浓度及温度场精细结构的快速演变进行了可视化测量，研究燃烧释热对湍流强度及尺度、关键化学反应途径的作用机理等。高重频成像技术可以获得精细的时间相关标量，且能够进行湍流脉动测量，这对阐明湍流与燃烧的相互作用过程以及LES模型的时域验证十分重要。工业应用中，高重频时域成像技术在发动机点火和熄火研究、火焰稳定动力学研究，以及燃烧装置设计缺陷的监测等方面都能够发挥重要作用。

4 总 结

本文介绍了燃烧过程中主要关键参数包括组分浓度、温度、速度等的激光诊断技术及其应用。

自发拉曼散射技术是燃烧场主要组分浓度测量的重要方法，激光诱导荧光技术是微量组分测量的有力手段，腔衰荡光谱技术可探测低浓度的化学反应中间产物及不辐射荧光的分子，偏振光谱技术适合背景噪声较强且不辐射荧光情况下的开放式火焰中间产物浓度的测量。

相干反斯托克斯拉曼散射技术具有信号方向性好、不易受强光背景干扰、测温精度高等优点，一次测量通常仅能获得单点温度，通过截面内网格点扫描探测方式可获得二维空间分布平均温度场信息；基于双线法的PLIF技术可用于瞬时二维温度场的可视化测量，但其测温精度通常也会相应降低；瑞利散射技术可与自发拉曼散射技术以及激光诱导荧光技术进行组合实现温度和组分浓度的同时测量，但不适合大分子碳氢燃料火焰温度的测量。

激光多普勒测速计、平面多普勒测速仪、粒子成像测速仪在低温流场或较低马赫数高温流场中已获得很好的应用；以OH作为标记示踪的速度测量技术适合在高温超高速流动尤其是含有强激波的流场中测速。

激光燃烧诊断技术的开发和应用已是现代燃烧科学和应用技术发展的不可或缺的动力。随着高重频大能量激光器和高重频微弱信号成像器件的发展，多参数、高时空分辨的同时诊断将在湍流与燃烧相互作用机理研究、CFD仿真验证、发动机燃烧室设计中发挥越来越重要的作用。随着高性能高参数发动机技术的发展，高温、高压、高湍流度、煤油燃烧产物的复杂性等使得激光与燃烧场的相互作用更为复杂，光谱信号的高信噪比探测以及湍流燃烧参数的反演变得更加困难，激光燃烧诊断技术仍面临诸多问题与挑战。