卓立·应用 | PLIF系统助力燃烧领域研究

 文丨齐乐、高帅

编辑丨小卓

发布丨卓立汉光

引言

知道燃料的燃烧方式及原理，了解燃烧进程，污染物排放等，对于燃烧类工程活动至关重要。PLIF是高灵敏的激光流动显示技术，可实现复杂环境特定组分空间分布特征的提取，从而实现该组分在流场中的二维分布测量，还可用于温度、浓度、速度等参数的测量。该技术在流体力学、燃烧学、等离子体研究等诸多领域均有广泛的应用。

应用方向：燃烧诊断，PLIF，脉冲激光器、ICMOS/ICCD相机、脉冲延时信号发生器

正文
为什么研究燃烧？人类文明发展的每一步都与燃烧利用息息相关，人类的文明史，也是燃烧的利用史。知道燃料的燃烧方式及原理，了解燃烧进程，污染物排放等，对于燃烧类的工程活动至关重要，如汽车、航天、农业、清洁燃料研究、爆炸、污染物排放等领域，燃烧领域的相关研究变得越来越重要。

什么是PLIF以及PLIF技术在燃烧诊断中的优势？

每种分子内部都具有其特定能级结构，宏观表现为特定的吸收或者发射光谱特征。当激光与物质相互作用时，这种特定的结构导致只有当激光的波长与其相匹配时，激光才会被强烈的吸收，随后，也有一定的几率将吸收的能量以荧光的形式释放。激光诱导荧光技术就是利用该特性，通过特定波长的激光与物质相互作用，并探测作用后所产生的荧光，从而实现物质的检测以及物质信息的提取。早期的应用受硬件条件限制，激光通常被聚焦成一点，利用光电倍增管实现单点测量。随着技术的进步以及设备的发展更新，为了获取更多的信息，目前激光通常可以被压缩成片状，这样与待测组分作用产生的荧光就表现为二维分布特性，进一步利用高灵敏度的相机，就可以一次性获取片光有效作用区域的全部荧光，得到组分二维分布的信息。

PLIF（Planar Laser Induced Fluorescence，平面激光诱导荧光）技术是一种高灵敏的激光流动显示技术，利用物质对电磁波的共振选择吸收特性，它可以实现复杂环境特定组分空间分布特征的提取，从而实现该组分在流场中的二维分布测量。PLIF技术具有较高的时间分辨和空间分辨特性，能够在纳秒时间尺度对示踪组分（原子、分子或自由基团，如O、CO、OH、CH等）进行微米空间分辨的二维成像。对于没有示踪组分的环境，可以通过添加适当的荧光物质（如NO、丙酮和罗丹明等）实现二维显示。同时，基于分子辐射光谱理论以及结合其它测试手段，PLIF技术还可用于温度、浓度、速度等参数的测量。因此，该技术在流体力学、燃烧学、等离子体研究等诸多领域均有广泛的应用。

在燃烧场，利用PLIF，通过调节激发波长可以精确选择特定基团，通过激光器，高分辨的光谱仪和高灵敏度的ICCD/iSCMOS可以获得基团空间浓度分布信息及燃烧过程中的散射光谱。燃烧过程中，火焰光很强，激光脉冲打在火焰上，可以产生比火焰光更强的荧光信号，但是时间很短暂（ns）；通过分析这些荧光的特性和变化来判断燃烧的状态；为了消除背景火焰光，拍摄到荧光信号，需要很短的曝光时间，一般是纳秒（ns）级别；ICCD/iSCMOS可以设置纳秒（ns）级别的门控，实现时间分辨的测量；在PLIF实验中，还要保证激光器和相机快门的同步，使荧光信号落到相机曝光时间区域内，才能拍到有效信号，排除背景光。

▲PLIF 图像OH LIF, CO LIF, reaction rate (RR), temperature (T),and mixturefraction (f)

Z重要的信息通常是样品在燃烧过程中的浓度及其时空演变的确定。然而，在PLIF研究中可以确定等离子体内温度和压力的重要信息，并且当与粒子成像测速仪（PIV）相结合时，还可以确定速度和流体动力学。在等离子体中，特别是在燃烧研究中研究的典型类型包括OH、CH、NO、NH、CN、CO和O2自由基，以及原子和离子物种内的激发。这些物质通常是等离子体固有的，但在流体动力学研究中，具有良好荧光特性的示踪剂材料被添加到主流体材料中。

PLIF成像的另一个例子是在脉冲激光沉积（PLD）中。PLD用于通过产生等离子体在真空或背景气体环境中蒸发耐火材料（金属或陶瓷）。等离子体物质凝结在薄膜生长的基底上。作为优化薄膜生长和性能过程的一部分，研究人员对过程中不同物种的进化特别感兴趣，并将这些特性与薄膜的性能（如薄膜化学计量）联系起来。上图显示了不同延迟时间下膨胀等离子体的LIF图像。

PLIF还有一个主要应用领域是燃烧研究。流体动力学研究通常结合PLIF和PIV测量来表征火焰或羽流内的传输特性、湍流、温度、压力以及浓度。该技术的一些特定变体被称为OH-PLIF、CH-PLIF，双光子CO-PLIF和TR-PLIF。

系统介绍

▲PLIF设置的基本示意图

使用的激发激光器通常是脉冲式的并且可调谐的，其波长可以与样品内的光学跃迁的吸收很好地匹配。Quantel的Q-Scan调Q Nd:YAG泵浦染料激光器就很适合这种应用。

PLIF中成功测量的关键是能够在高帧率（>10Hz）下以高灵敏度和几百纳秒（ns）的短时间窗口测量图像。新型增强型sCMOS（ICMOS）相机是进行此类测量的理想产品，它提供了比传统ICCD更快的帧率、同步触发和门控功能，以及所需的高灵敏度。更快的帧率能够与更高重复频率的激光器匹配。与此功能相结合的是增强sCMOS相机能够按照许多PIV测量的要求，以高时间分辨率拍摄双图像。

▲PLIF系统现场图片（测试对象:酒精灯火焰）

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