胡志云, 葉景峰, 張振榮, 王 晟, 李國華, 邵 珺, 陶 波, 趙新艷, 方波浪

(西北核技術研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室, 西安 710024)

0 引 言

航空渦輪/渦扇發(fā)動機和超燃沖壓發(fā)動機等動力裝置的燃燒效率、動力性能、瞬態(tài)響應性能和污染物排放控制等均與燃燒密切相關。由于發(fā)動機燃燒過程極其復雜，表現(xiàn)為強湍流與燃燒化學反應的強相互耦合，在對其湍流燃燒問題的探究中，流動和燃燒參量的測量非常重要。一方面，流動和燃燒參量(例如，速度、溫度、組分濃度等)的高時空分辨測量是認識和理解發(fā)動機湍流與燃燒相互作用現(xiàn)象和規(guī)律的重要手段；另一方面，較完備的實驗測量數(shù)據(jù)是發(fā)展含有燃燒化學反應的計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真軟件的基礎，高保真CFD仿真是先進發(fā)動機重要的預測設計方法。

激光燃燒診斷技術是以激光器件、光譜物理、光電探測、數(shù)據(jù)圖像處理等為基礎的非接觸式測量技術，已發(fā)展成為當前湍流燃燒實驗研究的主要測量工具。相較于傳統(tǒng)的接觸式測量手段，其具有如下優(yōu)勢：首先，激光診斷技術是非侵入式測量技術，對燃燒流場基本沒有擾動，測量結果能更好地反映真實的燃燒過程；其次，激光診斷技術通常有很高的時空分辨力，其時間分辨力可以達到納秒甚至飛秒量級，空間分辨力可以達到毫米甚至微米量級；第三，測量信息豐富，可獲取燃料霧化、流動速度、燃燒場溫度及組分濃度等各種信息，有利于較全面地了解燃燒過程；第四，一些技術能夠用于燃燒流場參數(shù)的可視化測量，結合圖像處理與圖像顯示等手段，可以模擬與顯現(xiàn)燃燒場的各種變化特性。

由于航空發(fā)動機湍流燃燒的高度復雜性(寬的壓強、溫度、流速范圍，復雜的燃燒組分，強湍流等)和試驗臺運行的惡劣試驗環(huán)境(強振動、強聲、強自發(fā)光和強電磁干擾等)，激光燃燒診斷技術應用于發(fā)動機燃燒試驗測量極具挑戰(zhàn)性。例如，激光與煤油燃燒復雜組分相互作用會產(chǎn)生較為嚴重的光譜噪聲干擾，使得高信噪比光譜圖像的獲取難度增大；分子吸收系數(shù)、分子躍遷及能量轉移、發(fā)射譜精細結構及展寬系數(shù)、熒光淬滅等與壓強密切相關，高壓強下燃燒參數(shù)的高精度反演更趨復雜；高湍流度下薄的火焰鋒面、大的組分濃度和溫度梯度分布，使得光譜分析和定量表征更為困難；試驗臺的惡劣試驗環(huán)境會引起光路的失調(diào)、激光頻率的漂移、激光源和成像設備運行穩(wěn)定性和可靠性變差等。特別是高壓強和高超聲速湍流燃燒場激光診斷技術仍是國際研究的前沿和挑戰(zhàn)性問題，實驗數(shù)據(jù)極度缺乏。

本文基于本課題組在激光燃燒診斷技術領域的研究工作，從航空發(fā)動機湍流燃燒場溫度、速度、組分濃度等參量的高時空分辨定量測量，對相關的激光燃燒診斷技術基本原理、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行介紹，并對存在的主要問題和發(fā)展趨勢進行探討。

1 湍流燃燒溫度測量技術

1.1 相干反斯托克斯拉曼散射測溫技術

相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering，CARS)技術[1]是依據(jù)探測介質的拉曼位移選定窄帶泵浦光束和寬帶斯托克斯光束(約100cm-1)，并以相位匹配方式聚焦到燃燒火焰區(qū)與探測介質相互作用，由三階非線性效應產(chǎn)生共振CARS信號。因CARS信號的光譜線型輪廓依賴于溫度，采用CARS實驗光譜與理論光譜線型擬合的方法可實現(xiàn)溫度的反演，其測溫范圍在300～3000K。由于航空發(fā)動機采用燃料和空氣混合燃燒，燃燒流場中氮氣含量豐富且氮氣的CARS理論譜計算已十分成熟，因此通常選擇氮氣作為探測組分進行溫度測量。CARS測溫系統(tǒng)的激光源通常采用調(diào)Q-Nd:YAG二倍頻激光器及其泵浦的染料激光器或OPO激光器，重復頻率一般在10～100Hz，單脈沖CARS信號的時間分辨力在納秒量級。為了實現(xiàn)高空間分辨力測量，通常采用折疊BOX CARS的相位匹配方式，其空間分辨力可達Φ0.1mm×1mm。但BOX CARS對入射激光的相位匹配角度要求極嚴格，其光路準直難度很大，需要極其精密的光學調(diào)節(jié)器件；另外，流場的高湍流度和發(fā)動機試驗的強振動引起的相位匹配失調(diào)會導致BOX CARS信號的急劇衰減甚至消失。為減小相位匹配的失調(diào)和光路準直難度，采用非穩(wěn)腔空間增強探測(Unstable-Resonator Spatially Enhanced Detection，USED) CARS相位匹配方式[2]更為有利，其泵浦光束為環(huán)狀光束，斯托克斯光束位于環(huán)狀光束的中心且聚焦區(qū)域外不與泵浦光束重疊。USED CARS信號產(chǎn)生于泵浦光束和斯托克斯光束的共同聚焦區(qū)域，能獲得接近BOX CARS的空間分辨力，其光路準直變得相對容易，且流場折射率變化以及強振動引起的光束偏折的影響大大減小。

CARS為單點測溫技術，在實際應用中也可通過探測點的掃描移動，借助圖像重建算法，獲得二維空間分布平均溫度場信息[3]。一些發(fā)動機試驗臺能夠長時間運行，這為CARS掃描測量提供了可能。另外，對于短時(<30s)運行發(fā)動機燃燒試驗，若在相同來流條件和油氣比條件下，實驗重復性較好，也可通過多車次實驗，采用探測點掃描測量獲得平均溫度空間分布信息[4]。

CARS技術具有信號方向性好、不易受強光背景干擾、測溫精度高等優(yōu)點，至今仍是燃燒場溫度高精度測量的主要工具[5]，已廣泛用于寬壓強范圍的航空渦輪/渦扇發(fā)動機[6-8]、內(nèi)燃機[9]、超燃沖壓發(fā)動機[10-11]、雙模態(tài)沖壓發(fā)動機[12]等模型燃燒室流場溫度的測量。圖1是CARS技術在RQL氣體渦輪燃燒室中應用的一個例子[8]，實驗采用Jet-A燃料，燃燒室進口空氣溫度725K，燃燒室壓強為0.70和1.03MPa。圖1(a)標示了探測點的位置，圖1(b)為由測量的各探測點的平均溫度構建的溫度場圖像。

CARS技術的光路布局見文獻[13]，其光學系統(tǒng)較為復雜，對光束準直和調(diào)節(jié)要求極其精密。為使CARS系統(tǒng)能夠滿足發(fā)動機試驗臺惡劣試驗環(huán)境測試要求，本課題組在CARS測溫技術研究基礎上，研發(fā)了高集成度可移動式CARS測溫系統(tǒng)，如圖2所示，由信號產(chǎn)生模塊、信號接收模塊、光譜成像模塊和數(shù)據(jù)采集控制模塊等組成。其中，信號產(chǎn)生模塊由調(diào)Q高功率Nd:YAG二倍頻激光器、寬帶染料激光器、激光傳輸光路等組成，信號接收模塊由透鏡組、濾光片、光纖和精密位移臺等組成，光譜成像模塊由攝譜儀和ICCD相機等組成，數(shù)據(jù)采集分析模塊由同步裝置、計算機和光譜分析軟件等組成?？梢苿邮紺ARS測溫集成系統(tǒng)的測量重復頻率10Hz，單脈沖時間分辨力約10ns，測量點空間分辨力約Φ0.1mm×3mm，測溫范圍300～3000K?？梢苿邮紺ARS測溫系統(tǒng)采用模塊化高集成度設計，使得系統(tǒng)光路易于調(diào)試，其在發(fā)動機現(xiàn)場運行有很高的穩(wěn)定性；光學元件的支撐采用了抗振動設計，大大減小了強振動和強聲等惡劣環(huán)境對測量的影響；采用探測點定位單元與信號接收單元的同步精密掃描設計，具備了探測點的空間掃描測量能力；設備控制和數(shù)據(jù)采集采用遠程控制，保證了測試人員的安全。這些工程應用設計為精密CARS測溫系統(tǒng)應用于航空發(fā)動機模型燃燒室地面燃燒試驗測量奠定了基礎。

(a) 測量位置

(b) 平均溫度場圖像

Fig.1TheaveragetemperaturemeasurementresultsofaRQLmodelcombustorstabilizedatpressureof0.70and1.03MPa[8]

圖2 自行研制的高集成度可移動式CARS測溫系統(tǒng)示意圖

Fig.2Schematicsetupfortheself-developed,high-integratedandmobileCARSsystem

研發(fā)的可移動式CARS測溫系統(tǒng)已成功應用在航空渦輪/渦扇發(fā)動機和超燃沖壓發(fā)動機的模型燃燒室內(nèi)部及出口流場溫度的測量。圖3是以航空煤油為燃料的航空渦輪/渦扇發(fā)動機模型燃燒室內(nèi)部流場測量的典型結果[3]。CARS測量采用探測點空間掃描方式，測量平面位于主燃孔中心前10mm與噴嘴中心軸線垂直截面上，y為高度方向，z為寬度方向，o點為截面中心。相鄰探測點間隔5mm，每個探測點測量時間19s，由每個探測點上測量的190個單脈沖CARS實驗譜獲得脈沖平均譜并計算該探測點的平均溫度。在煤油復雜燃燒場中，激光作用下產(chǎn)生的隨機噪聲譜會疊加在單脈沖CARS譜上，使得單脈沖CARS譜信噪比變差，對CARS譜進行脈沖平均可有效消除隨機噪聲譜的影響，脈沖平均CARS實驗譜的信噪比可達到CH4/air預混火焰脈沖平均CARS譜[1]的水平，圖3(a)為脈沖平均CARS實驗譜與理論譜擬合溫度典型結果，測溫不確定度優(yōu)于3%。圖3(b) 是獲得的平均溫度場圖像，能夠清晰地顯示燃燒高溫區(qū)域以及溫度的梯度分布，反映了上下主燃孔加熱來流空氣對主燃燒區(qū)域的約束。

圖3 航空發(fā)動機模型燃燒室內(nèi)部流場平均溫度測量結果[3]

Fig.3Theaveragetemperaturemeasurementresultsofanaero-enginemodelcombustor[3]

圖4為Ma2.0預熱來流條件下以氫氣為燃料的超燃沖壓發(fā)動機模型燃燒室出口溫度隨時間變化結果[14]，探測位置距燃燒室出口10mm、距燃燒室出口上沿12.5mm、寬度方向在流場中心，氫燃料從燃燒室上壁面噴嘴注入，燃燒時間約10s。在以氫氣為燃料的超聲速燃燒流場中獲得的單脈沖CARS實驗譜可達到CH4/air預混火焰單脈沖CARS譜[1]的水平，圖4(a)是典型的高信噪比單脈沖CARS實驗譜與理論譜擬合溫度結果，測溫不確定度優(yōu)于5%。圖4(b)中CARS測量溫度平均值為1705K，CFD理論計算溫度值為1723K。CARS測溫結果不僅驗證了CFD模型的合理性，而且還反映了燃燒過程的不穩(wěn)定性。

在ns CARS技術中，產(chǎn)生共振CARS信號的同時會產(chǎn)生非共振四波混頻信號，非共振信號的存在會降低CARS技術的測量精度和靈敏性[15]。隨著ps和fs激光器技術的問世和發(fā)展成熟，超快光譜CARS技術發(fā)展很快，其主要的優(yōu)點是可以有效抑制非共振背景的影響，提高測量精度，從而有利于應用到高壓強環(huán)境燃料燃燒過程的研究。Roy和Gord等[16]對ns、ps和fs CARS進行了系統(tǒng)性研究，他們采用脈寬為135ps的泵浦光和106ps的斯托克斯光，在探測光延遲為110ps的條件下，測量了氮的CARS譜，相對于ns CARS技術其非共振背景得到了有效抑制。他們采用脈寬80fs激光器，使探測光相對延遲2ps，實現(xiàn)300～2400K溫度范圍內(nèi)測量精度達到1%～1.5%[17]；譜線和壓強變化關系的研究證明了探測光相對泵浦光的幾個ps的延遲，碰撞的影響可以忽略[18]。ps和fs CARS能夠有效抑制非共振背景對測溫的影響，非常適合于高壓強燃燒環(huán)境的測量，而且fs CARS很容易實現(xiàn)kHz甚至MHz的高重頻測量，有利于發(fā)動機試驗中流場溫度脈動的監(jiān)測。但由于ps和fs激光器極其精密復雜，對實驗環(huán)境的要求極為苛刻，在發(fā)動機試驗臺上的應用需要進一步解決強振動環(huán)境下激光器運行的穩(wěn)定性和可靠性問題。

(b) 溫度隨時間變化結果

Fig.4Themeasuredtemperatureversustimeattheexitofscramjetengine[14]

1.2 PLIF測溫技術

平面激光誘導熒光(Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF)技術[19]通常基于探測組分能級的玻爾茲曼分布來反演溫度，可用于火焰的二維溫度場測量。湍流燃燒常采用雙色PLIF測溫方法，其基本原理是合理選擇2束不同波長的激光片，使其在間隔極短的時間內(nèi)(一般約數(shù)百納秒，使得總粒子數(shù)在該時間段內(nèi)來不及變化)順序通過燃燒火焰的同一位置，利用不同轉動能級的共振吸收將處于基態(tài)的組分分子激勵到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的分子向下躍遷產(chǎn)生熒光，在足夠低的激光功率密度下，熒光信號強度與激光功率密度成線性關系，且2束不同波長激光激發(fā)的熒光信號強度的比值反映了選定組分基態(tài)轉動能級的分子數(shù)密度分布，因此可由探測到的2次激發(fā)的熒光信號強度的比值反演溫度。溫度的精確反演需要知道探測組分光譜信息及激發(fā)態(tài)能級能量再分布過程，由于激光將探測粒子泵浦至上能級后會經(jīng)歷自發(fā)輻射、碰撞能級轉移、極化效應、淬滅等過程，而這一過程取決于具體的探測組分能級、化學成分組成以及壓強等。采用1個已知溫度火焰來標定LIF技術能夠降低碰撞淬滅、飽和熒光和譜線疊加等因素引起的測溫誤差。雙色PLIF測溫技術需要2臺Nd:YAG泵浦的染料激光器和2臺用于信號探測的ICCD相機，為了提高溫度的測量精度，還需要額外的2套相機系統(tǒng)實時監(jiān)測激光強度空間分布和能量的抖動。

在燃燒場溫度測量中，通常以OH作為激光作用介質，基于OH的雙色PLIF方法已用在以氫氣為燃料的超燃沖壓發(fā)動機模型燃燒室二維溫度場的可視化測量[20]，以及煤油為燃料的渦輪發(fā)動機燃燒室貧油燃燒區(qū)溫度場測量[21]，如圖5所示。OH熒光需采用紫外激光進行激發(fā)，但紫外激光會同時激發(fā)煤油熒光，煤油熒光光譜范圍覆蓋了OH熒光光譜，難以從時間或光譜上加以區(qū)分，不適用于煤油富油燃燒區(qū)溫度場的定量測量，如圖5(a)中黑色網(wǎng)格狀區(qū)域。另外，由于OH復雜的能級結構，使得其熒光極易受碰撞淬滅的影響，壓強分布不均勻或高壓強湍流燃燒場溫度的高精度測量仍十分困難。

(a) (b)

圖5 0.6MPa條件下發(fā)動機燃燒室溫度場測量結果(a)和CFD計算結果(b)[21]

Fig.5Themeasuredtemperature(a)andCFDcomputationresults(b)inthe0.6MPaenginecombustor[21]

為了消除碰撞淬滅等因素對熒光信號的影響，Kaminski等人[22]采用雙色銦原子熒光(Two Line Atomic Fluorescence，TLAF)實現(xiàn)了SI發(fā)動機內(nèi)溫度場的測量。銦原子的注入方式是在發(fā)動機運行過程中將InCl3溶液撒播在燃燒室中，InCl3在燃燒反應區(qū)分解產(chǎn)生豐富的銦原子，銦原子的注入量應控制在一定的范圍內(nèi)，以避免引起火焰冷卻效應和銦原子的強吸收。TLAF方法采用410和451nm激光分別激發(fā)銦原子并產(chǎn)生熒光，由于2個熒光過程中的能級躍遷共享同一上能級，能夠減小甚至消除由壓強變化引起的熒光淬滅對溫度測量的影響，其溫度敏感范圍在800～2800K，適用于寬壓強范圍燃燒反應區(qū)溫度場測量；由于采用可見光激光進行激發(fā)，能夠避免煤油熒光的干擾，適用于富油燃燒區(qū)的測量。Kaminski等人對1.4MPa高壓SI發(fā)動機的測量采用了低功率激光，保證了熒光強度與激光功率的線性關系，獲得了曲柄不同轉動角度的平均溫度場圖像，測溫精度約14%，但單次熒光圖像信噪比水平不高。Medwell等[23-24]提出并研究了非線性TLAF(NTLAF)方法，采用較高功率激光進行激發(fā)，獲得了高信噪比單脈沖熒光圖像，常壓火焰的單次熒光圖像測溫誤差約60K，若采用帶寬為1.2nm的濾光片降低雜散光的干擾，測溫誤差可進一步降低，實驗研究還表明碳煙所產(chǎn)生的干擾對測溫結果沒有明顯影響。這些研究表明NTLAF技術有望發(fā)展成為寬工況發(fā)動機燃燒室復雜湍流燃燒溫度場的高分辨、高精度診斷工具。

2 發(fā)動機內(nèi)流場速度測量技術

對于發(fā)動機燃燒室速度場測量，相對成熟的是PIV技術， PIV技術已廣泛應用于亞聲速和較低馬赫數(shù)超聲速流場速度場的精細測量。但PIV技術需要在流場中撒播微米級或亞微米級的微小顆粒作為示蹤物，由于跟隨性的局限，難以實現(xiàn)高馬赫數(shù)或存在大梯度速度分布的流場測量，特別是在高溫高超聲速流場環(huán)境中，亞微米級顆粒易于積聚或燒熔，速度場的測量十分困難。

分子標記測速技術(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)MTV技術[25]是以分子作為標記示蹤的流場速度測量技術，它與PIV技術的測量原理類似，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技術采用質量較大的粒子作為示蹤物，而 MTV技術采用分子作為示蹤物，能夠克服PIV技術在超高速流動尤其是含有強激波的流場中的示蹤粒子跟隨性問題。在MTV技術中，NO2、N2O、O3、磷光物質等作為示蹤分子時，由于其在燃燒場中可能分解或參與化學反應，使得標記的圖像信噪比大大降低，因此主要用于低溫流場速度的測量。振動激發(fā)態(tài)的O2作為標記示蹤分子的方法和飛秒激光電子激發(fā)N2標記(Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging, FLEET)方法對激光源要求很高，測量裝置比較復雜，應用仍局限于環(huán)境良好的實驗室環(huán)境[25]。

對于高溫超聲速甚至高超聲速流場速度的測量， 羥基分子標記測速(Hydroxyl Tagging Velocimetry, HTV)技術[26]是一種十分有前景的激光測速方法。HTV速度測量技術利用ArF準分子激光器輸出的193nm波長激光解離水(燃燒產(chǎn)物)產(chǎn)生的OH作為示蹤標記線，再用設定延遲時間的OH-PLIF激光片誘導OH產(chǎn)生熒光并顯示OH示蹤標記線位置，基于時間-位移相關算法計算流場速度。HTV測速采用分子作為示蹤物，不存在流場跟隨性問題，且解離產(chǎn)生OH的壽命在ms量級，非常適合于高溫超聲速和高超聲速流場速度的測量。HTV測速方法能夠和PIV測速方法很好互補，PIV可用于航空渦輪發(fā)動機和內(nèi)燃機燃燒室內(nèi)流速較低的流場測量，HTV用于超燃沖壓發(fā)動機高溫高超聲速流場的測量更有優(yōu)勢。

在高溫環(huán)境下， 193nm光子的吸收截面比常溫下可高2個量級(1500K溫度下，水對193nm激光的吸收是常溫下的約500倍)。因此，OH作為標記物在高溫甚至反應流場中具有很大優(yōu)勢，并已經(jīng)得到了較好的應用。Pitz等人[27]利用多線交叉網(wǎng)格HTV方法對超燃發(fā)動機燃燒室凹腔內(nèi)Ma2.0預熱來流的速度分布進行了測量研究。Alexander等[28]利用HTV方法對SR30縮比型渦輪發(fā)動機和全尺寸J85渦輪發(fā)動機的尾流進行了速度測量，得到了較好的速度圖像。在分子標記方法中，除了在實驗上需要盡可能獲得高信噪比的標記線圖像，數(shù)據(jù)處理方法也非常關鍵。Gendrich等[29]提出了交叉標記網(wǎng)格空間位置提取的直接相關算法，位置提取精度達到了亞像素量級。Ramsey等[30]引入模板匹配的方法用于適應湍流場速度測量中標記線網(wǎng)格的扭曲變形，進一步提高了湍流場中交叉標記網(wǎng)格空間位置的提取精度。

本課題組已發(fā)展了多線HTV測速方法，并應用在超燃沖壓發(fā)動機地面試驗內(nèi)流道速度分布的定量測量。實驗測量方案如圖6所示，用于解離水產(chǎn)生OH標記線的為1臺ArF準分子激光器，它輸出的波長193nm激光經(jīng)微柱面透鏡陣列整形和反射鏡反射后，自下而上沿y方向穿過深紫外石英窗口進入燃燒室并在測量區(qū)域形成多條激光線，激光線在測量區(qū)域的直徑約0.5mm。用于顯示OH標記線的為1套Nd: YAG泵浦的可調(diào)諧染料激光器系統(tǒng)，其發(fā)射的激勵OH熒光的激光束經(jīng)柱面透鏡組后在主氣流方向(x方向)上展寬，再經(jīng)凸透鏡將激光束壓縮成為寬度約50mm，厚度約0.2mm激光片。通過調(diào)節(jié)，使得該激光片在x方向與標記激光線處于同一平面內(nèi)。ICCD相機放置于燃燒室側面，鏡頭前加裝濾光片用于濾除OH熒光之外的背景光干擾。依據(jù)發(fā)動機試驗狀態(tài)設定ArF激光器和YAG激光器的出光延遲時間。實驗測量中，超燃發(fā)動機采用H2/air燃燒加熱來流、凹腔內(nèi)采用噴注煤油的方式組織燃燒，ArF激光標記線穿過待測區(qū)域，可獲得標記線上速率分布，其速度方向設定為沿氣流主方向，即x方向。由于HTV測速系統(tǒng)采用了良好的隔振設計，試驗臺強振動以及內(nèi)流道氣體流動對標記線初始位置幾乎不產(chǎn)生影響，可在試驗前拍攝標記線初始位置，也可采用2臺ICCD相機同時拍攝標記線初始位置和移動后的標記線位置。圖7為超燃沖壓發(fā)動機隔離段、燃燒室和出口3個不同馬赫數(shù)來流條件下(Ma2.0，Ma2.5，Ma3.5)標記線上速度分布的典型測量結果，燃燒室采用三點噴油，Ma2.0和Ma2.5三點噴油比例與Ma3.5不同，3個馬赫數(shù)來流條件下在燃料非劇烈反應區(qū)均能拍攝到清晰的標記線圖像，速度測量不確定度可優(yōu)于4%。但在燃料燃燒劇烈反應區(qū)域，由于燃燒反應生成的高濃度OH也會被激光激發(fā)產(chǎn)生熒光，使得拍攝的標記線不清晰，導致標記線空間位置的精確提取變得困難。因光解離水生成OH與燃燒產(chǎn)生OH的能級分布不同，選擇更為適合的OH激勵譜線抑制燃燒生成OH的熒光，有利于提高標記線信噪比。若要獲得OH-PLIF激光片截面內(nèi)二維矢量速度數(shù)據(jù)，ArF激光標記線需要采用多線網(wǎng)格交叉方式，依據(jù)網(wǎng)格點的移動計算速度的大小和方向。

圖6 超燃沖壓發(fā)動機模型燃燒室HTV速度測量方案

Fig.6TheschematicsetupforthevelocitymeasurementofscramjetmodelcombustorbasedonHTVtechnique

圖7 超燃沖壓發(fā)動機隔離段(line1)、燃燒室(line2)及出口(line3) 3個馬赫數(shù)下的速度分布測量結果

3 發(fā)動機湍流燃燒組分濃度測量技術

3.1 自發(fā)拉曼散射技術

燃燒場主要組分濃度的測量常采用自發(fā)拉曼散射(Spontaneous Raman Scattering，SRS)技術。SRS信號由激光與氣體分子的非彈性散射過程產(chǎn)生，拉曼散射光與激勵激光存在一定的頻差，該頻差與激勵激光的波長無關，僅由散射分子的振轉能級決定，且不同種類的分子振轉能級往往各不相同。因此，采用高分辨光譜成像器件可同時拍攝燃燒場小分子燃料和主要燃燒產(chǎn)物的拉曼光譜，并依據(jù)各組分的拉曼散射截面及其光譜強度計算濃度[31]。SRS信號強度與照射激光頻率的4次方成正比，由于SRS信號極弱(比瑞利散射信號小3個量級)，為提高信號強度，實驗測量一般采用短脈沖大功率紫外激光器。但是，燃料為煤油時，紫外激光很容易激發(fā)煤油產(chǎn)生強的熒光干擾，因此發(fā)動機燃燒室實驗大多采用小分子燃料作為替代燃料開展研究工作。例如，Grady[32]等人采用基于248nm可調(diào)諧KrF準分子激光的SRS方法測量了超燃沖壓發(fā)動機燃燒室主要反應物和生成物濃度分布，實驗采用70%的甲烷和30%氫氣混合作為燃料。Wedr等人[33]采用基于355nm激光的SRS方法，測量了以天然氣為燃料的高壓燃氣輪機燃燒場，獲得了激光傳輸線上主要反應物和生成物濃度一維分布定量結果，實驗數(shù)據(jù)用于校驗燃燒室內(nèi)湍流燃燒過程的大渦模擬(Large Eddy Simulations, LES)。近年來，Locke等人[34]采用長脈沖大能量532nm激光代替紫外波長激光，對燃料為JP-8航空煤油的燃燒室進行測量，獲得了探測區(qū)主要燃燒產(chǎn)物種類及其平均濃度數(shù)據(jù)，但單脈沖拉曼譜仍不能提取出定量信息。為實現(xiàn)航空發(fā)動機模型燃燒室主要組分濃度的一維分布測量，本課題組針對極弱自發(fā)拉曼散射信號探測問題以及商用光譜儀存在的F數(shù)大、光柵衍射效率低等不足，設計了F數(shù)約為2的大口徑、短焦距的信號收集系統(tǒng)，采用F數(shù)約為2的大口徑、非球面準直透鏡組及高分辨分光元件研制了拉曼散射專用光譜儀，信號探測效率提高了1個量級。因SRS信號強度與激光頻率的4次方成正比，與532和355nm激光相比，采用266nm激光可有效提高SRS信號強度?；谝陨霞夹g措施，獲得了3.0MPa壓強下航空發(fā)動機模型燃燒室煤油燃燒場中已燃區(qū)域沿激光線的主要組分濃度分布，圖8為測量的典型拉曼散射譜及主要組分濃度一維分布結果。實驗中發(fā)現(xiàn)，即使探測區(qū)存在很少量的煤油，其與激光作用產(chǎn)生的熒光也足以淹沒拉曼信號。這些研究為SRS方法更好地應用于發(fā)動機燃燒室測量提供了很好的借鑒，但如何抑制煤油等大分子碳氫燃料與激光作用產(chǎn)生的光譜噪聲干擾并對極微弱拉曼光譜信號進行高效探測仍需深入研究。

(a)

(b)

Fig.8TypicalmeasuredRamanspectrum(a)andmeasuredone-dimensionaldistributionofmajorcompositions(b)intheaero-enginecombustor

3.2 多色CARS技術

CARS技術也可用于火焰中O2、CO2、H2O、H2等組分濃度的測量。相較于溫度測量，組分濃度測量往往需要采用多色CARS技術同時獲取2種以上組分的CARS譜。發(fā)展至今，多色CARS已出現(xiàn)3種方案[35-37]，其中一種方案采用雙泵浦CARS方式，即以1臺倍頻YAG激光器和1臺窄帶染料激光器作為泵浦光源，而以1臺寬帶染料激光器作為斯托克斯光源，采用這種技術可同時測量2種成分的CARS光譜，且這2種成分CARS光譜中心的頻率間隔可以通過窄帶染料激光器的調(diào)諧改變，使得2種光譜可以在探測器上被同時接收。美國NASA Langley研究中心[37]采用雙泵浦CARS技術同時獲得N2和O2或N2和H2的CARS譜，其中N2的CARS譜用于確定探測點的溫度，圖9為采用空間探測點掃描方式獲得的超燃沖壓模型燃燒室內(nèi)部H2燃料燃燒流場不同剖面溫度和O2濃度分布結果[37]。

3.3 PLIF技術

PLIF技術適用于湍流燃燒中間反應物(OH/CH/CH2O等)濃度空間分布的測量。這些微量中間產(chǎn)物對燃燒化學反應進程十分關鍵，其空間分布的測量可以反映火焰的精細結構，確定燃燒反應發(fā)生的位置，給出燃燒反應的釋熱量，甚至通過2種組分的濃度場可以對反應速率進行成像[38]。Byrne等[39]采用PLIF方法測量了以氫氣和乙烯為燃料的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室OH濃度分布，獲得了湍流燃燒火焰結構，研究了不同壓力下氫和乙烯燃燒現(xiàn)象及規(guī)律，并對CFD結果進行校驗。Strakey等人[40]對(1～8)×105Pa壓力下的渦輪燃燒室內(nèi)OH和CH濃度分布進行了測量研究，起因于較長壽命OH的擴散，由OH熒光圖像的濃度梯度分布能夠獲得火焰結構，但會丟失火焰前鋒面的細節(jié)信息，火焰前鋒面精細結構的測量需要借助壽命極短的CH的熒光圖像。利用PLIF技術進行組分濃度空間分布測量必須考慮無輻射淬滅的影響，這需要詳細地了解淬滅受溫度、壓強和局部組分環(huán)境的影響，通過合理選擇熒光激勵線將淬滅效應的影響降到可接受的水平，此時才可以認為在可容忍的誤差范圍內(nèi)組分濃度與熒光強度成正比[41]。另外，在高壓強、高超聲速流動、強湍流度等極端條件下，高時空分辨熒光圖像才能反映大梯度精細結構和多尺度渦系結構。

圖9 超燃發(fā)動機燃燒室H2燃料燃燒不同剖面溫度(a)和O2濃度(b)分布結果[37]

Fig.9Themeasuredtemperature(a)andO2concentration(b)distributioninthehydrogenfueledscramjetcombustor[37]

隨著kHz以上高重頻大功率激光器和高重頻相機的發(fā)展，湍流燃燒多參數(shù)的高重頻可視化測量日益受到關注。例如，Slabaugh等人[42]聯(lián)合采用5kHz的OH-PLIF和PIV同時測量發(fā)動機模型燃燒室湍流燃燒火焰結構和速度場的演化過程，用于發(fā)展工業(yè)燃燒裝置的LES計算軟件。Sutton等人[43]基于10kHz的高重頻二極管激光泵浦Nd:YAG 激光器，對湍流火焰OH和CH2O二維空間分布以及溫度場等的快速演變進行可視化測量，這些工作有助于構建準確的湍流燃燒模型、提高發(fā)動機湍流燃燒的CFD仿真精度。由于高重頻可視化測量技術使得火焰結構及湍流流動的快速演變過程能夠被觀測，這對于發(fā)動機點火、熄火以及燃燒不穩(wěn)定性研究也非常重要。

4 結 論

激光燃燒診斷技術的開發(fā)和應用已是現(xiàn)代燃燒科學和應用技術發(fā)展的不可或缺的動力，在航空發(fā)動機湍流燃燒場的溫度、速度、組分濃度等參數(shù)高時空分辨測量中已廣泛應用，為湍流燃燒模型構建、CFD仿真驗證、發(fā)動機燃燒室設計提供了豐富的實驗數(shù)據(jù)。

在目前發(fā)展的激光燃燒診斷技術中，每種技術都有其局限性和適用范圍，需要根據(jù)探測對象的要求和特點，選擇合適的激光診斷技術。在航空發(fā)動機溫度測量中，CARS技術能夠實現(xiàn)單點溫度的高精度測量，通過掃描方式測量探測截面內(nèi)網(wǎng)格點溫度，可獲得二維空間分布平均溫度場信息；高時空分辨溫度場的測量需要采用雙色PLIF測溫方法，特別是基于銦原子的NTLAF方法有望發(fā)展成為寬壓范圍航空發(fā)動機煤油燃燒過程的瞬時溫度場測量工具，PLIF方法的測溫精度要低于CARS技術。在航空發(fā)動機速度測量中，PIV技術能夠實現(xiàn)低速流場速度的精細測量，HTV技術能夠用于高溫超聲速和高超聲速流場的速度測量，2種技術可優(yōu)勢互補。在航空發(fā)動機組分測量中，SRS技術能夠一次測量獲得所有主要組分及其濃度，并能實現(xiàn)空間一維分布測量，但在煤油富油燃燒區(qū)的測量仍十分困難；雙泵浦CARS技術有高的信號強度，但一般僅能同時獲得2種組分的CARS譜，通常用于平均溫度、O2或H2或CO2等組分的平均濃度空間分布測量； OH、CH、CH2O等微量中間反應物的濃度分布主要采用PLIF方法，能夠對火焰結構進行定量表征，但組分濃度的定量測量仍極具挑戰(zhàn)性。

[1]胡志云, 張振榮, 劉晶儒, 等. 用單次脈沖非穩(wěn)腔空間增強探測CARS技術測量火焰溫度[J]. 中國激光, 2004, 31(5): 610-612.

Hu Z Y, Zhang Z R, Liu J R, et al. Temperature measurement in CH4/air flame by single pulse USED CARS[J]. Chinese Journal of Lasers, 2004, 31(5): 610-612.

[2]Davis L C, Marko K A, Romai L. Angular distribution of coherent Raman emission in degenerate four-wave mixing with pumping by a single diffraction coupled laser beam: configurations for high spatial resolution[J]. Applied Optics, 1981, 20(9): 1685-1690.

[3]Hu Z Y, Liu J R, Ye J F, et al. Laser-based measurements of temperature, species and velocity in engine combustor[C]. Proceedings of SPIE, 2013.

[4]Okojie R S, Danehy P M, Watkins A N, et al. An overview of NASA hypersonic experimental diagnostic and instrumentation technologies for ground and flight testing[R]. AIAA-2009-7279, 2009.

[5]Steinberg A M, Arndt C M, Stopper U, et al. Diagnostic requirements for the development of low-emission, fuel-flexible gas turbine combustors[R]. AIAA-2012-0698, 2012.

[6]Hassa C, Willert C, Fischer M, et al. Nonintrusive flowield, temperature and species measurements on a generic aeroengine combustor at elevated pressure[C]. Proceedings of ASME Turbo Expo, Barcelona, Spain, GT2006-90213, 2006.

[7]Thariyan M, Bhuiyan A, Meyer S, et al. Dual-pump coherent anti-stokes raman scattering system for temperature and species measurements in an optically accessible high-pressure gas turbine combustor facility[J]. Meas Sci Technol, 2011, 22: 015301.

[8]Mathew P T, Aizaz H B, Sameer V N, et al. Dual-pump CARS and OH-PLIF measurements at elevated pressures in a gas turbine combustor facility[R]. AIAA-2010-4808, 2010.

[9]Brackmann C, Bood J, Afzelius M, et al. Thermometry in internal combustion engines via dual-broadband rotational coherent anti-stokes raman spectroscopy[J]. Meas Sci Technol, 2004, 15: R13-R25.

[10]Magnotti G, Cutler A D, P Danehy. Development of a dual-pump CARS system for measurements in a supersonic combusting free jet[R]. AIAA-2012-1193, 2012.

[11]趙建榮, 楊仕潤, 俞剛. CARS在超音速燃燒研究中的應用[J]. 激光技術, 2000, 24(4): 207-212.

Zhao J R, Yang Sh R, Yu G. Study of supersonic combustion by CARS measurement technique[J]. Laser Technology, 2000, 24(4): 207-212.

[12]Cutler A D, Magnotti G, Cantu L, et al. Dual-pump CARS measurements in the university of virginia’s dual-mode scramjet: configuration “A”[R]. AIAA-2012-0114, 2012.

[13]李國華, 胡志云, 王晟, 等. 基于相干反斯托克斯拉曼散射的二維溫度場掃描測量[J]. 光學精密工程, 2016, 24(1): 14-19.

Li G H, Hu Z Y, Wang S, et al. 2D scanning CARS for temperature distribution measurement[J]. Optics and Precision Engineering, 2016, 24(1): 14-19.

[14]張立榮, 胡志云, 葉景峰, 等. 移動式CARS系統(tǒng)測量超聲速燃燒室出口溫度[J]. 中國激光, 2013, 40(4): 0408007.

Zhang L R, Hu Z Y, Ye J F, et al. Mobile CARS temperature measurements at exhaust of supersonic combustor[J]. Chinese Journal of Lasers, 2013, 40(4): 0408007.

[15]Roy S, Meyer T R. Time-resolved dynamics of resonant and nonresonant broadband picosecond coherent anti-Stokes Raman scattering signals[J]. Applied Physics Letters, 2005, 87: 264103.

[16]Roy S, Gord J R, Patnaik A K. Recent advances in coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy: fundamental developments and applications in reacting flows[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2010, 36: 280-306.

[17]Roy S, Kulatilaka W D. Gas-phase single-shot thermometry at 1kHz using fs-CARS spectroscopy[J]. Optics Leters, 2009, 34(24): 3857-3859.

[18]Kulatilaka W D, Roy S. Effects of O2-CO2polarization beating on femtosecond coherent anti-Stokes Raman scattering(fs-CARS) spectroscopy of O2[J]. Applied Physics B, 2011, 102: 141-147.

[19]關小偉, 劉晶儒, 黃梅生, 等. PLIF法定量測量甲烷-空氣火焰二維溫度場分布[J]. 強激光與粒子束, 2005, 17(2): 173-176.

Guan X W, Liu J R, Huang M S, et al. Two-dimensional temperature field measurement in a methane-air flame by PLIF[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2005, 17(2): 173-176.

[20]Palmer J L, Hanson R K. Temperature imaging in a supersonic free jet of combustion gases with two-line OH fluorescence[J]. Applied Optics, 1996, 35(3): 485-499.

[21]Meier U E, Gabmann D W, Stricker W. LIF imaging and 2D temperature mapping in a model combustor at elevated pressure[J]. Aerospace Science and Technology, 2000, 4: 403-414

[22]Kaminski C F, Engstr?m J, Aldén M. Quasi-instantaneous two-dimensional temperature measurements in a spark ignition engine using 2-line atomic fluorescence[J]. Proceedings of Combustion Institute, 1998, 27: 85-93.

[23]Medwell P R, Chan Q N, Kalt A M, et al. Instantaneous temperature imaging of diffusion flames using two-line atomic fluorescence[J]. Applied Spectroscopy, 2010, 64: 173-176.

[24]Chan Q N, Medwell P R, Alwahabi Z T, et al. Assessment of interferences to nonlinear two-line atomic fluorescence (NTLAF) in sooty flames[J]. Applied Physics B, 2011, 104(1): 189-198.

[25]葉景峰, 胡志云, 劉晶儒, 等. 分子標記速度測量技術及應用研究進展[J]. 實驗流體力學, 2015, 29(3): 11-17.

Ye J F, Hu Z Y, Liu J R, et al. Development and application of molecular tagging velocimetry[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2015, 29(3): 11-17.

[26]Wehrmeyer J A, Ribarov L A, Oguss D A, et al. Flame flow tagging velocimetry with 193-nm H2O photodissociation[J]. Applied Optics, 1999, 38(22): 6912-6917.

[27]Pitz R W, Lahr M D, Douglas Z W, et al. Hydroxyl tagging velocimetry in a supersonic flow over a cavity[J]. Applied Optics, 2005, 44(31): 6692-6700.

[28]Alexander A, Wehrmeyer J, Runge W, et al. Nonintrusive measurement of gas turbine exhaust velocity using hydroxyl tagging velocimetry[R]. AIAA-2008-3709, 2008.

[29]Gendrich C P, Koochesfahani M M. A spatial correlation technique for estimating velocity fields using molecular tagging velocimetry (MTV)[J]. Experiments in Fluids, 1996, 22(1): 67-77.

[30]Ramsey M, Pitz R. Template matching for improved accuracy in molecular tagging velocimetry[J]. Expriments in Fluids, 2011, 51(3): 811-819.

[31]劉建勝, 劉晶儒, 張振榮, 等. 利用拉曼散射法測量燃燒場的溫度及組分濃度[J]. 光學學報, 2000, 20(9): 1263-1267.

Liu J S, Liu J R, Zhang Z R, et al. Raman scattering measurements for multi- species and temperature in combustion[J]. Acta Optica Sinica, 2000, 20(9): 1263-1267.

[32]Grady N R, Frankland J H, Pitz R W. UV Raman scattering measurements of supersonic reacting flow over a piloted, ramped cavity[R]. AIAA-2012-0614, 2012.

[33]Wedr L, Meier W, Kutne P, et al. Single-pulse 1D laser Raman scattering applied in a gas turbine model combustor at elevated pressure[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2007, 31: 3099-3106.

[34]Locke R J. Temperature and species measurements of combustion produced by a 9-point lean direct injector[R]. AIAA-2013-0562, 2013.

[35]Eckbrech A C, Anderson T J. Multi-color CARS for simultaneous measurements of multiple combustion species[C]. SPIE-Laser Applications to Chemical Dynamics, 1987.

[36]Lucht R P. Three-laser coherent anti-Stokes Raman scattering measurements of two species[J]. Optics Letters, 1987, 12(2): 78-80.

[37]Antcliff R R, Jarrett O J. Multispecies coherent anti-Stokes Raman scattering instrument for turbulent combustion[J]. Review of Scientific Instruments, 1987, 58(11): 2075-2080.

[38]Paul P H, Najm H N. Planar laser-induced fluorescence imaging of flame heat release rate[C]. Proc Combust Inst, 1998.

[39]Byrne S O, Stotz I, Houwing A F P, et al. OH PLIF imaging of supersonic combustion using cavity injection[R]. AIAA-2005-3357, 2005.

[40]Strakey P A, Woodruff S D, Williams T C, et al. OH-PLIF measurements of high-pressure, hydrogen augmented premixed flames in the simval combustor[R]. AIAA-2007-980, 2007.

[41]Andresen P, Schluter H, Wolff D, et al. Identification and imaging of OH (v″=0) and O2(v″=6 or 7) in an automobile spark-ignition engine using a tunable KrF excimer laser[J]. Appl Optics, 1992, 31: 7684-7689.

[42]Slabaugh C D, Pratt A C, Lucht R P. Simultaneous 5 kHz OH-PLIF/PIV for the study of turbulent combustion at engine conditions[J]. Appl Phys B, 2015, 118: 109-130.

[43]Sutton J A, Lempert W R. Recent advances in high-energy, high-repetition rate diagnostics for PLIF, rayleigh and Raman scattering imaging in turbulent reacting flows[R]. AIAA 2011-361, 2011.