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1、流场、喷雾场的测试技术及进展 激光技术在柴油机喷雾场测试中的应用本文系统的概述了激光技术在喷雾场测试中的应用，介绍了激光直接摄影法激光多普 勒技术、粒子图像剥速技术、激光全息技术、激光荧光法以茂激光 cT 技术的原理和特点和存 在的一些问题，总结了激光测试技术在喷雾研究中的应用现状。柴油机作为一种高效率动力机，柴油机自问世以来就得到了越来越广泛的应用，在人类 的生活工作中发挥着极其重要的作用。近年来，能源危机和社会对环境要求的提高如何提高 其经济性，动力性以及降低噪声和排放污染指标，是振兴我国内燃机行业关键所在，也是研 究柴油机的主要课题。改善燃烧过程是提高上述指标的重要方面。而燃烧之前的喷雾
2、过程对 燃烧好坏有着直接的影响。柴油机喷雾特性，包括贯穿度、喷雾锥角、分裂长度和雾化微滴 尺寸分布及速度场、浓度场、温度场的结构对柴油机的经济性与排放有着重要的影响。柴油 机喷雾的研究是柴油机燃烧研究中一个十分活跃的领域。但是柴油机喷雾属于三维瞬态密集 型喷雾，喷雾过程受到多种因素的影响，雾化机理还不成熟。喷雾过程的动态测量十分的困 难。光学测量是一个非常有效的手段。光学测量是无接触式测量。不干扰喷雾场，并且精度 高速度快又很高时间和空间分辨率，所以采用激光技术研究喷雾非常合适。激光与激光器光的概念光是由一颗颗微粒组成的，以3xl55km/s速度运动着的粒子流，这些微粒就是光子。同 时，它又和
3、无线电波、微波、X射线一样，都是电磁波。简单地说，光既是粒子，又是波， 具有波、粒双重特征：光在传播时，明显地表现出波动性；在与物质相互作用时，明显地表 现出粒子性。光是大量光子集合的总和。光波通常包含可见光、红外线和此外线。光的一切 特征都是由波长决定的。光波的波长范围为O.OlTOOOum；频率范围为3xl05MHZ-30GHZ。可 见光的波长范围为0.4-0.76um，红外线的波长范围为0.76-1000um，紫外线的波长范围为 0.01-0.4um。红外线与紫外线都是不可见光，因为它们不能引起人的视觉。在可见范围内， 还能感觉到光的不同颜色，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这些不同的颜色
4、，是因为它们 的波长各不相同，不同波长的光能引起不同的视觉。因此，眼睛能辨别颜色，但当眼睛同时 受到各种色光的作用时，就会产生白光的印象，所以白光是复合光。光的产生物质发光是伴随着物质的原子、电子等微光粒子无休止的运动产生的。通常情况下，电 子在原子最近的轨道上运动时，原子处于最低的能量状态，即：稳定状态。当外界向原子提 供能量时，原子由于吸收外界能量而引起自身能量状态发生变化，能量提高了，此时原子中 的电子就会从能级低的轨道跳到某一能级高的轨道上运动。且外界提供的能量越大，电子的 轨道就越高。但被激发到高能级上的原子是不稳定的，它们在高能级上只停留极短的时间 (10_810 -9S)，然后立
5、即向低能级跃迁。这个过程是在没有外界作用的情况下完全自发地进 行的，称为自发跃迁。自发辐射光极为常见，普通光源发光，主要包含受激吸收与自发辐射 两个过程。当外界不断地提供能量时，原子就会不断地由受激吸取到自发辐射，循环不止地 进行，每循环一次，辐射一个光子，光就是这样产生的。它的特点是：由于各个原子在自发 辐射时，没有统一的步调，辐射的时间有先有后，波长有长有短，传播的方向也不一致，所 以通常我们见到的光，都是许多杂乱无章的光子组成的散光。如：阳光、灯光、火光都属于 自发辐射光。激光的概念 激光是受激辐射的光放大，是利用物质受激辐射原理和光放大过程产生出来的一种特殊光。 受激辐射是指当处于高能
6、级的原子，在外界因素的诱发下，跃迁回到低能级而发光的过程。 光放大是指输入一个外来光子，而输出的是两个完全相同的光子，其中一个是外来光子，另 一个是被外来光子诱发出来的光子。这样一个光子诱发一个原子产生受激辐射，得到了两个 完全相同的光子，这两个光子再去诱发两个原子产生受激辐射得到完全相同的四个光子如 此链锁地进行下去，完全相同的光子数目便会越来越多，即光被“放大”。激光与普通光的区别激光与自发辐射光在本质上完全一样，都是通过物质内部的粒子把 外界能量转换来的。所不同的是激光是用一种特殊的光源和发光物质在激光器里产生的，它 是一种特殊光，与普通光相比，有以下四个主要特点：1. 方向性好。它发射
7、出去的光，基本上是一条直的平行光束2. 亮度高。激光的亮度比太阳表面的亮度高几百亿倍，它是目前世界上最亮的光。3. 单色性好。激光问世前，最好的单色光是氪灯发出的光，而激光比氪灯光的单色性高 出几十万倍。4. 相干性好。激光即便从各点发出的光，也如同从一个点发出的光一样，具有相同的频 率、相位和振动方向。激光器激光器是利用物质受激辐射放大电磁波的原理产生激光的装置。它由工作物质，谐振腔 和激励源三部分组成。1. 工作物质。又称为激光物质，它与普通发光物质的区别就在于具有亚稳态能级。也就 是说，激发到高能态的粒子稳定时间较长，通常可达 10 3 秒数量级时间，但最终还是要自发 地回到基态，以保持
8、其稳定性。工作物质受到激励后，将出现两种粒子，一种高能级粒子， 另一种低能级粒子，当高能级粒子多于低能级粒子时，就会有激光输出。2. 谐振腔。谐振腔是由两个面对面的反射镜构成的腔，其中一块全反射镜，另一块为部 分反射镜，此两镜互相平行，分别装置于激光物质的两端，且与激光物质的轴线垂直，它们 之间的光学长度等于受激辐射光的半波长的整倍数。由于谐振腔的控制，只有沿着激光物质 轴线方向的受激辐射光子，才能在谐振腔中来回振荡往返于激光物质之中，使受激辐射的光 放大连续进行。这样既保证了激光的连续输出，又限制了输出激光的方向和波长。3. 激励源。必须给工作物质以足够强的能量，靠这个能源将基态的粒子激发到
9、高能态， 最后实现粒子数反转。能源是多种多样的。如：光能、电能、热能、化学能等。激光器的种类繁多。按工作物质划分有：固体、气体、半导体、化学、染料等激光器。 按谐振腔分有：非稳腔激光器、共焦腔激光器、平面腔激光器等。按激发方式分有：电激发 激光器，热激发激光器，光泵激光器和化学激光器等。激光器是激光应用技术中的重要部件。 因此，激光器的研制水平标志着一个国家激光技术的发展水平。随着激光、微电子、及计算机技术的飞速发展和广泛的应用，以激光为光源，利用激光 本身特性和激光散射、干涉原理，人们开发许多的测试技术，如激光直接摄影法、激光多普 勒技术、PIV测试技术、激光光谱技术、激光全息技术、激光CT
10、技术等等。上述这些测试技 术为深入研究喷雾场提供了强有力的手段。本文将对上述方法以及实际中的应用重要解决的 问题加以介绍和讨论。1.激光直接摄影法和伪彩色技术这是激光技术的最简单的应用，利用了激光的本身特性，主要应用测量喷雾场的浓度问 题。以激光为光源，普通的135 底片为纪录介质直接摄影，将得到的黑白图像变成彩色图像， 将雾场浓度分布表成颜色层次，从而将雾场的浓度分布鲜明的表示出来，这种方法直观明了， 但是只能定性的表述雾场的浓度分布。日本学者，也应用激光本身特性，把连续的激光转变成频闪脉冲光进行拍照，取得了不 错的效果，进入90 年代后，高速摄影技术的发展在内燃机缸内研究中的应用掀起了新的
11、高潮， 这主要是因为电子技术和激光技术的发展。2 激光多普勒测试技术激光多普勒测试(Laser Doppler Velocimeter简称为LDV)是测量流场速度的有力工具， 在此基础上还开发出了测量粒子尺寸和速度的相多普勒(Phase Laser Doppler Velocime ter)技术。利用激光多普勒测试技术的优点是测量时，不干扰流场；就有很高的时间和空间分辨 率；测量速度而非速度函数；缺点是需要在空间逐点测量流场的速度分布和粒度分布，不能 在瞬间对整个流场进彳亍测量；这种测量方法不适合低速流场的测量。相多普勒技术无法测 量喷雾中心区存在未雾化的喷注核心区。喷雾区的速度测量问题还有待
12、进一步的研究。参考光束型多普勒测速图 1 所示为参考光束型测速方法的光路的原理图。设E (t)和E (t)分别表示参考光和散射光的电矢量的瞬时值则 isE (t)二 E exp- j(2k Vt + )E (t)二 E exp- j(2k Vt + )i i i i s s s s合成光强 I 应正比于合成电矢量的模平方，由四项组成I g |E(t) + E(t)|2二 E2(t)+ E 2(t) + EEespj(2兀(V + V)t + (+ ) + EEesp-j(2兀(V V)t+ ()isisisisisisisis光电倍增管实际感受到的合成光强可表示为I g I + EEesp j
13、 (2k (V V )t + ( ) I g I + EEespj (2k (V V )t + ( )0 i si si s0 i si si s光电倍增管输出的光电流正比于它接收到的光强，用复指数函数的实部表达它的规律为“2uV . 0 2uc / 九.0九 VV = r sin =i- sin n u =f-di = i +1 cos2kV t + (0)Didc 2 c / p 200/pF2 p sin 2厶多普勒频移为v = v v =丄eeLD s i C f s i ip如图i可得v6e)si2uV . 0i- sinc 2P2uV . 02uc / 九.0九 V贝 U 有 V
14、= i sin = i sin n u =id -d ”2 c / p 2211 0/卩2 p sin-二 u e - e 二 2u sin ? n V2 d若入射光在真空中的波长为九,i3 粒子图像测速技术80年代末，Reuss等人首先将粒子图像测速技术PIV(Particle Image Velocimetry)应 用于内燃机缸内流速度和大标量涡流的测量。PIV是一种数字图像分析技术，它可在瞬间冻 结流场，给出二维速度分布。通常所讲的PIV是指粒子浓度很高但映象图在接受区不重叠的 情况。PIV 技术最大的贡献是突破了空间单点测量的局限性，它可在同一时刻记录下整个流场 的有关信息，并且可分别
15、给出平均速度、脉动速度和应变率。当今计算机图像处理技术的发 展为PIV技术的发展提供了技术基础，使得PIV技术不但具有LDV但点测量的精度，而且可 以描述流场，它的出现无疑会加速燃油喷雾速度场的研究网。4激光诱导荧光法(LIF)激光诱导荧光光谱LIF(Laser Induced Fluorescence)是80年代后期国际上提出的先进 技术，被认为是一种测量喷雾浓度分布的有效手段。目前， LIF 已经成为燃烧气流的化学与 结构研究的重要手段，而不是局限喷雾场。例如，燃烧生成物 NO 的测量，燃烧温度的测量， 混合气空燃比的测量等等。国内天津大学在这方面的研究开展的比较的早，也确的了显著的 效果。相对于其他的光谱诊断技术，其优点是用脉冲激光实现高的时间分辨率以及用单色光实 现高的光谱分辨率，因为荧光信号直接和被测分子的上下能级联系起来，具有高灵敏度。可 以实现浓度场和温度场的二维分布显示。但是，激光诱导荧光法也有其缺点，容易受到一些 因素的干扰，例如：吸收光谱的特定温度、高压时气相的激冷效应，这些还要进一步的研究 来解决。5 激光全息测量技术激光全息照相技术最早由 Thompson 等人，用于大气雾场的研究，英国的 JCDent 着 重研究了激光干涉技术在燃油喷雾测量中的应用的可能性。国内的许多大学都开展了这
