Способ измерения поля температуры в реагирующих газовых потоках на основе плоскостной лазерно-индуцированной флуоресценции гидроксильного радикала
METHOD FOR MEASURING THE TEMPERATURE FIELD IN REACTING GAS FLOWS BASED ON PLANAR LASER-INDUCED FLUORESCENCE OF A HYDROXYL RADICAL

Изобретение относится к методам измерения мгновенного двумерного поля температуры газа при горении топлива в турбулентных потоках, имеющих место в камерах сгорания транспортных и энергетических установок. Способ основан на регистрации плоскостной лазерно-индуцированная флуоресценции (Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF) гидроксильного радикала, которая является стандартным и хорошо зарекомендовавшим себя оптическим методом диагностики нереагирующих [1-3] и реагирующих потоков [4–7].
PLIF является невозмущающим поток методом измерения, основанным на регистрации излучения фотонов электронно-возбужденными (за счет воздействия лазерного излучения) молекулами. В методе PLIF для возбуждения определенного типа молекул используется лазер с перестраиваемой длиной волны.
Например, в CN106092997 «Flame detection device and method based on PLIF (planar laser induced fluorescence) technology» раскрыто устройство и способ обнаружения пламени, основанные на технологии PLIF. В JPH0926357 (A) «Measuring equipment for laser induced fluorescence» этот метод используется для определения концентрации частиц и определения температуры пламени. Также известно изобретение CN105866092 «Liquid and gas calibration device based on planar laser induced fluorescence technology», основанное на технологии плоской лазерно-индуцированной флуоресценции.
Метод PLIF является эффективным для визуализации положения радикалов в потоке, которые являются маркером химической реакции [8-10]. Кроме того, метод PLIF эффективен также для диагностики двухфазных потоков с горением [11-12], так как спектральная область, в которой регистрируются изображения, отличается от длины волны возбуждающего лазерного излучения.
Метод PLIF успешно применялся для измерений поля температуры в нереагирющих и реагирующих газовых потоках. Для нереагирующих течений в поток добавлялся толуол или ацетон, что позволяет измерять температуру в диапазоне до 1000 K [13-14], используя отношение интегральных интенсивностей двух полос флуоресценции, которое слабо зависит от локальной плотности энергии лазера и концентрации трассеров. NO использовался в качестве трассеров для измерения плотности в нереагирующих высокоскоростных потоках [15] и может быть использован для добавления в реагирующий поток при высоких температурах [16]. В частности, сканирование длины волны возбуждения флуоресценции NO обеспечивает измерение 2D полей температуры в диапазоне до 2200 K с высокой точностью (с ошибкой менее 10 %) для стационарных ламинарных пламен [17].
Вместо сканирования длины волны возбуждения может использоваться метод two-line OH PLIF для получения полей температуры в турбулентных пламенах с высоким временным разрешением [18, 19]. Детальный анализ чувствительности и погрешности метода OH PLIF на основе возбуждения на двух различных длинах волн детально обсуждался в работах [20, 21], где ошибка измерения была снижена до 5%. Однако в последней работе наблюдались линии возбуждения, для которых отношение сигналов флуоресценции слабо зависит от локальной концентрации ОН. Кроме того, в данном подходе необходимо учитывать пространственную неоднородность двух лазерных ножей.
Альтернативным подходом является измерение поля температуры на основе регистрации флуоресценции в различных областях спектра при возбуждении на одной длине волны [22].
Известны изобретения CN103344619A «Planar laser induced fluorescence (PLIF) imaging device and method for acquiring hydroxyl (OH) concentration spatial distribution through device» и CN104897632 «Method for measuring three-dimensional spatial distribution of OH group concentration in transient combustion field based on scanning planar laser induced fluorescence imaging system». В этих изобретениях методом сканирования измеряется концентрация ОН, но не рассчитывается температура.
В изобретении CN109540333 «Planar temperature measurement method based on planar laser induced fluorescence technology» раскрывается метод измерения двумерного поля температуры, основанный на технологии PLIF. Наиболее близким аналогом данного изобретения является полезная модель CN209961360U «Temperature measuring device based on carbon monoxide femtosecond laserinduced fluorescence spectrum technology», которая представляет собой устройство для измерения температуры, основанное на технологии регистрации спектра флюоресценции, индуцированной фемтосекундным лазером на монооксиде углерода. Недостатками данных подходов является невозможность определения мгновенного распределения температуры во всей плоскости измерения, узкий интервал достоверного измерения температуры.
Задачей данного изобретения являлась регистрация мгновенного распределения температуры в реагирующем потоке во всей плоскости измерения, в диапазоне температур от 1200 до 2200 K с высокой точностью (среднеквадратичное отклонение составляет менее 80K) в ламинарных и турбулентных потоках для широкого ряда топлив.
Поставленная задача решается тем, что для возбуждения флуоресценции радикала ОН используют перестраиваемый импульсный лазер на красителе с импульсным Nd:YAG-лазером накачки, формирующим импульсы с длиной волны 283 нм, средняя энергия импульса составляет приблизительно 12 мДж. С помощью коллимирующей оптики (системы сферических и цилиндрических линз) лазерный луч преобразуют в «лазерный нож» – пространственная область засветки. Регистрация излучения радикала ОН осуществляется с помощью двух цифровых камер с усилителями яркости изображения на основе электронно-оптических преобразователей, в двух различных спектральных областях, что позволяет регистрировать распределение температуры в плоскости, а не вдоль линии, как это делается в прототипе.
Способ осуществляется следующим образом.
1
2
+
2
Способ определения температуры газа заключается в определении значения отношения интенсивностей лазерно-индуцированной флуоресценции радикала ОН при возбуждении перехода Q(8) полосы AΣ-XΠ (1-0). Интенсивность сигнала флуоресценции ОН для полосы (2-0) и для полос (0-0) и (1-1) регистрируется в спектральных диапазонах 265±5 и 310±10 нм, соответственно, с применением полосовых пропускающих оптических фильтров и последующим сравнением с калибровочной кривой.
В данном подходе используется однократное освещение потока лазерным излучением и регистрируется локальное отношение интенсивности двух различных полос флуоресценции ОН с использованием двух камер. Метод основан на эффекте переноса колебательной энергии при электронном возбуждении молекул (создается населенность энергетических уровней с энергией выше энергии фотонов возбуждающего излучения). Метод был применен для ламинарного предварительно перемешанного пламени в форме конуса для смеси метана и воздуха и для турбулентного пламени предварительно перемешанной смеси в модельной камере сгорания.
Измерения проводились в области шириной 50 мм и высотой 45 мм. Чтобы учесть неоднородность распределения плотности энергии лазерного излучения в «лазерном ноже» и изменение энергии импульса от вспышки к вспышке лазера, часть энергии лазерного луча (приблизительно 5%) отражалась пластиной из кварцевого стекла в калибровочную кювету, содержащую раствор родамина 6G, пространственное распределение флуоресценции которого регистрировалось цифровой ПЗС-камерой. Возбуждение флуоресценции происходило в линейном режиме, что было проверено измерением зависимости интенсивности сигнала флуоресценции от энергии лазерного излучения.
Интенсивность сигнала флуоресценции ОН для полосы (2–0) и для полос (0–0) и (1–1) регистрировалась в спектральных диапазонах 265±5 и 310±10 нм, соответственно. Время экспозиции кадра для каждого PLIF-изображения составляло 200 нс. Пространственная калибровка областей визирования PIV и PLIF камер была выполнена с использованием многоуровневой двухсторонней калибровочной мишени. Для калибровки и пространственного совмещения областей визирования использовались параметры модели третьего порядка для проекций изображений. Обработка PLIF-изображений включала в себя удаление фона и коррекцию неравномерности распределения интенсивности излучения в «лазерном ноже». PLIF- изображения были пространственно осреднены для повышения соотношения сигнал/шум, поскольку пространственное разрешение было ограничено толщиной «лазерного ножа». Отношение измеренных интенсивностей сигналов флуоресценции имеет монотонную зависимость от температуры во всем измеряемом диапазоне температур, сравнение с результатами численного моделирования позволяет с высокой точностью определять температуру. Была проведена проверка и сравнение с методом two-line PLIF и термопарными измерениями для ламинарного пламени.
Технический результат
Использование заявляемого изобретения позволяет осуществлять регистрацию мгновенного двумерного распределения температуры в реагирующем потоке во всей плоскости измерения за время, меньшее 200 нс, в диапазоне температур от 1200 до 2200 K с высокой точностью (среднеквадратичное отклонение составляет менее 80 K) в ламинарных и турбулентных потоках для широкого ряда топлив.
Используемая литература
[1] L.M. Pickett, J.B. Ghandhi, Exp. Fluids 31 (3) (2001) 309–318.
[2] T.R. Meyer, G.F. King, G.C. Martin, R.P. Lucht, F.R. Schauer, J.C. Dutton, Exp. Fluids 32 (6) (2002) 603–611.
[3] J. Klinner, C.E. Willert, Flow, Turbul. Combust. 98 (3) (2017) 751–779.
[4] P.S. Kothnur, M.S. Tsurikov, N.T. Clemens, J.M. Donbar, C.D. Carter, Proc. Combust. Inst. 29 (2) (2002) 1921–1927.
[5] C. Duwig, P. Iudiciani, Flow Turbul. Combust. 84 (1) (2010) 25.
[6] M. Stöhr, C.M. Arndt, W. Meier, Proc. Combust. Inst. 35 (3) (2015) 3327–3335.
[7] A. Renaud, T. Yokomori, S. Tachibana, Proc. Combust. Inst. 37 (2) (2019) 2627–2633.
[8] A. Fayoux, K. Zähringer, O. Gicquel, J. Rolon, Proc. Combust. Inst. 30 (1) (2005) 251–257.
[9] B.O. Ayoola, R. Balachandran, J.H. Frank, E. Mastorakos, C.F. Kaminski, Combust. Flame 144 (1–2) (2006) 1–16.
[10] R.L. Gordon, A.R. Masri, E. Mastorakos, Combust. Theor. Model. 13 (4) (2009) 645–670.
[11] T.R. Meyer, S. Roy, V.M. Belovich, E. Corporan, J.R. Gord, Appl. Opt. 44 (3) (2005) 445–454.
[12] A. Burkert, W. Paa, Fuel 167 (2016) 271–279.
[13] M.C. Thurber, F. Grisch, B.J. Kirby, M. Votsmeier, R.K. Hanson, Appl. Opt. 37 (21) (1998) 4963–4978.
[14] V.A. Miller, M. Gamba, M.G. Mungal, R.K. Hanson, Exp. Fluids 54 (6) (2013) 1539.
[15] E.R. Lachney, N.T. Clemens, Exp. Fluids 24 (4) (1998) 354–363.
[16] T. Lee, W.G. Bessler, H. Kronemayer, C. Schultz, J.B. Jeffries, Appl. Opt. 44 (31) (2005) 6718–6728.
[17] W.G. Bessler, C. Schulz, Appl. Phys. B 78 (5) (2004) 519–533.
[18] R. Giezendanner-Thoben, U. Meier, W. Meier, M. Aigner, Flow Turbul. Combust. 75 (1–4) (2005) 317–333.
[19] B.R. Halls, P.S. Hsu, S. Roy, T.R. Meyer, J.R. Gord, Opt. Lett. 43 (12) (2018) 2961–2964.
[20] R. Devillers, G. Bruneaux, C. Schulz, Appl. Opt. 47 (31) (2008) 5871–5885.
[21] S. Kostka, S. Roy, P.J. Lakusta, T.R. Meyer, M.W. Renfro, J.R. Gord, R. Branam, Appl. Opt. 48 (32) (2009) 6332–6343.
[22] C. Copeland, J. Friedman, M. Renksizbulut, Exp.Thermal Fluid Sci. 31 (3) (2007) 221–236.