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PLIF平面激光诱导荧光系统

平面激光诱导荧光(Planar laser induced fluorescence, PLIF)技术是利用片状的可调谐激光选择性激发待测环境中的特定组分,通过测量激发态组分辐射的荧光而获取片光区域该组分的二维空间分布信息。该技术是一种基于光谱学的燃烧及等离子体放电诊断技术,是当前研究复杂流场、燃烧学、等离子体放电重要的技术手段之一,先后被应用于稳态层流火焰、湍流扩散火焰、超声速燃烧、爆轰及激波诱导燃烧等诊断中。

详情介绍


相对于其他诊断技术PLIF 具有如下优点: 

1)非接触式测量,不干扰待测环境;
2)时间/空间分辨率高,时间分辨可达纳秒量级,可获得二维空间信息; 
3)灵敏度高,个别组分探测下限可达106个粒子/cm3;

4)测试目标范围广,可实现原子、分子、离子以及自由基团的诊断。


基本原理

   PLIF基本原理是待测环境(如火焰)中痕量组分的分子或原子在入射激光的作用下由低能态跃迁到高能态,能级差与入射光共振,以达到在高能态布聚的效率,为获得荧光信号提供前提,随后部分粒子从受激的高能态回落到不同的低能态,从而辐射出由不同波长组成的荧光光谱带,通过总荧光强度测量实现流场可视化。
由于荧光的检测时间分辨为纳秒量级,对于个别寿命较短的组分,尤其是化学反应中的中间产物,荧光测量可以实现组分分布的瞬态冻结,从而可以从中提取有用的信息。例如针对燃料的燃烧过程,能够诱导荧光的痕量组分有OH、NO、CHO、H2、H2O和NO2等,它们是火焰化学反应中是活跃和重要的因素,通过对自由基浓度和分布的分析,可以得到火焰结构、反应机理、燃烧效率等方面的信息。
   一般情况下,荧光的强度与温度、压力、组分浓度以及一些已知的实验参数有关,通过采取适当措施,可以使荧光强度与组分浓度相关联,实现浓度场的定量测量。另外可以利用粒子从受激能态向低能态回落与温度的相关性,通过比较两个单脉冲激光诱导的荧光强度实现温度测量。由于光与物质相互作用发生的时间非常短暂,激光诱导荧光方法具有很高的灵敏度。与拉曼散射和瑞利散射相比,激光诱导荧光的信号强度要高出5~15个数量级,这样更有利于瞬态信息的捕捉、量化。
  PLIF系统采用片状激光激发待测环境的瞬态组分,测量辐射相关特定荧光光谱,对该特定光谱进行记录,通过图像处理,得到相关成分浓度或者诊断场温度的空间分布。以火焰为例,通过不同技术可获取燃烧过程中组分的一维、二维、三维空间分布,从而确定不同环境燃烧情况、燃烧效率及燃烧过程。

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荧光激发物理过程示意图

应用

1. 燃气轮机 
2. 汽车引擎  
3. 工业燃烧
4. 清洁能源 
5. 爆震与爆轰
6. 航空发动机 
7. 空气动力学
8. 化学反应动力学
9. 先进航空航天动力
10. 湍流燃烧与CFD验证


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典型射流火焰瞬态组分分布


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射流扩散火焰OH二维浓度分布



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