蔡小舒，周 騖，楊薈楠，楊 斌，陳 軍，蘇明旭，李俊峰

( 上海理工大學(xué) 顆粒與兩相流測(cè)量研究所，上海 200093)

0 引 言

基于光譜和圖像等原理的燃燒與流場(chǎng)在線測(cè)量診斷技術(shù)，與傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量技術(shù)相比，具有非接觸、無(wú)干擾、空間分辨率高( 可達(dá)微米量級(jí)) 、時(shí)間分辨率高( 可達(dá)微秒級(jí)) 、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，可對(duì)燃燒及流場(chǎng)進(jìn)行二維及三維高精度的測(cè)量，可視性強(qiáng)，形象直觀。因此，近年來(lái)這些技術(shù)在航空航天、汽車(chē)制造、能源等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-4］。

從1990 年代起，上海理工大學(xué)顆粒與兩相流測(cè)量研究所開(kāi)展了在線測(cè)量燃燒、流場(chǎng)和兩相流的新方法、新技術(shù)及應(yīng)用的研究，先后進(jìn)行了基于光纖光譜儀的測(cè)量火焰溫度和輻射率、基于輻射和吸收光譜法測(cè)量脈沖火焰溫度和水蒸氣濃度、激光激發(fā)熒光測(cè)量噴霧液滴溫度、差分吸收光譜法( DOAS) 和多波長(zhǎng)消光法融合監(jiān)測(cè)煙氣SO2、NOx和煙塵排放濃度、基于光譜法的汞監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)、光譜與圖像法結(jié)合測(cè)量高溫物體溫度場(chǎng)、圖像法測(cè)量流場(chǎng)、TDLAS 測(cè)量水膜蒸發(fā)過(guò)程、光脈動(dòng)法在線測(cè)量氣固兩相流、多波長(zhǎng)消光法在線測(cè)量汽液濕蒸汽兩相流、激光散射和圖像法在線測(cè)量噴霧液滴粒度分布、激光散射納米顆粒測(cè)量、超聲散射理論及液固、氣固兩相流在線測(cè)量等方法的研究。以下分別介紹我們?cè)谌紵土鲌?chǎng)測(cè)量方面的研究進(jìn)展。

1 光譜法測(cè)量火焰溫度、輻射率及液體燃料組分

根據(jù)普朗克定律，物體的單色輻射力隨波長(zhǎng)λ變化為：

黑體的光譜輻射力為：

式中，C1和C2分別為第一和第二輻射常量，T為溫度。通過(guò)比較黑體與相同溫度下火焰的輻射力，輻射率ε 為：

根據(jù)普朗克定律，測(cè)出火焰輻射光譜，就可以反演得到火焰溫度和輻射率。圖1 為采用光纖光譜儀快速測(cè)量火焰輻射光譜的測(cè)量系統(tǒng)裝置圖［5］。光纖光譜儀采用硅作為光敏探測(cè)陣列器件，但硅對(duì)不同波長(zhǎng)光譜的響應(yīng)是不同的［6］，因此首先需用黑體爐對(duì)光纖光譜儀的光譜響應(yīng)和強(qiáng)度響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定［5］，并提出響應(yīng)修正算法。表1 是經(jīng)標(biāo)定溫度為1150℃并修正后用光纖光譜儀測(cè)量黑體爐、工業(yè)鍋爐火焰和蠟燭火焰溫度測(cè)量結(jié)果。從表中可見(jiàn)，采用修正算法后火焰溫度測(cè)量誤差減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，大大提高了火焰溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

表1 修正前后測(cè)溫結(jié)果的比較Table 1 Comparison of the measurement results before and after improvement

圖2 是應(yīng)用該方法測(cè)得的工業(yè)鍋爐和350MW 煤粉鍋爐燃燒器不同工況火焰的溫度輻射光譜，表2 是350MW 煤粉燃燒器的測(cè)量結(jié)果。其中工況四是未燃著的高溫煤粉煙氣，雖然溫度很高，但輻射率遠(yuǎn)低于其它正常燃燒時(shí)的火焰，工況五是鍋爐中心火焰，其溫度略低于燃燒器火焰，但輻射率遠(yuǎn)大于燃燒器火焰。這2 個(gè)工況有個(gè)共同特點(diǎn)是溫度比較穩(wěn)定，脈動(dòng)較小。因此，可以根據(jù)火焰的輻射率和脈動(dòng)頻率來(lái)對(duì)燃燒狀況進(jìn)行診斷。

圖2 煤燃燒火焰輻射光譜Fig.2 Coal flame spectrum

圖1 火焰光譜分析測(cè)量裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic of the flame spectrum detection device

表2 燃燒器不同工況下視場(chǎng)火焰平均溫度及輻射率測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of coal flame

在大多數(shù)情況中，火焰的輻射率是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)，已有不少研究提出多種火焰輻射率函數(shù)模型，其中多項(xiàng)式模型應(yīng)用最廣，確定該模型的各個(gè)系數(shù)比較復(fù)雜。在光纖光譜儀測(cè)量火焰輻射譜中，我們提出了一種新的迭代算法，首先用多對(duì)波長(zhǎng)法確定火焰溫度，根據(jù)式( 1) 計(jì)算該溫度的火焰輻射譜，與測(cè)得的火焰輻射譜進(jìn)行比較，根據(jù)測(cè)得的輻射譜與計(jì)算得到的輻射譜間的差，修正輻射率，重復(fù)前述計(jì)算過(guò)程，直到2 者差小于預(yù)先設(shè)定的閾值。此時(shí)得到的輻射率函數(shù)就是火焰的真實(shí)輻射率函數(shù)。圖3 是幾種燃料燃燒的火焰輻射率函數(shù)曲線，式(4) 至式(7) 為相應(yīng)的輻射率函數(shù)表達(dá)式。

煤塊燃燒火焰：

蠟燭燃燒火焰：

丁烷燃燒火焰：

生物質(zhì)( 樹(shù)枝) 燃燒火焰：

圖3 不同燃料火焰輻射率函數(shù)Fig.3 The emissivities of different flames

每種燃料火焰有其輻射率函數(shù)，混合燃料的火焰輻射率函數(shù)應(yīng)該是混合燃料各自輻射率函數(shù)的疊加，這意味著可以根據(jù)測(cè)得的輻射率函數(shù)來(lái)反演燃料的混合比?；谶@種假設(shè)，我們進(jìn)行了初步研究，表明利用輻射率反演燃料的組分比是可行的。表3 是根據(jù)測(cè)得的火焰輻射率函數(shù)反演燃料組分混合比的結(jié)果。

表3 混合燃料組分檢測(cè)結(jié)果與分析Table 3 Results and analysis of constituent of blended fuels

2 基于輻射譜和吸收譜法測(cè)量火焰溫度和水蒸氣濃度

爆震燃燒采用煤油為燃料，產(chǎn)生的脈沖火焰具有持續(xù)時(shí)間短( 僅數(shù)毫秒) ，溫度高( 2000K) ，流動(dòng)速度快(2000m/s 左右) 等特點(diǎn)［7］。評(píng)價(jià)爆震燃燒好壞的參數(shù)包括爆震燃燒持續(xù)時(shí)間、燃燒溫度、水蒸氣濃度等。為測(cè)量爆震火焰，研制了基于水蒸氣在1.38μm波長(zhǎng)輻射和吸收譜的雙光路光譜測(cè)量系統(tǒng)，見(jiàn)圖4［8］。該測(cè)量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是測(cè)量火焰輻射信號(hào)和輻射參考光源信號(hào)分別采用了兩路光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，但這兩路光學(xué)系統(tǒng)聚焦在火焰的同一部位。1 號(hào)接收單元測(cè)量火焰輻射加參考光源輻射吸收的信號(hào)，2號(hào)接收單元僅記錄火焰水蒸氣輻射信號(hào)。

圖4 雙光路測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic drawing of measurement system

圖5 爆震燃燒輻射和吸收光譜信號(hào)Fig.5 Absorption and radiation signals of pulse detonation combustion

圖6 爆震燃燒火焰溫度和水蒸氣濃度測(cè)量結(jié)果Fig.6 The temperature and water vapor concentration measured in different combustion status

圖5 是爆震燃燒時(shí)測(cè)得的3 種不同燃燒狀態(tài)的2 路信號(hào)( V∑吸收光譜信號(hào)，VF輻射光譜信號(hào)) ，其中圖5( a) 顯示爆震燃燒良好，圖5( b) 顯示爆震燃燒不良，圖5( c) 表示未實(shí)現(xiàn)爆震燃燒。圖6 是對(duì)應(yīng)3 種不同燃燒狀態(tài)時(shí)的火焰溫度和水蒸氣濃度測(cè)量結(jié)果。在爆震燃燒良好時(shí)火焰溫度迅速上升至約2000K，隨后下降，脈沖總持續(xù)時(shí)間約為 5ms，說(shuō)明燃燒過(guò)程是在一個(gè)很短時(shí)間內(nèi)迅速完成，水蒸氣濃度在火焰燃燒最劇烈時(shí)不高且比較平穩(wěn)，約為60g/m3，在燃燒后期迅速增加達(dá)到200g/m3以上。在爆震燃燒不良時(shí)，火焰溫度較低，水蒸氣濃度也較低，且火焰溫度和水蒸氣濃度在過(guò)程中變化緩慢，沒(méi)有爆震良好時(shí)劇烈，因此認(rèn)為當(dāng)爆震不良時(shí)，燃燒不充分，大量未燃燒燃料液滴通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)極強(qiáng)散射了參考光，而導(dǎo)致原始信號(hào)脈沖過(guò)后的凹陷。而在未實(shí)現(xiàn)爆震燃燒時(shí)，燃燒過(guò)程從數(shù)ms 延長(zhǎng)到約300ms，火焰溫度和水蒸氣濃度也沒(méi)有出現(xiàn)如爆震燃燒那樣的劇烈變化，雖然燃燒最高溫度仍達(dá)到1500K 左右［9］。

3 激光激發(fā)熒光測(cè)量噴霧液滴溫度

噴霧入射到較低溫度環(huán)境中液滴溫度會(huì)迅速降低，為研究液滴溫度的變化過(guò)程，我們采用激光激發(fā)熒光的方法開(kāi)展了液滴溫度在線測(cè)量研究［10］，測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖見(jiàn)圖7。在噴霧中加入羅丹明B 熒光劑，羅丹明B 在532nm 激光的激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生熒光，且熒光光譜在波長(zhǎng)范圍約590 ～610nm 內(nèi)隨溫度發(fā)生變化，如圖8 所示。在這一波段，溫度升高，熒光光譜的強(qiáng)度增加。根據(jù)這個(gè)特性，用光纖光譜儀測(cè)出噴霧的熒光光譜，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到噴霧液滴的平均溫度。圖9 是相對(duì)熒光強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。

圖7 激光激發(fā)熒光測(cè)溫系統(tǒng)原理圖Fig.7 Laser induced fluorescence measurement system

圖8 羅丹明B 不同溫度正則化熒光光譜Fig.8 Fluorescence spectrum of Rhodamine B

圖9 光譜強(qiáng)度與溫度關(guān)系Fig.9 The relationship between intensity of fluorescence and temperature

4 DOAS 法監(jiān)測(cè)燃燒污染排放物SO2和NOx 濃度

差分吸收光譜法( DOAS) 是利用氣體在紫外可見(jiàn)光波段對(duì)光具有選擇吸收的特性來(lái)測(cè)量氣體濃度的一種方法，并以Lambert-Beer 吸收定律為基礎(chǔ)，目前已在環(huán)境監(jiān)測(cè)中得到較廣泛應(yīng)用。但該方法用于鍋爐排放煙氣監(jiān)測(cè)中易受到煙塵、水汽等污染物的干擾，難以得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，尤其在煙塵和水汽等其它污染物干擾嚴(yán)重的情況下，SO2和NOx的特征吸收光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生很大畸變，直接應(yīng)用DOAS 法處理數(shù)據(jù)或僅做濾波處理都不能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，測(cè)量結(jié)果偏差極大。通過(guò)分析小波變換母函數(shù)和各層小波系數(shù)與污染物吸收光譜間的關(guān)系，我們提出了小波變換處理的新方法［11］，得到了在強(qiáng)干擾條件下均能得到有效準(zhǔn)確結(jié)果的DOAS 數(shù)據(jù)處理方法。

圖9 是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。氘燈發(fā)出紫外光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直，進(jìn)入樣品池和測(cè)量區(qū)，被在測(cè)量區(qū)另一端的透鏡匯聚后由接收光纖送到光纖光譜儀，光譜儀信號(hào)則由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理?？刂苼?lái)自標(biāo)氣瓶的SO2和NOx氣體壓力可以控制樣品池內(nèi)的SO2和NOX的質(zhì)量濃度。煙塵發(fā)生器和水汽發(fā)生器分別模擬煙氣中的煙塵和水汽的環(huán)境，在光路中增加光學(xué)衰減片來(lái)模擬長(zhǎng)期在線測(cè)量應(yīng)用時(shí)的光源發(fā)光強(qiáng)度的衰減。表4 和5 是SO2、NO 在存在高濃度煙塵、水汽和光源衰減綜合強(qiáng)烈干擾作用下的測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中SO2標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度是93mg/m3，NOx標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度是60.44mg/m3。

圖10 DOAS 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.10 Schematic drawing of DOAS experimental setup

表4 SO2 質(zhì)量濃度為93mg/m3 時(shí)的測(cè)量結(jié)果［12］Table 4 Measurement results and deviations of SO2 at 93mg/m3

表5 NO 質(zhì)量濃度為60.44mg/m3 時(shí)的測(cè)量結(jié)果［13］Table 5 Measurement results and deviations of NO at 60.44mg/m3

5 光譜法汞監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的研制

汞是最重要的重金屬排放污染物，基于光譜吸收的排放煙氣中汞濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都帶有復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)汞氣發(fā)生標(biāo)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)本身成為一個(gè)污染源。為解決該問(wèn)題，我們提出了基于熱力學(xué)基本定理的汞氣標(biāo)準(zhǔn)濃度發(fā)生器和在線測(cè)量方法。

由道爾頓分壓定律和相平衡理論可知，在氣液共存的密閉容器中，氣體處于飽和狀態(tài)，飽和蒸氣壓是溫度的單調(diào)函數(shù)。改變密閉容器的溫度，則容器內(nèi)飽和氣壓也隨之改變，相應(yīng)的飽和氣濃度也發(fā)生變化。因此，對(duì)于存在液態(tài)汞的密閉容器，只要測(cè)得容器中的溫度，即可確定容器內(nèi)的汞濃度，可用于光譜法汞連續(xù)排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定或校準(zhǔn)［14］。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖11 所示，由Hg 燈、直流穩(wěn)壓電源、標(biāo)準(zhǔn)汞氣樣品池、溫控系統(tǒng)、光纖光譜儀等組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持光路穩(wěn)定，汞燈發(fā)出紫外光經(jīng)光纖傳輸至透鏡，調(diào)整成平行光穿過(guò)石英窗片進(jìn)入密閉的標(biāo)準(zhǔn)汞氣樣品池，經(jīng)汞氣吸收后，透射光被透鏡匯聚至光纖傳輸至光譜儀被計(jì)算機(jī)采集。溫控系統(tǒng)可調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)汞氣樣品池的溫度，從而可以改變汞氣濃度。

圖11 Hg 氣標(biāo)定系統(tǒng)示意圖Fig.11 The schematic drawing of Hg calibration system

根據(jù)汞的飽和溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力及相應(yīng)的汞氣濃度，測(cè)量各溫度下的透射光強(qiáng)信號(hào)，可線性擬合得到汞的吸收度和濃度的關(guān)系，結(jié)果如圖12。圖中橫坐標(biāo)是汞氣濃度，單位是μg/m3；縱坐標(biāo)是吸收度。得到標(biāo)定曲線為y =2.50904 ×10-5x +0.0845，相關(guān)系數(shù)R2=0.98853，表明該曲線具有很好的線性度，可以做標(biāo)定濃度使用。相對(duì)于傳統(tǒng)汞氣標(biāo)定方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，汞被密封在氣室中，沒(méi)有廢氣排入大氣，故對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是一種極富應(yīng)用前景的汞氣標(biāo)定方法。

圖12 汞氣濃度標(biāo)定曲線Fig.12 The calibration curve of Hg

6 光譜與圖像法結(jié)合測(cè)量高溫物體溫度場(chǎng)［15］

大多數(shù)溫度場(chǎng)測(cè)量?jī)x器都很昂貴，且適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，不適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?；诠庾V發(fā)射率測(cè)量技術(shù)和輻射測(cè)溫原理，我們提出了一種由微型光纖光譜儀與黑白CCD 相機(jī)相結(jié)合的低成本在線溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量方法既彌補(bǔ)了光譜法不能獲得溫度場(chǎng)分布的缺陷，又避免了彩色相機(jī)比色法測(cè)溫中波長(zhǎng)發(fā)射率變化帶來(lái)的誤差，是一種有效的溫度場(chǎng)測(cè)量方法。圖13 是該方法的試驗(yàn)系統(tǒng)，由高溫源鹵素?zé)簟⒐饫w光譜儀、CCD 相機(jī)、可調(diào)穩(wěn)壓電源和計(jì)算機(jī)組成。改變穩(wěn)壓電源輸出，可以改變鹵素?zé)舻臒艚z溫度。

在該測(cè)量方法中首先用光纖光譜儀測(cè)量出高溫物體的輻射率，并用黑白CCD 相機(jī)測(cè)得該高溫物體的輻射圖像，然后根據(jù)普朗克定律可獲得相應(yīng)的溫度分布。圖14 中可以清晰地看到鹵素?zé)魺艚z隨電壓升高時(shí)溫度場(chǎng)的變化情況。燈絲兩端散熱作用造成溫度較低，而燈絲中部溫度較高，且燈絲內(nèi)表面溫度高于同部位燈絲外表面溫度，見(jiàn)表6。CCD 相機(jī)和光纖光譜儀的采樣頻率可以達(dá)到每秒數(shù)百幀至上千幀以上，故該方法可用于高溫物體或火焰溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程測(cè)量。

圖13 黑白CCD 相機(jī)與光譜儀結(jié)合的溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)Fig. 13 The temperature measurement system with CCD camera and spectrometer

圖14 不同電壓時(shí)的鹵素?zé)艚z溫度場(chǎng)Fig.14 Temperature fields of halogen lamp at different voltages

表6 不同供電電壓下鹵素?zé)魺艚z的最高溫度Table 6 The highest temperature of lamp at different electric voltages

7 單幀單曝光圖像法測(cè)量流場(chǎng)［16-17］

PIV 已成為研究流場(chǎng)和傳熱的最重要測(cè)量?jī)x器，但PIV 系統(tǒng)比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，使用操作麻煩，基本上用于實(shí)驗(yàn)室研究，難以用于現(xiàn)場(chǎng)研究。而不少研究對(duì)象必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量，難以在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行測(cè)量研究。為解決該問(wèn)題，我們提出了單幀單曝光圖像測(cè)量二維流場(chǎng)的方法。

與PIV 需要極短時(shí)間大能量脈沖激光“凍結(jié)”示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)，采用2 次曝光，通過(guò)復(fù)雜的互相關(guān)法計(jì)算得到流場(chǎng)參數(shù)不同，該方法的測(cè)量原理非常簡(jiǎn)單。圖15 是管內(nèi)流動(dòng)流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖［16］。在該系統(tǒng)中采用遠(yuǎn)心鏡頭和普通工業(yè)用數(shù)字相機(jī)獲取圖像，激光片光源用于照明被測(cè)位置的流場(chǎng)。在合理選擇遠(yuǎn)心鏡頭放大倍率的情況下，該方法還可以同時(shí)測(cè)量流場(chǎng)中顆粒的尺寸。

圖15 測(cè)量裝置示意圖Fig.15 The schematic drawing of measurement devices

與通常的圖像法測(cè)量不同，在該方法中并不采用非常短的曝光時(shí)間來(lái)“凍結(jié)”運(yùn)動(dòng)顆粒獲得清晰的圖像或光點(diǎn)，對(duì)于不同被測(cè)流場(chǎng)，選擇相對(duì)較長(zhǎng)的、合適的相機(jī)曝光時(shí)間，得到流場(chǎng)中示蹤粒子的流動(dòng)軌跡圖像，如圖16( a) 所示。對(duì)該圖進(jìn)行圖像處理，就可以得到流場(chǎng)的各種參數(shù)，如圖16( b) 、( c) 和( d)［16］。由于在該測(cè)量方法中相機(jī)曝光時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)光源強(qiáng)度和相機(jī)性能的要求大為減低，可以采用大功率LED作為光源。流場(chǎng)流動(dòng)方向由圖像中示蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡直接得到，而速度則由相機(jī)鏡頭的放大倍率和圖像中軌跡長(zhǎng)度以及曝光時(shí)間可以得到，避免了PIV 中復(fù)雜的互相關(guān)算法。在該方法中只要簡(jiǎn)單地改變數(shù)字相機(jī)的曝光時(shí)間就可以改變速度測(cè)量范圍以適合不同流速的測(cè)量，從數(shù)km/s 到小于1m/s，極大方便了現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量，尤其是作為一種新的測(cè)量手段應(yīng)用于需要現(xiàn)場(chǎng)在線流場(chǎng)測(cè)量的各個(gè)領(lǐng)域。

圖16 是某次試驗(yàn)中測(cè)得的液固兩相流的原始流場(chǎng)圖像、獲得的速度矢量場(chǎng)、速度及粒徑分布。被測(cè)顆粒的速度不同，分布在0.5 ～1.8m/s 之間，主要集中在1.2 ～1.4m/s 范圍，顆粒平均粒徑為50.47μm，相對(duì)誤差12.2%。這說(shuō)明采用單幀單曝光圖像法測(cè)量液固兩相流場(chǎng)是可行的。

圖16 某一瞬時(shí)的原始流場(chǎng)、速度矢量，速度與粒徑分布圖Fig.16 The original flow filed，velocity vector，velocity and particle size distribution at a moment

對(duì)于三維流場(chǎng)，同樣可能用單幀單曝光圖像法測(cè)量。圖17 給出了三維液固兩相流流動(dòng)圖像。從該圖中可以看出，當(dāng)被測(cè)顆粒處于相機(jī)的焦平面時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度慢的顆粒被“凍結(jié)”，形成清晰的影像，運(yùn)動(dòng)速度較快的顆粒影像是兩邊緣清晰的運(yùn)動(dòng)軌跡，而當(dāng)顆粒不處在焦平面上時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度慢的顆粒是模糊的“凍結(jié)”影像，運(yùn)動(dòng)速度快的顆粒影像是兩邊緣模糊的運(yùn)動(dòng)軌跡。這些模糊影像的模糊程度與它們離開(kāi)焦平面的距離有關(guān)，可以用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。圖18 給出了離焦影像最大梯度值與粒徑距離的關(guān)系。由此，研究確定模糊程度與距離焦平面位置的關(guān)系，就可以從單幀圖像中得到三維流場(chǎng)參數(shù)。這將給流場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量帶來(lái)極大便利，發(fā)展成一種全新的三維流場(chǎng)測(cè)量方法。

圖17 三維液固兩相流流動(dòng)影像Fig.17 Image of 3D liquid-solid two-phase flow

圖18 離焦影像過(guò)渡區(qū)域最大梯度值與離焦距離關(guān)系Fig.18 The relationship between the defocus distance and the maximum gradient value

8 TDLAS 在線測(cè)量水膜蒸發(fā)過(guò)程［18］

TDLAS 作為一種成熟的氣體溫度和濃度測(cè)量技術(shù)，具有運(yùn)行成本低、響應(yīng)快、精度高、靈敏度高、不需添加試劑等突出優(yōu)點(diǎn)。我們提出了基于TDLAS 對(duì)液態(tài)純水水膜進(jìn)行測(cè)量的新方法，即實(shí)現(xiàn)對(duì)水膜蒸發(fā)過(guò)程中液態(tài)參數(shù)( 水膜厚度及溫度) 與氣態(tài)參數(shù)( 水膜上方水蒸氣的溫度) 的同步測(cè)量，實(shí)驗(yàn)裝置如圖19所示［18］。通過(guò)對(duì)液態(tài)水吸收光譜隨溫度變化的分析，選取兩個(gè)吸收系數(shù)對(duì)應(yīng)于溫度變化最敏感的波數(shù)位置( 6714.57 cm-1和7082.89 cm-1) 的半導(dǎo)體激光器，同時(shí)結(jié)合成熟的TDLAS 氣體溫度測(cè)量方法，再選取兩個(gè)半導(dǎo)體激光器( 7185. 59 cm-1和7390. 13 cm-1) ，達(dá)到了同步測(cè)量水膜蒸發(fā)過(guò)程中多個(gè)參數(shù)的目的。

圖19 石英玻璃上液膜測(cè)量裝置圖Fig. 19 Experimental setup of liquid film measurement on a transparent quartz plate

圖20 表示的是通過(guò)結(jié)合4 個(gè)半導(dǎo)體激光器測(cè)得純水水膜蒸發(fā)過(guò)程中隨時(shí)間變化的水膜厚度、溫度以及水膜上方的水蒸氣溫度。如圖所示，在水膜蒸發(fā)剛開(kāi)始的5 分鐘內(nèi)，水膜溫度逐漸上升，當(dāng)升高到約332K 時(shí)保持穩(wěn)定，該方法測(cè)得的水膜溫度與熱電偶測(cè)量結(jié)果相比誤差小于3K； 水膜在蒸發(fā)的最初階段厚度從1400μm 逐漸降低到1210μm 左右，當(dāng)水膜溫度恒定時(shí)，水膜厚度呈線性遞減，這與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的水膜厚度變化趨勢(shì)相同； 對(duì)于10 次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，水膜的厚度和溫度的測(cè)量誤差分別小于1.5%和0.5K。該實(shí)驗(yàn)表明，TDLAS 可實(shí)現(xiàn)對(duì)水膜多個(gè)參數(shù)高精度、高靈敏度的在線同步測(cè)量，將為深入研究液膜形成、蒸發(fā)及流動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程提供有效的測(cè)量手段。

圖20 純水水膜在蒸發(fā)過(guò)程中隨時(shí)間變化的水膜厚度溫度以及水膜上方水蒸氣溫度Fig. 20 Time-resolved measurement of film thickness，liquid-phase temperature and vaporphase temperature during film evaporation

9 結(jié) 論

光譜在線監(jiān)測(cè)分析和圖像在線測(cè)量分析方法因其非接觸、快速、高時(shí)空分辨率、測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在燃燒和流場(chǎng)在線測(cè)量診斷研究中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是光纖光譜儀的出現(xiàn)給光譜分析在燃燒機(jī)理研究、發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)、污染物排放實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等許多領(lǐng)域開(kāi)辟了新的應(yīng)用。數(shù)字圖像測(cè)量和數(shù)據(jù)處理算法的迅速發(fā)展同樣給燃燒和流場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)和診斷帶來(lái)了全新的測(cè)量手段，促進(jìn)了這些領(lǐng)域的研究進(jìn)展。本文介紹了基于光纖光譜儀和數(shù)字圖像以及TDLAS 發(fā)展的多種測(cè)量方法，包括在線測(cè)量火焰輻射和吸收光譜，溫度，輻射率并反演出液體燃料組分，火焰成分，排放煙氣中SO2、NOx、Hg 濃度，光譜與圖像法結(jié)合測(cè)量溫度場(chǎng)，單幀單曝光圖像測(cè)量二維流場(chǎng)等參數(shù)，TDLAS 在線同步測(cè)量水膜蒸發(fā)過(guò)程中的水膜溫度、厚度及水膜上方水蒸氣的溫度等。這些方法及應(yīng)用表明光譜和圖像在線測(cè)量方法及技術(shù)對(duì)于推動(dòng)與燃燒和流動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域研究具有重要的科學(xué)發(fā)展意義和廣闊的工程應(yīng)用前景。

致謝：本文工作得到多個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金(51206112，51076106，51306123，51327803) 和 上 海 市 自 然 科 學(xué) 基 金(12ZR1446900) ，教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金( 20113120130001 ) ，上海市科委納米計(jì)劃項(xiàng)目(11nm0507100) 等的支持，研究所的許多教師和研究生為本文工作做出了貢獻(xiàn)，在此謹(jǐn)表感謝。

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