飞秒激光光谱技术在燃烧领域的应用

基于飞秒激光的燃烧诊断技术，可实现燃烧场温度、速度、组分浓度等参数的在线测量。作为一种有效的诊断工具，飞秒激光诊断技术在燃烧领域中有着广泛的应用前景，将在提高燃烧效率和降低燃烧排放等方面发挥越来越重要的作用。本文通过综述飞秒多光子激光诱导荧光技术、飞秒激光成丝诱导非线性光谱技术以及飞秒激光电子激发示踪测速技术等飞秒激光在燃烧领域的具体应用实例，概括介绍了飞秒激光燃烧诊断技术的发展。在此基础上，对飞秒激光燃烧诊断技术在未来的发展潜力进行了分析与讨论，为相关研究人员提供参考。     

激光吸收光谱断层诊断技术测量燃烧流场研究进展

激光吸收光谱断层诊断技术（TDLAT）是将可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）与计算机断层诊断技术（CT）相结合的一种新型的流场二维测量技术。该测量技术具有灵敏度高、抗噪声能力强等优势，可用于高温、高速、有毒等严苛环境下的流场监测，尤其在燃烧和推进流场测量中具有广阔的应用前景。首先介绍了TDLAT测量的基本理论，其次将TDLAT系统分为4个基本模块，即光学测量模块、数据处理模块、重建算法模块和后处理模块，分别对各模块的研究现状和关键技术进行了综述和对比分析，再次，列举了TDLAT在超燃冲压发动机、航空发动机和燃煤锅炉上的应用，最后讨论了TDLAT在燃烧流场测量中的发展趋势和有待解决的问题。介绍的TDLAT技术研究现状、关键技术及发展动态可为相关研究人员提供参考。     

层析粒子图像测速技术研究进展

层析粒子图像测速技术（Tomographic Particle Image Velocimetry,Tomo-PIV）作为一种瞬时的三维流场速度测量技术,能够为具有强非定常性及强三维空间性的复杂流动提供详细的数据支撑。对近年来该技术在国内外的发展及应用进行了全面的综述。首先介绍了层析粒子图像测速技术的工作原理和技术特点,进而探讨了当前层析粒子图像测速的研究现状,重点从相机布局、示踪粒子密度、标定映射函数及三维重构算法对重构精度的影响等方面进行了阐述,而后通过国内外关于层析粒子图像测速技术的典型应用,展示了该技术在非定常三维流动及工程应用中的优势。最后,对层析粒子图像测速技术的应用前景及发展趋势进行了展望。     

航空发动机地面试验激光燃烧诊断技术研究进展

为了研究湍流燃烧基础问题和改进实际燃烧装置性能，基于激光的燃烧诊断技术已发展成为当前发动机湍流燃烧实验研究的主要测量工具。在已发展的激光燃烧诊断技术中，每种技术都有其局限性和适用范围，需要根据发动机模型燃烧室内部流场测量的要求和特点，选择合适的激光诊断技术。在温度测量中，相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术主要用于单点温度测量，单脉冲CARS谱测温不确定度优于5%；高时空分辨温度场的测量需要采用双色平面激光诱导荧光（PLIF）测温方法，但其测温精度通常也会相应降低。在速度测量中，粒子成像测速（PIV）技术适用于低速流场速度的精细测量，羟基分子标记测速（HTV）技术适用于高温超声速甚至高超声速流场的速度测量，HTV测速不确定度可优于4%。在组分浓度测量中，主要采用自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering，SRS）和PLIF技术进行主要组分和中间反应物的浓度分布测量。本文对航空发动机湍流燃烧温度、速度、组分浓度等参量的高时空分辨测量所涉及的激光燃烧诊断技术的基本原理、研究现状和发展趋势进行综述。     

超声速火焰的3DLIF可视化技术研究

为满足超燃冲压发动机燃烧诊断尤其是燃烧空间结构可视化的迫切需求，亟需实现超声速火焰三维测量。三维激光诱导荧光（3DLIF）技术作为一种立体测量技术具有超声速火焰三维测量的潜力。利用该技术的特点与优势，设计了基于扫描振镜的多平面3DLIF成像系统，在超声速同轴射流燃烧试验装置上实现了超声速火焰的多平面3DLIF空间结构可视化。为了实现大尺寸成像，提出了一种扩大扫描范围的片光整形方案，利用该方案获得了空间尺度50 mm×85 mm×20 mm、时间尺度5 ms的超声速火焰平均三维图像，对3DLIF技术用于超燃冲压发动机试验台架燃烧空间结构可视化进行了可行性分析，基于时均三维图像讨论了喷口火焰速度对火焰结构形状的影响。     

基于高速纹影/阴影成像的流场测速技术研究进展

本文对近年基于纹影/阴影成像的二维和三维速度场测量方法进行了综述，主要内容包括纹影成像的基本原理、硬件设备和测速算法的研究进展。在二维测速方面，介绍了纹影/阴影PIV算法、光流算法及改进算法的原理、适用场景以及优缺点。纹影特性改进光流测速算法可以实现高精度、高空间分辨率的速度场计算，适用范围相对较广。在三维粒子追踪测速方面，主要介绍了层析阴影成像、双视角平行光段阴影成像、双视角汇聚光段阴影成像三种系统的光路设置，并对各自采用的粒子重构和追踪算法进行了比较。双视角阴影成像系统的光路布置更为简洁，降低了对硬件设备的要求，在高速测量中更具优势。梳理了近年来三维粒子追踪测速算法的发展脉络，重点介绍了“先追踪–后重构”和“时间–空间耦合”的双视角三维粒子追踪测速算法。时间–空间耦合的三维粒子追踪测速算法充分利用了时间和空间信息，将时序信息引入立体匹配过程中，显著提升了双视角阴影成像系统在粒子图像密度较高时的重构正确率和追踪准确率，其整体性能优于多种人工智能算法。测速算法在上述方面取得的研究进展，结合短曝光、高帧频的图像采集优势，使得纹影/阴影成像成为一种新型的高帧频、高精度的速度测量技术，在复杂湍流及高瞬态流场实验研究中具有广泛的应用前景。     

冰形表面激光光带中心线快速提取方法

在风洞结冰模型3D冰形测量中，激光三角测量法相对传统测量方法检测速度快、精确度高，具有极高研究价值。然而由于冰体对激光透射严重，影响激光中心线提取精度从而影响测量精度。针对此问题，提出一种冰形表面激光光带中心线快速提取方法。该算法具体实现步骤为:首先，采用基于三维块匹配去噪算法对图像进行降噪，并对图像进行视觉显著性计算，分割出光带区域；其次，求取梯度图并转换至频域空间，根据图像频谱特征求取能量中心区域；最后，对区域采用灰度重心法求取中心线亚像素级位置。采用冰箱冻结的半径已知圆柱冰块评估该算法，测得算法处理时效为28.57FPS，使用该算法的冰形轮廓重建精度达到0.017mm。实验证明算法满足冰形在线测量技术要求，为开展结冰实验中结冰生长过程在线三维检测技术奠定技术基础。     

燃烧场吸收光谱诊断技术研究进展

基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的视线测量技术,有能力实现流场温度、速度、组分浓度等参数的快速测量。作为一种有效的诊断工具,TDLAS传感器已经在燃烧和推进系统的研究和开发中获得广泛应用,为改善系统的性能发挥着越来越重要的作用。新应用机会的出现,对传感器提出新挑战的同时也促进了相关技术的进步。概括介绍了TDLAS技术的发展水平、在燃烧场诊断中的应用及未来的潜力,为相关研究人员提供参考。     

光场单相机三维流场测试技术

将光场三维成像技术与实验流体力学相结合，实现单相机对空间三维瞬态流场（3D3C）的精确测量，为流体力学实验研究提供了一种全新的测试技术。详细介绍了具有自主知识产权的光场相机硬件系统、基于乘积代数重建技术（MART）的粒子光场图像重构算法以及基于光线追迹的数字光场图像合成算法。利用DNS数字合成图像以及低速射流实验图像，将所发展的光场单相机三维流场测试技术（Light Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）与目前最成熟的三维流场测试技术层析PIV（Tomographic Particle Image Velocimetry，Tomo-PIV）进行对比研究分析。实验结果表明LF-PIV技术完全能达到与Tomo-PIV同等量级的测量精度。     

基于滤波瑞利散射技术的带压燃烧场温度测量实验研究

为实现高压、受限空间条件下燃烧火焰二维温度场的测量，研究了基于碘分子超精细吸收凹陷的滤波瑞利散射技术。设计了一套滤波瑞利散射温度测量装置，主要由种子激光注入Nd:YAG激光器、碘分子滤波池、ICCD相机等组成。利用该测量装置，在高压火焰炉上开展了0.1~0.5MPa条件下的甲烷/空气预混火焰温度测量实验，结果表明:滤波瑞利散射测温技术能有效抑制米散射和背景杂散光的干扰，能在受限空间和带压条件下获得瞬态燃烧火焰温度场的分布，并且温度测量的相对不确定度优于15%；与热电偶温度测量实验的结果进行了对比，两者的偏差小于10%。因此，有望将滤波瑞利散射测温技术应用于发动机燃烧场温度诊断实验。     

高速流场测量新技术评述

介绍了国外近年来正在积极探索的几种高速流场测量新技术。它们的共同特点是非接触的和定量的，测量是空间和时间可分辨的。这些技术直接对分子速度进行测量，避免了由于粒子投放引起的滞后和紧靠壁面的附面层中的粒子的投放困难。其中有些测量技术是多点测量的，高速流动测量期望测量有这一性能。有些测量能用来对几个参数同时进行测量，例如激光感应荧光技术和喇量测量技术，流动的重要参数速度，压强，温度和密度可用这些技术进行     

基于自发辐射分析的被动式燃烧诊断技术研究进展

被动式燃烧诊断技术是利用火焰自发射辐射信息进行燃烧诊断的一项技术,具有非接触、对环境要求不高、系统紧凑、易于实施等特点,在燃烧场在线测量及诊断中具有独特优势。首先,分析了各类燃烧诊断技术的优势及局限;其次,结合华中科技大学煤燃烧国家重点实验室开展的被动式燃烧测量诊断研究工作,从火焰发射光谱、火焰图像处理、热辐射成像技术三个方面介绍了自发辐射燃烧诊断技术的基本原理及研究现状,利用这三种技术,可实现燃烧状态定性分析以及燃烧流场中温度、组分体积分数等燃烧关键信息的定量计算;最后,指出了自发辐射燃烧诊断技术的发展趋势,即:获得更丰富的检测信号、更高的检测分辨率和精度以及更多的检测结果。     

动态燃烧过程参数测量原理与系统

为了满足动态燃烧试验对燃烧过程中燃烧放热量、温度、压力多参数动态测量的要求，研制了一套燃烧动态测试系统。首先从理论上分析了碳氢燃料燃烧时的化学反应过程与物理现象，采用光电传感技术，实现了对动态燃烧过程放热量的非接触式测量；其次运用动态理论详细研究了热电偶的动态特性，完善了用双丝频谱补偿法测量动态温度的方法；最后选择了合理的动态压力的测量方案。同时介绍了该系统的结构及工作特点、系统的动态联调结果等。试验表明了测试该系统具有所测参数多、工作性能稳定、动态响应快等特点，可广泛应用于动态与稳态燃烧试验研究或工业过程监控测量中     

基于脊波变换的三维工业CT图像空间距离测量

工业CT是一种应用广泛的射线无损检测技术,工业CT三维图像的测量是其中重要的组成部分。本文利用脊波变换,初步实现了三维工业CT图像的空间距离测量。首先对三维图像进行三维Radon变换,得到投影值构成的二维图像(称为投影值图像)。然后在待测量位置画一条直线,对直线上的灰度值进行小波变换。根据变换后的小波系数确定投影值图像的边缘位置,从而求出三维图像内两点的距离。仿真实验表明:采用本文的脊波方法测量三维工业CT图像的两点空间距离可达到较高精度。     

薄层液膜厚度的点测量和空间测量方法综述

液膜现象广泛存在于自然界和工业过程中，特别是在发动机中，燃油雾化通常会形成亚毫米量级乃至微米量级的薄层液膜，其厚度的高精度测量对发动机的设计和改进具有重要意义。介绍了薄层液膜厚度测量中常用的点测量方法和空间测量方法。点测量方法包括电测法和全内反射法，用于单点液膜厚度的测量，具有成本低、操作简单的优点，但不具有空间分辨能力。空间测量方法包括电测法、荧光强度法和平面激光诱导荧光法，可同时测量多个位置乃至连续区间内的液膜厚度，获取液膜分布和运动发展信息。其中电测法操作方便、稳定性高，但是会对液膜产生扰动；而光测法为非侵入方法，适用于高速运动液膜的厚度测量。     

小型化TDLAS发动机测温系统的研究及进展

在吸气式发动机研究中,需要监测其进气道气流流场分布、燃烧室温度分布和燃烧产物浓度来验证燃烧室内的燃烧理论模型并最终改进发动机设计;同时,这些参数的实时获取还可以用来控制发动机工作状态以实现燃烧效率优化。TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术具有结构紧凑、响应快速、灵敏度高和非入侵式测量等优点,在高温、高速和剧烈振动等恶劣工作环境下可实现随机飞行的发动机测量,因此被国外多家研究机构采用。调研了高超声速燃烧发动机研究项目 HIFiRE及其在传感器小型化方面所采用的技术手段,介绍已有的小型化设计思路和取得的进展。已集成的小型化系统体积为30×15×10cm3,重量<5kg,功耗<10W。经验证,该系统可在发动机地面试验条件下稳定工作,给未来随发动机飞行的小型化测温系统设计提供了参考。