光学测量技术在燃烧特性研究中的应用*

潘洪玉 郑和瑞 邬思远 许沧粟

（1-常州常发农业装备工程技术研究有限公司 江苏 常州 213000 2-浙江大学动力机械及车辆工程研究所）

引言

化石燃料资源的快速消耗以及它作为内燃机燃料所产生的环境污染导致工业、商业和国内部门对实施高效和环境友好型能源管理计划的需求不断上升。解决上述问题的一个可行办法是深入研究燃料的各项燃烧特性参数，以确保较高的发动机性能和较低的排放。

燃烧过程涉及燃料的喷射、雾化、混合及燃烧等，由于燃烧环境的特殊性，几乎不可能使用需要与反应流进行某种接触而不干扰其反应过程的传感器，因此不可能用传感器方法直接测量燃烧过程的特性参数。而光学测量技术具有非侵入特性，对测量场没有干扰，所测结果可以反映被测流场的真实情况，已成为燃烧科学家研究火焰的重要工具[1-3]。除了早期用于稳定火焰的点测量光学技术外[4]，目前已发展并开始广泛应用于燃烧测量的光学成像技术。其主要有4类：平面成像技术[5-13]、光场成像技术[14-16]、计算机断层扫描技术[2，17]和全息成像技术[2，18-20]，可对燃料的喷雾特性、油气混合物的形成与分布、火焰形态及温度场分布以及各种燃烧产物进行详尽的研究，对组织高效而稳定的燃烧具有重要意义。

1 平面成像技术

平面成像技术是目前较为成熟的一项激光测量技术，通常需要用一层薄薄的激光片光源照亮所研究的火焰横截面，然后使用阵列检测器对激光激发后的信号进行成像。根据激发后信号种类的不同，主要有激光诱导荧光（LIF）、激光诱导磷光（LIP）和激光诱导炽光（LII）技术。

1.1 激光诱导荧光（LIF）技术

LIF利用激光束激发的原子或分子的辐射光进行测试，主要原理是激光源激发一个分子从基态跃迁到高能态，由于高能态的分子不稳定，受激分子将通过自发辐射返回基态，同时产生荧光，该荧光信号不仅取决于荧光物质的浓度，还取决于环境温度、压力和局部气体组成[5]。利用这些相互依赖性，通过标定可建立荧光强度与被测量的关系，从而进行定量分析。

在喷雾特性测量中，LIF可用于同时可视化液滴和燃料蒸汽，但液相的信号通常远远强于燃料蒸汽的信号，需使用强化CCD相机得到图像。Mercier等人[6]使用图1所示的平面LIF系统研究了应变逆流扩散火焰中甲烷的液滴燃烧，空间分辨率可达到20μm。在火焰结构和温度场测量中，研究主要集中于OH-LIF和NO-LIF测试。Li等人[7]使用OH-LIF对甲烷/空气预混层流火焰和非预混湍流甲烷射流火焰进行了三维火焰结构诊断，由于只使用了具有8个视图的多相机系统检测，空间分辨率只能达到约1 mm。Bessler等人[8]提出并应用了一种测量稳定火焰中绝对温度分布的NO-LIF温度成像技术，与传统双线技术或多线玻尔兹曼图相比，精度和多功能性得到了显著改善。

图1 平面LIF系统装置图

1.2 激光诱导磷光（LIP）技术

LIP的基本原理与LIF类似，利用磷光物质受激后产生的磷光信号进行定量分析。磷光的产生过程与荧光相同，如图2所示，不同的是，磷光的寿命和发光强度都胜于荧光。磷光的衰减速度和线形强度对温度较为敏感，根据这一特性，LIP常应用于固体表面及液滴的温度测量。白书战等人[9]利用LIP对一台光学发动机进行了缸内气体的温度分布测量，测试结果与缸内压力计算得到的缸内平均温度相比，误差在5%以内。

图2 分子的受激和辐射过程

磷光的衰减速率还与磷光物质的状态有关，在两相流测试中，利用这一特性可以很好地克服LIF成像存在的两相间荧光强度差异较大及光晕影响的问题。Charogiannis等人[10]利用液态和气态丙酮在308 nm激发后的磷光性质，对蒸发液体流动进行了研究。他们发现液相和气相丙酮的不同磷光衰减速率有利于获得更好的信号比，使得液滴周围的蒸汽可以清晰可视化，从而排除光晕的干扰，精确定位气-液界面。

1.3 激光诱导炽光（LII）技术

LII的原理是碳烟粒子受激光照射后，温度迅速上升至高于所处环境的温度，同时产生黑体辐射。Melton[11]的研究结果表明，当碳烟粒子受激后的温度达到4 000 K以上时，LII信号强度与碳烟粒子的平均直径和体积分数具有较强的相关性，因此通过采集黑体辐射信号可以定量分析碳烟的体积分数和粒径大小等物理参数。Kock等人[12]建立了两种波长下具有时间分辨测量的激光诱导炽光模型（TR-LII），并将其应用于单缸二冲程柴油发动机的燃烧室，测试结果与TEM分析得到的平均一次颗粒尺寸非常一致。唐青龙等人[13]建立了一套双色法-激光诱导炽光法（2C-LII）测试系统，可用于柴油机缸内燃烧过程中碳烟体积分数的定量测量，并实现多点标定和全视场范围测量。

2 光场成像技术

传统的光场成像技术是由Adelson[14]提出和设计的。光场成像技术本质上是3D的，仅用一台相机就可以实现3D空间分辨率，能够在一次摄影曝光中对CCD传感器上的4-D光场进行采样，从而同时记录每条射线的辐射强度和方向信息。光场成像技术与传统光学相机成像的区别如图3所示，区别是在传感器前配备一套微透镜阵列。Wang等人[15]应用如图4所示的光场相机记录了本生灯火焰的光场，并用LSQR算法重构其3D温度场，该光场相机的空间分辨率可以达到毫米量级。孙俊等人[16]则提出了一种基于单光场相机的火焰三维温度场测量新方法，并通过光场相机探测面的强度分布和基于QR分解的最小二乘算法温度场反演模型得到的火焰三维温度场结果证明了该方法的可行性。

图3 光场成像技术与传统光学相机成像的区别

图4 应用光场相机研究本生灯火焰的3D温度场

3 计算机断层扫描技术

计算机断层扫描技术（CT）既可以是2D也可以是3D的[2，17]，其中利用燃烧过程中的化学发光的CT成像技术——化学发光计算机断层扫描（CTC）是发展最为迅速的一种研究火焰3D结构的成像技术。该技术通过一系列积分测量（相机图像）重建湍流火焰的3D化学发光场，分析数据可获得火焰表面密度、起皱因子、火焰法线方向和放热率等燃烧参数。

相对于前两种光学测试技术，CTC利用化学发光避免了成像系统对光源的依赖，大大降低了测试系统的复杂度和设备要求，使实验更加可行。同时化学发光只发生在靠近火焰反应区的狭窄区域[21]，因此提供了火焰几何形状的信息。此外，由于发射光的光谱可以与特定的化学物质有关，因此强度也是测量其物质浓度的一种手段。CTC的工作原理如图5所示，从物体周围的多个视角进行积分（投影）测量来重建3D结构，更多的视图会产生更好的分辨率。Floyd等人[17]用5台摄像机和10片平面镜组成了10视角的CTC系统（图6所示），重构得到了对冲湍流火焰的3D结构，但由于受相机数量的限制，空间分辨率只能达到毫米量级。

图5 CTC测试系统的常规设置

图6 对冲湍流火焰CTC测试系统

4 全息成像技术

全息技术是利用光的干涉和衍射原理记录并再现物体光波波前的一种技术，利用光的干涉记录目标波的振幅和相位信息，包含这些信息的媒介称为“全息图”，利用光的衍射理论，可以从全息图中重建3D图像。全息技术自1948年D.Gabor发明以来[18]，经历了3个大的发展阶段[20]。第一阶段自D.Gabor发明以来，逐步创立了同轴全息图和全息理论；第二阶段开始于20世纪60年代，随着激光光源（相干光源）的发明，全息技术进入了持续数十年的高速发展，相继发明了离轴全息[22]、彩虹全息、计算机制全息（CGH）[23]和数字全息（DH）[24]，CGH 和 DH 发明后由于受当时计算机技术和相关设备发展等因素的制约而进展缓慢；第三阶段始于20世纪末和21世纪初，随着图像传感器、空间光调制器（SLM）和计算机等电子设备的迅速发展，逐步发展完善了数字全息技术[2，19]。

图7 DH系统原理图

DH是一种干涉成像技术，一般采用如图7所示的2种曲型结构：离轴DH和相移DH，记录包含目标波前的数字全息图，并在计算机上重建物体的3D和定量相位图像。DH不仅在生物样品3D成像、微机电系统的测量检测、3D空间颗粒和流量测量、深度方向上纳米精度的3D表面形状测量等领域有所应用，而且在燃烧测量方面[25-30]也开展了广泛的应用。

Agarwal等人[25]采用如图8所示的数字全息干涉成像系统研究了微尺度（2～3 mm）蜡烛火焰在磁场作用下的空间温度场，空间分辨率达到几十微米量级。

Wu等人[26]利用如图9所示的全息成像技术研究了空气/氢气混合气体的高速湍流火焰射流的传播过程，以100μs为间隔，记录了从点火开始到1000μs的高速湍流火焰射流，空间分辨率达到几十微米量级。

图9 实验装置俯视图

图8 数字全息干涉成像系统

5 结论

本文全面回顾了目前已发展并开始广泛应用于燃烧测量的4种光学成像技术——平面成像技术、光场成像技术、计算机断层扫描技术和全息成像技术，对其基本原理、研究现状和应用范围进行了分析，得出如下结论：

1）光学成像技术和计算机图像处理技术的发展为内燃机燃烧过程研究提供了重要的测试手段。目前，内燃机燃料喷雾和燃烧的基本原理还有待进一步研究，因此光学测量技术的前景是广阔的，其重要性也将不断增强。

2）单一的光学成像技术应用范围有限，为了更加深刻地理解内燃机燃烧过程，未来的测试方法将朝着多种成像技术同时使用，并与仿真实验相结合的方向发展。