激光诱导荧光法用于内燃机燃烧可视化的研究进展

内燃机燃烧的光学测试方法【论文摘要】介绍了用于内燃机燃烧研究的几种光学测试方法的原理和特点，这些方法包括双色法、全息法、吸收光谱法、激光诱导荧光法、喇曼散射光谱法和相干反斯托克斯光谱法。

内燃机燃烧过程是其工作循环的核心，直接影响发动机的动力性、经济性和排放指标。

由于内燃机燃烧过程十分复杂，测试相当困难，因此长期以来一直深受世界各国内燃机研究者及生产部门的重视。

内燃机的燃烧过程是实际发动机工作循环最重要、最复杂的过程，涉及到化学反应动力学、流体力学以及传热传质学等多个学科领域，是非常具有挑战性的研究领域，因而内燃机节能和降低排放的关键在于对燃烧过程系统深入的了解。

只有细致研究内燃机发生和发展的特征规律，弄清各因素的影响，在比较透彻地了解燃烧的整体过程和局部细节的基础上，才能有针对性地改进内燃机各部分的参数设计，更有效地提高内燃机效率，降低排放。

因此，运用先进的实验手段和方法来开展内燃机缸内燃烧过程的研究，获得缸内燃烧火焰的有关信息(例如温度场、浓度场、速度场)，具有十分重要的学术价值和广阔的应用前景。

内燃机缸内燃烧的光学测试方法是目前最有效的研究手段之一，在国内外得到越来越广泛的运用。

采用这种方法来研究内燃机的燃烧过程，能够进一步加深对燃烧过程的理解，为燃烧系统的评价和改进提供依据，对于指导内燃机燃烧系统的设计，提高内燃机工业整体水平具有重要的现实意义。

1内燃机燃烧研究的几种光学测试方法内燃机燃烧光学测试方法的最大优越性在于对燃烧场无干扰，并可直观地获得燃烧过程的图像。

近年来，光学技术和计算机技术的飞速发展为更精确地研究燃烧过程提供了新的契机，因此受到了各国科研机构和发动机厂商的高度重视。

近十几年来，以光学原理为基础的各种内燃机燃烧测试技术发展很快，其实际应用也日益广泛，一些先进的燃烧测试技术已逐步进入实用阶段。

在内燃机燃烧的各种光学测试方法中，主要有双色法(Two-Color Method)、全息法(Holograph Method)、吸收光谱法(Absorption Spectroscopy Method)、激光诱导荧光法(Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy,简称LIF法)、喇曼散射光谱法(Raman Scattering Spectroscopy)和相干反斯托克斯光谱法(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering,简称CARS法)等。

光学测试技术在内燃机燃烧研究中的应用与发展摘要：依据国内外文献资料研究了内燃机光学测试技术的发展现状和趋势，介绍了目前应用在内燃机流场测量和缸内浓度场、温度场测量的先进光学测试技术，着重分析了各种测量方法的工作原理、应用范围及优缺点。

关键词：内燃机；光学测试；流场测量；温度场；浓度场0引言高热效率和良好的可靠性使得内燃机成为工农业生产和交通运输中应用最广泛的动力机械。

研究内燃机的工作过程，改善和优化缸内燃烧是实现内燃机高效、低污染目标的重要途径。

传统的测试方法属于接触式测量，在测量的同时会破坏和干扰流场的流速，所测结果不能反应流场的真实情况[1]。

同时，它们只能瞬时测量一点或几点的速度值，很难提供整个流场的结构信息。

而内燃机缸内流场的非稳态性，依靠单点测试技术就不能得到正确的瞬时空间全场流速分布，难于获得真实准确的流场分布状态。

而光学技术和计算机技术的发展为更精准地研究内燃机的工作过程提供了平台。

光学测量方法属于非接触式测量，其最大的优越性在于对测量场没有干扰而且精度高，尤其是上世纪60年代以后，激光技术的诞生和发展，凭借激光出色的单色行、相干性和方向性，为内燃机的光学测量开辟了一个新的领域。

光学技术在内燃机测量中的应用主要是测量缸内速度场、温度场、浓度场等，常用的内燃机光学测量技术包括激光多普勒技术（LDV）、粒子图像测速技术(PIV)、激光全息技术、双色法、激光诱导荧光法(LIF)、平面激光诱导炽光法(PLII)、拉曼散射光谱法(SRS)、相干反斯托克斯光谱法(CARS)等。

1缸内流场测量1.1 单点测速技术激光多普勒技术(LDV)是最早应用于内燃机测量的一门激光技术，它常用来测量缸内单点的瞬时速度[2]。

在激光多普勒技术之前，缸内单点的瞬时速度测量多采用热线风速仪。

热线风速仪是接触式测量仪器，它将特定的电加热的金属丝放入被测流场中，测量单一点瞬时速度的变化历程，当气流流过金属丝时带走其表面热量而引起温度下降，从而引起热丝电阻的改变，当气流使热线电阻发生变化时，电桥的不平衡电压被反馈放大器放大后送回桥端。

利用激光诱导炽光法定量测量柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数唐青龙;张鹏;刘海峰;尧命发【期刊名称】《物理化学学报》【年(卷),期】2015(000)005【摘要】激光诱导炽光(LII)法是一种用于测量火焰中碳烟体积分数的光学测试方法.本文介绍了LII的基本原理以及LII实现定量测量的常见标定方法,建立了一套基于双色法-激光诱导炽光法(2C-LII)的用于柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数定量测量的测试系统,该测试系统采用双成像原理,可以实现多点标定和全视场范围内的碳烟体积分数测量.在一台工作在1200 r∙min-1、喷油量21 mg的光学单缸柴油机上,研究了60、100和140 MPa三个不同喷油压力下,缸内燃烧过程碳烟的分布情况,结果表明,碳烟自发光出现在燃烧放热率峰值之后,且随着喷油压力提高,碳烟发光持续期缩短,碳烟发光强度降低.测试区域内火焰中的碳烟体积分数范围约为0-50×10-6.不同喷油压力下,碳烟生成初期、碳烟峰值和碳烟氧化三个阶段内平均碳烟体积分数的范围分别是：5×10-6-9×10-6,15×10-6-20×10-6和14×10-6-16×10-6.喷油压力提高后火焰中的碳烟分布区域面积增大,平均碳烟体积分数减小,碳烟体积分数的空间分布趋于均匀.%Laser-induced incandescence (LII) is an optical diagnostic method used to measure the soot volume fraction in a flame. In this paper, the principle of LII and the calibration methods normal y used are introduced. Based on two-color LII theory, a quantitative test system for determining the in-cylinder soot volume fraction was established. A dual imaging setup was used, which can achieve multipointcalibration and ful field-of-view quantification of soot in a diesel engine chamber. An investigation was carried out on an optical diesel engine with the conditions 1200 r∙min-1 and 21 mg fuel injection per cycle, with various injection pressures (60, 100, and 140 MPa). The results show that the natural soot incandescence emerged after the peak rate of combustion heat release. With increasing injection pressure, the duration of natural soot incandescence shortened and the natural soot luminosity decreased. The range of soot volume fractions in the test zone was (0-50)×10-6. The mean soot volume fraction at the initial soot stage, soot peak, and soot oxidation stage were in the ranges (5-9)×10-6, (15-20)×10-6, and (14-16)×10-6, respectively, depending on the injection pressure. With increasing injection pressure, the distribution area of the soot particles increased, the mean soot volume fraction decreased, and the distributionof the soot volume fraction in space tended to be more uniform in combustion flames.【总页数】9页(P980-988)【作者】唐青龙;张鹏;刘海峰;尧命发【作者单位】天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072;天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072;天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072;天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072【正文语种】中文【中图分类】O642;O432.1【相关文献】1.基于激光诱导炽光法进行碳烟测量的研究进展 [J], 刘福水;花阳;吴晗;高永利;吴昊2.激光诱导炽光法定量测量碳烟 [J], 岳宗宇;张鹏;陈贝凌;刘海峰;郑尊清;尧命发3.用激光诱导炽光法定量测量火焰中的碳烟浓度 [J], 何旭;马骁;王建昕4.利用激光诱导炽光研究高压环境下液体燃料层流扩散火焰碳烟分布的二维图像[J], 周磊;张红兴;王震5.基于二维激光诱导炽光法的棉籽油扩散火焰碳烟生成特性 [J], 何旭;张志鹏;吴昊;高永利;花阳;刘凤山;李向荣;刘福水因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

中文摘要中文摘要利用飞秒激光成丝对丁烷燃烧进行诊断飞秒激光在非线性介质中传输时，当克尔自聚焦和等离子散焦达到动态平衡时，就会形成等离子体细丝。

在成丝过程中会发生诸多非线性效应，是研究者关注的焦点。

因飞秒激光成丝时光强极高，足以将空气分子激发到高激发态，而处于高激发态的分子再次返回基态时，就会发射特征荧光，近年来，它逐渐成为科学界研究的热点课题。

本论文将飞秒激光成丝应用到燃烧科学领域，提出了一种新的燃烧诊断技术，即飞秒激光成丝诱导荧光光谱技术，这项技术能够实现对多种燃烧中间产物的同时探测。

在遥感以及提高燃料能量转化效率等方面都具有很大的实用价值。

我们对飞秒激光脉冲作用于丁烷火焰成丝时产生的后向散射的荧光进行了在火焰中的空间分布探测，发现多种燃烧中间产物CN、CH、C2以及N2、N+2呈现出极大的差异，这一差异主要取决于气体温度（密度）的空间分布，同时，在丁烷燃烧过程中发生的一系列反应也会对其产生一定的影响。

飞秒激光成丝诱导荧光技术不仅可以用于探测燃烧过程中的中间产物，实现对燃烧过程的诊断，还可以对空气中含有的可燃气体成分进行检测。

关键词：飞秒激光成丝，非线性特性，光丝诱导荧光，燃烧诊断。

AbstractThe combustion diagnosis of butane/air flame via femtosecondlaser filamentationDuring the transmission of femtosecond laser pulses in nonlinear media, plasma filaments will be formed when the Kerr self-focusing and the plasma defocusing reach a dynamic balance. At the same time, There are many nonlinear effects in filamentation process,which has become the focus of researchers. The laser intensity is strong enough to stimulate the molecules in air during the filamentation formation process, and it will emit characteristic fluorescence when the excited state molecules jump to ground state. In recent years, it has gradually become a hot research topic in the field of science. In this paper, filament-induced fluorescence technique, a new combustion diagnostic technique based on femtosecond laser filaments have been applied to the combustion field, and it can realize simultaneous detection of various combustion intermediates. It is of great practical value for reducing the emission of atmospheric pollutants (such as CO, CN, NO, etc.), remote sensing and improve the efficiency of energy conversion.The femtosecond filament-induced backward fluorescence in thebutane/air flame is investigated in this paper. It is found that the spatial distributions of combustion intermediates (CN, CH and C2), nitrogen molecules and nitrogen molecular ions in the flame show great difference, which is mainly determined by the spatial distribution of gas temperature (density), and also affected by the reactions. Furthermore, we demonstrate that filament-induced fluorescence technique can not only sense the combustion intermediates, but also detect combustible gas with trace amounts in air.Keywords: femtosecond laser filamentation, nonlinear properties, filament-induced fluorescence , combustion diagnosis.目录中文摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)第一章绪论 (1)1.1飞秒激光成丝概述 (1)1.1.1飞秒激光简介 (1)1.1.2 飞秒激光成丝及其发展 (3)1.2几种激光燃烧诊断技术 (5)1.2.1激光诱导荧光（LIF）技术 (5)1.2.2 激光诱导击穿光谱（LIBS）技术 (6)1.3本章小结 (9)第二章飞秒激光成丝的相关理论及应用 (10)2.1飞秒激光成丝的物理机制 (10)2.2飞秒激光成丝过程中发生的现象 (12)2.2.1衍射和色散 (12)2.2.2多光子电离和隧穿电离 (13)2.2.3强度钳制 (14)2.2.4飞秒激光成丝诱导荧光发射 (15)2.3飞秒激光成丝的应用 (16)2.3.1大气环境污染物的远程探测 (17)2.3.2人工降雨与降雪 (18)2.3.3激光引雷 (19)2.4本章小结 (20)第三章利用飞秒激光成丝诱导荧光对丁烷燃烧过程进行诊断 (21)3.1燃烧诊断概述 (21)3.2实验装置 (25)3.3结果与分析 (26)3.4本章小结 (35)第四章总结 (36)参考文献 (37)作者简介及硕士期间发表的文章 (45)致谢 (46)第一章绪论超短超强脉冲激光技术的创新发展与应用，在现代科学中俨然已经成为一个非常重要的科研领域，也是世界各国在科研领域中竞争的焦点之一。

用激光诱导荧光法（LIF）研究燃油喷雾的撞壁混合过程
（1）：测试原…
汪洋;苏万华
【期刊名称】《燃烧科学与技术》
【年(卷),期】1996(002)004
【摘要】本文介绍了一种利用柴油自身的荧光特性测量柴油喷雾浓度的新方法，和以往的方法相比，具有测量精度高而设备成本低的特点，通过对平面撞壁过程的研究，发现喷雾着避之后，壁喷区的燃油浓度开始急剧耗散，在壁喷区的外围，出现壁喷漩涡现象。

【总页数】13页(P329-341)
【作者】汪洋;苏万华
【作者单位】天津大学;天津大学
【正文语种】中文
【中图分类】TK421.43
【相关文献】
1.内燃机燃油喷雾撞壁研究进展综述 [J], 陈贝凌;董文辉;马天宇;丰雷;耿超;刘海峰;尧命发
2.柴油喷雾撞壁混合过程的研究 [J], 余皎;赵昌普;苏万华
3.激光诱导荧光法研究柴油机新概念燃烧中的喷雾混合过程 [J], 汪洋;谢辉;苏万华;赵昌朴;余皎;林铁坚
4.用激光诱导荧光法（LIF）研究燃油喷雾的撞壁混合过程（2）：曲面撞… [J], 汪洋;苏万华
5.撞壁对柴油喷雾燃油分布影响的试验和计算 [J], 毛立伟;苏万华;裴毅强;邬斌扬;冯孝公;赵舟
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OH和CH2O 平面激光诱导荧光同时成像火焰结构朱家健;赵国焱;龙铁汉;孙明波;李庆;梁剑寒【摘要】OH 和CH2 O 平面激光诱导荧光(PLIF)同时成像技术在研究火焰结构和燃烧反应中间产物二维分布等方面能够发挥重要作用。

OH 的分布被用来表征火焰反应区的结构,而CH2 O 的分布则被用来显示火焰预热区的分布。

利用 OH 和CH2 O PLIF同时成像技术研究了甲烷/空气部分预混火焰的结构。

从实验系统、光路调节、时序同步、OH A-X(1,0)扫谱、数据采集和处理等方面讨论了 PLIF同时成像技术的实验方法。

实验结果表明,OH和CH2 O PLIF同时成像能够分别呈现甲烷/空气部分预混火焰反应区和预热区不同形状的瞬时结构；由于反应区在相邻位置的结合,在火焰中能够局部生成新的分裂的预热区。

%Simultaneous OH and CH2 O Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF)imaging plays an important role in studying flame structures and two-dimensional distribution of interme-diate species in combustion.The OH distribution is used to represent the reaction zone structure of flames,whereas CH2 O is employed to show the pre-heating zone structure of flames.Flame structures of a CH4/air partially premixed flame were investigated using simultaneous OH and CH2 O planar laser-induced fluorescence (PLIF)imaging.Experimental methods,including ex-perimental system,optic alignment,synchronization scheme,excitation scan of OH A-X(1,0), data collection and analysis,are discussed.Experimental results suggest that simultaneous OH and CH2 O PLIF imaging can show different instantaneous structures of reaction zones and pre-heating zones in the CH4/air partially premixed flame.New separated preheating zones arelocal-ly generated due to the merge of the reaction zone between two adj acent areas.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2016(030)005【总页数】7页(P55-60,87)【关键词】平面激光诱导荧光;激光诱导荧光;激光燃烧诊断;火焰反应区;火焰预热区【作者】朱家健;赵国焱;龙铁汉;孙明波;李庆;梁剑寒【作者单位】国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙410073;国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙 410073;国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙 410073;国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙 410073;国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙 410073;国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙 410073【正文语种】中文【中图分类】O643.2火焰结构和燃烧过程中间产物分布的测量在研究燃烧化学反应机理和验证燃烧理论模型等方面具有重要意义。

激光技术在燃烧引擎研究中的应用激光技术作为一种高精密度的测量工具，近年来在科技领域得到了广泛的应用。

特别是在燃烧引擎研究中，激光技术的应用不仅提高了实验精度，也为理论研究提供了新的思路。

本文将从燃烧引擎激光诊断、激光测速以及激光点火等方面，阐述激光技术在燃烧引擎研究中的重要作用。

一、激光诊断技术在燃烧引擎研究中，激光诊断技术被广泛用于燃烧过程的可视化观测。

通过使用激光束对燃烧过程中的气体浓度分布、压力和温度等参数进行测量和分析，可以有效地揭示燃烧过程中的各种反应情况。

例如，激光诊断技术可以用来观测燃烧室内燃烧过程中的火焰形貌，通过火焰形貌的变化可以判断燃料燃烧的效率和燃烧稳定性。

此外，激光诊断技术还可以用来检测燃烧产物的浓度，从而评估燃烧的完全性和污染物的排放情况。

通过激光诊断技术的应用，科研人员可以更加准确地了解燃烧引擎的工作状态，从而为引擎的优化提供理论支持。

二、激光测速技术激光测速技术是燃烧引擎研究中另一个重要的应用方向。

燃烧引擎中存在着各种不同速度的流体流动，如燃料喷射速度、气缸内燃烧气体的流速等。

通过使用激光测速技术，可以测量这些流体流动的速度和分布情况，为燃烧过程的调控提供重要的实验数据。

激光测速技术一般可以分为两种：激光多普勒测速和激光协方差测速。

激光多普勒测速主要用于测量燃烧室中气体流体的速度和方向，能够高精度地获得流体流动的相关参数。

而激光协方差测速则主要用于测量燃料喷射的速度和分布。

这两种激光测速技术的应用有效地提高了燃烧引擎研究的实验精度和数据质量，有助于研究人员更加深入地理解燃烧过程的复杂性和机理。

三、激光点火技术除了激光诊断和激光测速技术外，激光点火技术也是燃烧引擎研究中的重要应用方向之一。

传统的点火技术一般使用火花塞或者喷油嘴等装置进行燃料点火，但是这种方式存在着点火能量不稳定、燃烧效率低等问题。

而激光点火技术可以精确地控制点火位置和能量，从而提高燃料的燃烧效率和动力输出。

DOI: 10.1016/S1872-5813(23)60338-X基于激光诱导荧光光谱技术的生物质热反应过程研究进展赵　峥1，苏　胜1,* ，宋亚伟1，刘舆帅2，陈逸峰1，贾萌川1，许　凯1，汪　一1，胡　松1，向　军1（1. 华中科技大学能源与动力工程学院 煤燃烧国家重点实验室, 湖北 武汉 430074；2. 中国科学院工程热物理研究所, 北京 100190）摘　要：深入了解生物质的热解、燃烧特性以及碱金属的生成特性是生物质清洁高效利用的理论基础。

传统的测量手段由于测量精度低以及时间滞后等问题，对于生物质热反应过程认识存在不足。

激光诱导荧光（LIF ）技术具有非接触、实时在线、高空间分辨率、连续性等优点，其用于生物质热反应过程的研究报道越来越多。

本研究主要综述了近年来LIF 技术在生物质热解过程、燃烧过程及燃烧过程中碱金属释放特性的应用进展，分析了不同反应条件下生物质热解过程中挥发分的生成演化行为及其形成机理，阐述了生物质燃烧过程中火焰结构信息及碱金属的释放迁移转化特性，提出了当前研究存在的一定不足及未来研究方向。

关键词：生物质；热解；燃烧；碱金属；激光诱导荧光技术中图分类号： TK6 文献标识码： AResearch progress in thermal reaction processes of biomass with laser-inducedfluorescence spectroscopyZHAO Zheng 1，SU Sheng 1,*，SONG Ya-wei 1，LIU Yu-shuai 2，CHEN Yi-feng 1，JIA Meng-chuan 1，XU Kai 1 ，WANG Yi 1 ，HU Song 1 ，XIANG Jun1（1. State Key Laboratory of Coal Combustion , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430070, China ；2. Institute of Engineering Thermophysics , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100190, China )）Abstract: A profound study on the characteristics of pyrolysis and combustion of biomass and the generation and transfer of alkali metals can provide theoretical basis for the clean and efficient utilization of biomass. Due to the low measurement accuracy and time lag, traditional measurement methods have insufficient understanding of the biomass thermal reaction process. Laser induced fluorescence (LIF) technology has the advantages of non-disturbance, real-time in-situ measurement, strong component selectivity, good sensitivity, and high spatial and temporal resolution, which has been used in more and more studies on the biomass thermal reaction processes. This paper mainly reviews the application of LIF technologies in the research on the characteristics of biomass pyrolysis,combustion, and alkali metal release in recent years, analyzes the release and evolution behavior and formation mechanism of volatile matter during biomass pyrolysis under different reaction conditions, and expounds the flame structure information and alkali metal release, migration, and transformation characteristics during biomass combustion. Finally, some shortcomings in the current research and the future research directions are put forward.Key words: biomass ；pyrolysis ；combustion ；alkali metal ；LIF近年来，CO 2导致的全球气候变暖和温室效应问题突出，减排控温已刻不容缓[1]。