葉景峰, 胡志云, 劉晶儒, 宋文艷

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院, 西安 710072; 2. 西北核技術(shù)研究所 激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室, 西安 710024)

分子標(biāo)記速度測量技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

葉景峰1,2,*, 胡志云2, 劉晶儒2, 宋文艷1

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院, 西安 710072; 2. 西北核技術(shù)研究所 激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室, 西安 710024)

分子標(biāo)記示蹤技術(shù)是用于流場顯示和速度測量的一類激光診斷技術(shù)。通過分析目前常用的分子標(biāo)記方法、分子標(biāo)記顯示方法以及數(shù)據(jù)處理方法及其研究進(jìn)展，對分子標(biāo)記示蹤測量技術(shù)進(jìn)行了較為全面的介紹；列舉了OH和NO分子標(biāo)記示蹤技術(shù)在超聲速流動、邊界層流動及發(fā)動機(jī)尾流的測量應(yīng)用實例，并對實際應(yīng)用中反應(yīng)流場背景干擾、測量環(huán)境的強(qiáng)振動和內(nèi)流場測量中光學(xué)窗口的影響進(jìn)行了討論和分析。

激光診斷；分子標(biāo)記示蹤；速度測量；流場

0 引 言

在現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域，對高速流場特性的研究是非常重要的部分。高精度可靠的流場參數(shù)測量技術(shù)在燃燒基礎(chǔ)問題研究、流場特性分析、發(fā)動機(jī)研發(fā)中起著關(guān)鍵的作用，不僅能為流體動力學(xué)、燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究和數(shù)值模擬計算提供實驗數(shù)據(jù)，也是發(fā)動機(jī)模型參數(shù)測試和發(fā)動機(jī)性能評估不可或缺的手段。傳統(tǒng)的流場參數(shù)測量通常采用接觸式或取樣式，比如利用熱電偶測量流場溫度，皮托管測量流場速度，取樣分析的方法測量流場組分濃度等，不僅無法獲取流場內(nèi)部詳細(xì)的信息，而且對流場造成干擾，測量結(jié)果可信度不高。基于激光的非接觸測量技術(shù)具有對流場無干擾、測量信息豐富和時空分辨率高等優(yōu)勢。最近十幾年來，隨著激光技術(shù)和光譜、圖像采集技術(shù)的蓬勃發(fā)展，大量激光診斷技術(shù)在燃燒基礎(chǔ)研究中獲得了很好應(yīng)用[1-3]，且部分診斷技術(shù)在發(fā)動機(jī)模型實驗的關(guān)鍵參數(shù)測量中也開始發(fā)揮重要作用[4-10]。

分子標(biāo)記速度測量(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)技術(shù)是以分子作為標(biāo)記示蹤的流場速度測量技術(shù)。它與粒子圖像速度測量(Particle Imaging Velocimetry, PIV)技術(shù)的測量原理類似，都是根據(jù)示蹤物在已知時間間隔內(nèi)跟隨流場的移動距離計算流場的速度分布。所不同的是，PIV技術(shù)采用質(zhì)量較大的粒子作為示蹤物，而MTV技術(shù)采用標(biāo)記的分子作為示蹤物，可以認(rèn)為是對流場的直接測量，因此有效克服了PIV技術(shù)在超高速流動尤其是含有強(qiáng)激波的流場中示蹤粒子的跟隨性問題(有研究表明[11]，即使是直徑小到100nm的粒子也不是總能有效地跟隨流場)。而且，MTV技術(shù)還避免了在流場中注入粒子密度控制較難，對設(shè)備可能帶來的污染等問題。

1967年，A.T. Popovich和R. L. Hummel[12]首次提出利用標(biāo)記流場中分子進(jìn)行速度測量的概念，早期發(fā)展了一些分子標(biāo)記方法和技術(shù)[13-15]，但主要用于液態(tài)流場的測量并且需用到有機(jī)溶劑。直至20世紀(jì)80～90年代，水溶性標(biāo)記分子的采用[16-17]和多種適用于氣態(tài)流場分子標(biāo)記方法的發(fā)明[18-21]使得MTV技術(shù)得到了迅速發(fā)展。目前，液態(tài)流場中的磷光物質(zhì)分子，氣態(tài)流場中的羥基(OH)和一氧化氮(NO)作為流場的標(biāo)記示蹤分子已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

本文通過介紹MTV的技術(shù)原理、常用示蹤分子的標(biāo)記方法、顯示方法及數(shù)據(jù)處理方法等對MTV技術(shù)進(jìn)行了概述，對它們目前的應(yīng)用情況和存在的問題進(jìn)行了討論和分析，其中包括作者所在的課題組利用OH分子標(biāo)記示蹤技術(shù)對超聲速流場速度的部分測量應(yīng)用工作。

1 MTV技術(shù)原理

MTV原理如圖1所示，可以描述為“寫”和“讀”2個過程，“寫”過程即為對分子的標(biāo)記過程，通常利用激光與流場中特定分子相互作用的方式改變分子狀態(tài)，沿光束上形成區(qū)別于流場其它位置的標(biāo)記示蹤分子線(圖中的符號“T”)；“讀”過程為對標(biāo)記示蹤分子的顯示過程，通常利用標(biāo)記示蹤分子的輻射光或平面激光誘導(dǎo)熒光(Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF)等技術(shù)進(jìn)行顯示。標(biāo)記分子在“寫”時刻tw時生成，其濃度隨時間逐漸減小，不同標(biāo)記分子的壽命不盡相同。如圖2所示，進(jìn)行速度測量時，在標(biāo)記分子的壽命內(nèi)，通過間隔時間為td=tr2-tr1的2次“讀”過程顯示2幅標(biāo)記示蹤分子圖像，通過比較2個時刻它們在流場中的位置差計算移動距離d，利用公式v=d/td計算速度v。

圖1所示為一束激光進(jìn)行“寫”的情況，能夠顯示流場中一條線上的運(yùn)動狀態(tài)。實際應(yīng)用中，多采用多條激光束交叉排布進(jìn)行“寫”的方式，能夠得到覆蓋流場的網(wǎng)格的運(yùn)動狀況，進(jìn)而得到平面的速度場分布。

圖1 MTV速度測量原理圖

圖2 標(biāo)記分子“寫”“讀”時序圖

2 MTV技術(shù)進(jìn)展

2.1 分子標(biāo)記方法

能夠用于流場顯示的示蹤分子需滿足幾個條件：(1)在空間上具有可區(qū)分性；(2)壽命足夠長，示蹤分子必須在大于td時間段內(nèi)穩(wěn)定存在，td的選擇與待測流場的速度和拍攝相機(jī)的分辨能力相關(guān)，對于速度為幾百m/s的流場，td通常選擇在μs量級；(3)可顯示，這些標(biāo)記分子可輻射光或通過激光誘導(dǎo)熒光的方式被單獨顯示。表1列出了近些年學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)的一些標(biāo)記示蹤分子、產(chǎn)生這些分子的母體及標(biāo)記方法。

表1 幾種標(biāo)記分子Table 1 The list of typical molecular tags

用激光激發(fā)磷光分子至其第一激發(fā)三重態(tài)，激發(fā)態(tài)的磷光分子在之后的很長時間內(nèi)(10-4～100 s)會持續(xù)輻射磷光，這一特點使其作為標(biāo)記示蹤分子非常合適，因為對標(biāo)記磷光分子圖像的顯示不需采用特殊的技術(shù)，只需利用相機(jī)拍攝不同時間的磷光輻射圖像即可。關(guān)鍵之處在于對磷光物質(zhì)的選擇，既要能方便地散布進(jìn)流場，又要能夠適應(yīng)流場環(huán)境，避免其它分子(O2、H2O等)的碰撞淬滅。超分子1-BrNp Gβ-CD ROH作為液體流場的標(biāo)記，應(yīng)用比較成功，M. M. Koochesfahani 進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹[22-23]。對于氣態(tài)流場，聯(lián)乙酰作為標(biāo)記示蹤分子在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)流場等湍流場的速度場測量中得到一定的使用[7, 24]，但不幸的是，由于在有氧環(huán)境中磷光淬滅嚴(yán)重，造成該種標(biāo)記分子目前還僅限用于基礎(chǔ)的氣體動力學(xué)研究，未在實際的風(fēng)洞實驗以及燃燒流場中得到應(yīng)用。

作為流場標(biāo)記的OH是用激光解離流場中通常存在的水分子產(chǎn)生的，是一種不需要外加注入種子的方法。1988年，J. A. Shirley和L. R. Boedeker[19]使用輸出波長為248nm的氟化氪(KrF)準(zhǔn)分子激光，利用雙光子激發(fā)的方式解離水產(chǎn)生OH作為流場的標(biāo)記示蹤分子，但由于雙光子吸收截面小，只能在激光功率密度很高的區(qū)域產(chǎn)生解離，標(biāo)記線長度短。1999年，J. A. Wehrmeyer等人[20]對該方法進(jìn)行了改進(jìn)，利用氟化氬(ArF)準(zhǔn)分子激光器輸出的波長193nm激光作為標(biāo)記激光，利用單光子吸收激發(fā)的方式解離水產(chǎn)生OH標(biāo)記，所需的激光功率密度顯著降低，使得技術(shù)的實用性得到了大大提高。解離產(chǎn)生的OH壽命在常溫常壓環(huán)境中約幾十μs量級，在高溫環(huán)境中則很長，通常情況下可以忽略其壽命對測量的影響。并且，高溫環(huán)境下由于更多的水分子處于振動的激發(fā)態(tài)，使得對193nm光子的吸收截面大大增大(1500K溫度下，水對193nm激光的吸收截面是常溫下的約500倍)。因此，OH作為標(biāo)記在高溫甚至反應(yīng)流場中具有非常好的應(yīng)用優(yōu)勢。

NO是另一種使用較多的標(biāo)記示蹤分子。產(chǎn)生NO標(biāo)記分子的方法有幾種，通過激光解離注入流場的NO2分子產(chǎn)生NO是其中之一。NO2分子的解離極限是3.115eV(對應(yīng)的光波長398nm)，常用的紫外激光光子能量都可以滿足要求。1999年，C. Orlemann等人[21]利用輸出波長308nm的XeCl準(zhǔn)分子激光解離NO2產(chǎn)生NO進(jìn)行標(biāo)記，NO壽命可達(dá)20ms。由于固體激光使用更加方便，后來的研究中輸出波長355nm的三倍頻YAG激光器代替了準(zhǔn)分子激光器作為解離激光源[25]。另外一種產(chǎn)生NO標(biāo)記的方法是用激光解離注入流場的N2O(笑氣)分子[26]，由于N2O無毒無腐蝕性，對實驗人員、實驗設(shè)備和環(huán)境的保護(hù)比NO2要好。直接利用流場中存在的NO也是一種方法[27]，用激光誘導(dǎo)熒光的方式激勵NO到激發(fā)態(tài)，然后拍攝它的熒光輻射進(jìn)行速度測量，這種方法與使用磷光分子進(jìn)行速度測量的思想類似，但熒光輻射時間通常很短(10-7～10-9s)，并且激發(fā)態(tài)的NO容易受到流場中O2等分子碰撞淬滅影響使得熒光輻射時間更短，因此這種方法適合用于時間間隔td可非常短的超高速流場，并且流場本身有NO存在，為低碰撞淬滅環(huán)境。理論上，NO作為標(biāo)記也可用于高溫反應(yīng)流場特性研究，S. Nakaya等人[25]曾在實驗室利用甲烷/空氣火焰流場進(jìn)行嘗試，并獲得了標(biāo)記圖像。但是高溫或反應(yīng)流場中無論是NO2或N2O都有可能分解或參與化學(xué)反應(yīng)，使得標(biāo)記的圖像信噪比大大降低。因此，大部分NO作為標(biāo)記的應(yīng)用實例仍主要針對常溫流場的研究。

RELIEF(Raman Excitation Laser Induced Electronic Fluorescence)技術(shù)是R. Mile等人[18]提出的利用振動激發(fā)態(tài)的O2作為標(biāo)記示蹤分子的方法[28]。利用2束激光(波長532和580nm)將O2通過拉曼激發(fā)的方式激勵到振動激發(fā)態(tài)作為標(biāo)記示蹤分子，并利用激光誘導(dǎo)熒光進(jìn)行顯示。由于激發(fā)是非線性過程，所需的激光功率密度比較高，因此產(chǎn)生的標(biāo)記區(qū)域較小，而且激光裝置也比較復(fù)雜。雖然M. Webster和W. Lempert[29]對系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，但仍局限用于環(huán)境良好的實驗室環(huán)境。

其它的分子標(biāo)記方法，如臭氧分子標(biāo)記(Ozone Tagging Velocimetry, OTV)[30]利用激光解離的方法將流場中的O2解離并復(fù)合產(chǎn)生O3，標(biāo)記分子壽命非常長，但標(biāo)記分子生成的時間也比較長，且在略高的溫度下O3會快速分解；激光解離流場中的N2和O2復(fù)合產(chǎn)生NO(Air Photolysis and Recombination Tracking, APART)[31]所需的激光能量密度也比較高。因此，RELIEF、OTV和APART雖然都是無需種子注入的MTV技術(shù)，但對流場環(huán)境要求比較高，實用范圍受到一定的限制。

飛秒激光電子激發(fā)標(biāo)記(Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging, FLEET)方法是J. B. Michael等人[32]最近提出的，利用飛秒激光非常高的功率密度(～1018W/m2)，通過多光子激發(fā)方式，與流場中的N2作用產(chǎn)生原子態(tài)N，N在復(fù)合過程中產(chǎn)生長壽命寬帶的可見光輻射。與激光態(tài)的磷光分子類似，該方法對標(biāo)記的顯示非常簡單方便。

2.2 標(biāo)記分子的顯示

上文已經(jīng)提到，對于能夠自發(fā)輻射光的標(biāo)記分子，比如激發(fā)態(tài)的磷光分子、FLEET方法中的N原子等，顯示方法非常簡單，只需在對分子完成標(biāo)記過程后，在隨后標(biāo)記分子的存在時間內(nèi)，利用相機(jī)對分子進(jìn)行拍攝即可。

對于本身不輻射光的標(biāo)記分子，如激光解離水產(chǎn)生的OH、解離或復(fù)合產(chǎn)生的NO等，就需要專門的顯示技術(shù)對它們進(jìn)行顯示。常采用的方法是PLIF技術(shù)，即利用另外1個與標(biāo)記分子共面的片狀激光共振激發(fā)標(biāo)記分子至電子激發(fā)態(tài)，通過拍攝激發(fā)態(tài)標(biāo)記分子向下躍遷時輻射的熒光達(dá)到顯示的目的。由于熒光輻射時間很短，1次激發(fā)只能得到1個時刻的標(biāo)記分子位置，因此要獲得2個時刻的標(biāo)記分子位置，常用的方法是在“寫”過程時(tw)先記錄標(biāo)記示蹤分子的圖像作為tr1時刻圖像，測量時的顯示圖像作為tr2時刻標(biāo)記位置圖像，以“讀”“寫”的時間間隔作為td。 顯示過程中，間隔時間td是需選擇的關(guān)鍵參數(shù)，如果td過大，雖然標(biāo)記分子在流場中移動距離d大，理論上速度計算精度更高，但是必然會造成測量空間分辨力的降低，而且標(biāo)記分子在流場中的擴(kuò)散會使得標(biāo)記線變模糊，不易分辨。但td過小，會使得標(biāo)記線在流場中移動距離很小，速度的計算精度會因此降低。 PLIF技術(shù)的共振激勵線選擇需根據(jù)待測流場的狀態(tài)(溫度和壓力等)進(jìn)行，根據(jù)對流場狀態(tài)的估算選擇共振吸收較強(qiáng)的激勵線，有助于增加信號強(qiáng)度。對于NO標(biāo)記分子的顯示，A. G. Hsu等[33]利用光解離生成的NO分別處于振動基態(tài)(ν=0)的激發(fā)態(tài)(ν=1)的特點，有針對性地選擇振動激發(fā)態(tài)的NO進(jìn)行顯示，還能夠有效地抑制流場中本身存在的NO背景的干擾。

在對標(biāo)記分子進(jìn)行顯示時，利用輻射光的衰減時間特性和光譜特性，同時可以進(jìn)行二維溫度場的測量。H. Hu等人[34]利用磷光分子輻射衰減曲線與溫度的關(guān)系，研究了同時測量溫度場和速度場的磷光分子標(biāo)記方法。J. B. Michael等人[35]在FLEET研究中，利用N復(fù)合輻射光譜的不同譜帶，也進(jìn)行了溫度場和速度場同時測量的研究。R. Sanchez-Gonzalez等人[36]利用雙色PLIF技術(shù)在對解離的NO標(biāo)記分子進(jìn)行顯示的同時，同時測量了流場的溫度。

2.3 數(shù)據(jù)處理

無論何種分子示蹤標(biāo)記技術(shù)，采用的數(shù)據(jù)處理程序基本上是相同的，通常有以下幾個步驟：(1)圖像的修正和放大倍率的標(biāo)定。指對拍攝相機(jī)所使用的成像裝置成像扭曲變形的修正和放大倍率的標(biāo)定，通常利用一個標(biāo)準(zhǔn)板圖像對成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校，編寫相應(yīng)的轉(zhuǎn)換程序，在實驗中對拍攝到的實驗圖像利用轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行處理。(2)標(biāo)記示蹤分子圖像的預(yù)處理。對于信噪比相對較低的實驗圖像，在不改變標(biāo)記分子圖像主要特征的前提下進(jìn)行降噪、勻化處理。(3)標(biāo)記分子位置提取。標(biāo)記分子位置提取是數(shù)據(jù)處理中最關(guān)鍵的一步，較詳細(xì)的描述在文章下段進(jìn)行。(4)速度場計算及還原。在獲得不同時刻標(biāo)記分子位置后，通過速度計算公式獲得不同空間位置的速度值，并進(jìn)行速度場的還原顯示。在間隔時間td很小的實驗中(激光脈沖寬度、相機(jī)開門時間可以與之比擬的情況下)，還需要對td的度量進(jìn)行細(xì)致的考慮，計入激光的脈沖形狀、相機(jī)的開門寬度等對測量的影響。

1996年，C. P. Gendrich等人[37]根據(jù)磷光分子標(biāo)記速度測量需求，提出了交叉標(biāo)記網(wǎng)格位置提取的直接相關(guān)方法，他們對2個時刻的標(biāo)記線交叉節(jié)點圖像進(jìn)行直接相關(guān)運(yùn)算，通過移動運(yùn)算的視窗，得到相關(guān)函數(shù)，通過多項式擬合的方式求相關(guān)函數(shù)的最優(yōu)解，得到2個時刻交叉點的位置差，位置提取精度可以達(dá)到亞像素級別。之后很長的一段時間內(nèi)這種方法作為各種分子標(biāo)記速度測量技術(shù)的常用方法。

2011年，M. C. Ramsey等[38]引入模板匹配的方法用于適應(yīng)湍流場速度測量中標(biāo)記線網(wǎng)格的扭曲變形。構(gòu)造了一個可變形的交叉模板，利用這個模板分別與不同時刻的實驗圖像進(jìn)行相關(guān)計算，分別得到相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而求相關(guān)函數(shù)最優(yōu)解的方式得到不同時刻標(biāo)記線交叉節(jié)點的位置。這樣的處理使得計算過程可容忍標(biāo)記網(wǎng)格的扭曲，有效提高了湍流場標(biāo)記分子位置的提取精度。

3 近期的應(yīng)用

MTV技術(shù)在流場的特性研究中已經(jīng)獲得了較好的應(yīng)用，比如磷光分子標(biāo)記示蹤技術(shù)在活塞式內(nèi)燃機(jī)流場研究的應(yīng)用[24, 39]，NO和OH作為標(biāo)記示蹤分子在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用等。本節(jié)主要列舉NO和OH作為標(biāo)記示蹤分子在超聲速內(nèi)流場速度測量、高速流動邊界層的速度輪廓研究和尾流速度測量等的幾個應(yīng)用實例，并對實際應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行總結(jié)分析。

3.1 超聲速流動速度測量

R. W. Pitz等[6]利用193nm激光作為解離光源，283nm激光探測OH的HTV技術(shù)對Ma2超聲速流道凹腔內(nèi)的速度分布進(jìn)行了測量研究。實驗的驅(qū)動氣體為干燥空氣，作者在流場中加入了少量的水用于作為產(chǎn)生OH標(biāo)記示蹤分子的母體。測量得到的典型HTV圖像如圖3(a)所示，通過改變測量高度，得到了凹槽內(nèi)速度的分布。2011年，A. N. Perkins等人[40]利用該技術(shù)研究了置于激波管內(nèi)頭部為弓形和錐形的試件表面的流動速度分布，流場氣體為含水的氦氣。圖3(b)為得到的標(biāo)記網(wǎng)格圖像。

圖3 超聲速流動中多線HTV測量圖像[6,40]

作者所在的課題組利用單線HTV技術(shù)，分別對燃料為H2/空氣的超聲速羽流和流道內(nèi)的流動進(jìn)行了測量[41-42]。圖4為在超聲速羽流中得到的標(biāo)記線圖像和計算的速度分布數(shù)據(jù)，其中圖4(a)、(b)和(c)分別對應(yīng)于羽流的膨脹區(qū)域、膨脹壓縮中間區(qū)域和壓縮區(qū)域。圖5為在Ma2的超聲速流道內(nèi)測量獲得的標(biāo)記線圖像及沿標(biāo)記線上的速度分布數(shù)據(jù)，x坐標(biāo)的0點對應(yīng)于流道壁面。

圖4 超聲速噴流單線HTV測量圖像[41]

圖5 超聲速噴流單線HTV測量圖像

3.2 高速流動邊界層速度測量

對于邊界層速度測量，通常采用單線或多線標(biāo)記技術(shù)，不使用交叉網(wǎng)格的排布方式，而是將標(biāo)記激光垂直入射到待測的邊界上。P. Danehy等人[27]利用激光誘導(dǎo)熒光激發(fā)流場中的NO至激發(fā)態(tài)作為示蹤分子，在Ma8.5激波管風(fēng)洞上，測量了超聲速邊界層速度輪廓，由于熒光輻射時間很短，為了減少碰撞淬滅對熒光壽命的影響，使用98.9% 的N2與1.1%的O2混合作為工作氣體。B. F. Bathel等人[43-44]利用355nm激光解離NO2產(chǎn)生的NO作為標(biāo)記示蹤分子，在Ma10風(fēng)洞上，針對楔形金屬塊表面的流動進(jìn)行了測量，主要用于研究邊界層的轉(zhuǎn)換。為了防止激光束對金屬表面的損傷，在金屬塊上的激光作用區(qū)域安裝了光學(xué)窗口。圖6為得到的標(biāo)記線圖像，自上向下分別對應(yīng)于時間間隔td逐漸增大的情況。近期，N. D. Calvert等人[45]利用FLEET 也進(jìn)行了邊界層速度測量嘗試。

圖6 高速流動邊界層NO-MTV測量圖像[43]

3.3 尾流速度測量

A. G. Hsu等人[46]利用光解離NO2產(chǎn)生的NO作為標(biāo)記示蹤分子，在實驗室測量噴管噴出的流場速度分布，給出了精細(xì)的速度分布，并與CFD計算的結(jié)果進(jìn)行了對比。A. N. Perkins等人[47-48]利用HTV技術(shù)對燃燒航空煤油的SR30縮比型渦輪發(fā)動機(jī)和全尺寸J85渦輪發(fā)動機(jī)的尾流進(jìn)行了速度測量。在燃燒比較充分的情況下，得到了較好的測量圖像，圖7為對J85發(fā)動機(jī)測量的結(jié)果，但在燃燒不充分的情況下，由于未燃的燃料對標(biāo)記激光的吸收，沒有獲得可用的圖像。

圖7 J85渦輪發(fā)動機(jī)尾流HTV圖像[48]

3.4 實際應(yīng)用遇到的主要問題

MTV在比較大型的實驗平臺(如超聲速激波風(fēng)洞和全尺寸的發(fā)動機(jī)等)中的測量應(yīng)用中，面臨著在光學(xué)實驗室沒有遇到的許多問題，主要如下：

(1) 反應(yīng)流動中燃料和背景對測量的影響

目前，MTV技術(shù)大多數(shù)的應(yīng)用還局限于非反應(yīng)流動。對于反應(yīng)流動，在實驗室較好的環(huán)境部分標(biāo)記技術(shù)(如OH、NO)還能夠勝任，但在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中，還存在較多問題，主要有：一是反應(yīng)流場本身存在的中間產(chǎn)物會形成強(qiáng)烈的背景干擾影響測量圖像的信噪比；二是在復(fù)雜燃料的反應(yīng)流動中，大分子燃料(航空煤油等)的存在會對標(biāo)記激光產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收，使得解離效率降低，對于使用短波長標(biāo)記激光的HTV技術(shù)影響尤為明顯。

(2) 振動對測量的干擾

在需要利用PLIF技術(shù)進(jìn)行顯示的標(biāo)記技術(shù)中，如上文所述，由于示蹤分子的位置在“寫”過程時已經(jīng)精確知道，為了簡化實驗設(shè)備，以“寫”時刻示蹤分子的位置作為初始位置，通常僅執(zhí)行1次“讀”過程，此時時間間隔td=tr1-tw。這對于比較穩(wěn)定的測量環(huán)境是可行的，但對于存在較大振動干擾的環(huán)境，測量系統(tǒng)受到振動引起的位移可能帶來較大的測量誤差。針對振動干擾，也研究了相應(yīng)對策，但還存在局限性和適用范圍。比如，A. N. Perkins等人[49]在燃燒煤油的流場測量應(yīng)用中，通過依次記錄標(biāo)記激光誘導(dǎo)的煤油熒光(tw時刻)和標(biāo)記分子熒光(tr1時刻)來實現(xiàn)對振動干擾的抑制，但由于標(biāo)記分子熒光和流場中的煤油熒光在光譜上不完全匹配，tw時刻圖像信噪比不高。J. A. Inman等人[50]針對開放流場，將標(biāo)記線穿過整個流場并使得部分標(biāo)記線處于靜止場中，以一副圖像中處于靜止場和流動場的標(biāo)記線位置分別作為tr1和tr2時刻的位置，也有效地降低了振動的干擾，但這種方法也僅適用于開放流場中。

(3) 內(nèi)流場測量中光學(xué)窗口的影響

對于內(nèi)流道流場測量，光學(xué)窗口會對測量造成一定麻煩，一方面玻璃本身吸收激光，造成激光能量利用效率的降低；另一方面玻璃容易受到激光的損傷，限制了入射激光能量的提高，因此會造成測量圖像信噪比的降低。實驗中應(yīng)盡量選擇純度高、透光性能好的光學(xué)窗口材料。

4 結(jié) 論

綜上所述，MTV技術(shù)是一類新興的速度測量技術(shù)，由于以分子作為流場標(biāo)記，可以認(rèn)為是對流場的直接測量，無流場跟隨性問題。但相比于PIV技術(shù)，大部分MTV技術(shù)所需的儀器設(shè)備更加昂貴，技術(shù)實現(xiàn)更加復(fù)雜。因此，MTV技術(shù)是對PIV技術(shù)很好的補(bǔ)充，在PIV技術(shù)應(yīng)用受到限制的超高速流場、含有強(qiáng)激波的流場、邊界層流動等測量中能夠發(fā)揮重要作用。

有些標(biāo)記示蹤分子不僅能夠在流場速度測量中發(fā)揮作用，而且利用它們的輻射光譜和時間特性，或者使用雙色PLIF技術(shù)，可以同時實現(xiàn)流場的溫度場測量，這對于燃燒反應(yīng)動力學(xué)和流體動力學(xué)的相互作用研究具有非常重要的意義，應(yīng)是MTV技術(shù)下一步發(fā)展的方向之一。

在環(huán)境相對復(fù)雜的大型試驗流場特性研究中，強(qiáng)振動、光學(xué)窗口等帶來的干擾和影響是待解決的工程問題。而對于燃燒化學(xué)反應(yīng)流場，背景干擾是下一步待解決的主要問題。

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(編輯：楊 娟)

Development and application of molecular tagging velocimetry

Ye Jingfeng1,2，*, Hu Zhiyun2, Liu Jingru2, Song Wenyan1

(1. School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi′an 710024, China)

Molecular tagging velocimetry is a kind of laser diagnostic technique for flow display and velocity measurements. In this paper, the authors introduced the molecular tagging velocimetry in detail by analyzing the technique development of tag creating, tag displaying, and data processing. Several application examples of the velocity measurements of supersonic flow, boundary layer flow and the exhaust gas of engine using OH and NO tagging techniques were listed. The problems that the molecular tagging velocimetry has encountered in industrial application, such as the background in reaction flow, the strong vibration environment and the optical windows restriction, were discussed and analyzed.

laser diagnostics;molecular tagging;velocity measurement;flow

1672-9897(2015)03-0011-08

10.11729/syltlx20140079

2014-07-09;

2014-10-12

激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室基金課題(SKLLIM1207)

YeJF,HuZY,LiuJR,etal.Developmentandapplicationofmoleculartaggingvelocimetry.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(3): 11-17, 61. 葉景峰, 胡志云, 劉晶儒, 等. 分子標(biāo)記速度測量技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展. 實驗流體力學(xué), 2015, 29(3): 11-17, 61.

TN249

A

葉景峰(1979-)，男，河南西平人，副研究員。研究方向：燃燒流場激光診斷技術(shù)研究及應(yīng)用。通信地址：陜西西安西北核技術(shù)研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室(710024)。E-mail：yejingfeng@nint.ac.cn

*通信作者 E-mail: yejingfeng@nint.ac.cn