激光诊断技术在内燃机方面的应用综述

课程名称：激光诊断技术论文名称：激光诊断技术在内燃机方面的应用综述学科专业：学生姓名：学号：指导教师：教授201x年x月激光诊断技术在内燃机方面的应用综述摘要：本文就内燃机工作过程中的缸内流场、温度场、喷雾特性以及组分浓度分布等参数的测量方法进行了归纳总结，分别对其工作原理、适用范围与场合、优缺点等进行了比较和分析，为不同目的的燃烧诊断实验的方案选择提供了一个有益的参考。关键词：激光诊断；燃烧过程；缸内流动前言内燃机的工作循环直接影响发动机的动力性、经济性和排放指标，燃烧过程是工作循环的研究核心，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，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，才能更有效地提高内燃机效率，降低排放。由于内燃机燃烧过程十分复杂，测试相当困难，因此一直是世界各国内燃机科技工作者所关注的重点。燃烧实验的测量水平随着测试技术的不断完善而逐渐提高。早期的实验研究主要采用毕托管、热线风速仪、热电偶等测试手段，测量精度低，高频响应差，以及接触式测量对流场的干扰是其主要不足。70年代后期到80年代初期激光技术在测试领域的应用使流场测量的方法得到了极大的丰富，测量的精度得到了很大的提高。随着激光与光学技术的发展，激光诊断技术为内燃机燃烧过程的研究提供了一种强有力的工具。由于激光诊断技术具有非接触性、不会对发动机缸内流场产生干扰等突出优点，在内燃机研究中的应用日益广泛。采用激光诊断技术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[1-2]。目前已发展的激光诊断测量技术主要有：激光多普勒测速技术（LDV/LDA）、粒子图像测速技术（PIV）、粒子跟踪测速技术（PTV）、相多普勒粒子分析仪（PDPA）、瑞利散射（RS）、米氏散射（MS）、激光诱导荧光（LIF）、激光诱导荧光淬熄技术（LII）、激光全息技术以及相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）等。这些技术可以对内燃机缸内气体的浓度场、速度场、温度、压力、组分，燃油喷雾的空间分布和两相流场以及缸内火焰传播过程等进行测量，并可以提供实时的、高空间分辨率的测量结果。本文对几种常用的激光诊断测量技术及其在内燃机燃烧诊断过程中的应用做了详细介绍。1激光流场诊断技术随着燃烧技术的不断发展，特别是发动机燃烧室的改进，要求能够在各种特定的工况下，具有与之相适应的性能，如燃烧效率、温度场分布和进、排气良好等。为了达到这些性能指标，必须掌握发生在燃烧室中复杂的物理、化学过程，如气体在内燃机进气管内气流压力波动及气缸内运动状态等，为燃烧系统的合理匹配提供理论依据。1.1激光多普勒测速技术自从1964年Yeh和Cummins首次用激光测速仪(LDV)测得层流管流的速度分布以来，激光多普勒测速技术经历了产生、发展和不断完善的过程。作为一种先进的测量技术，LDV在工程和科学技术研究中得到了广泛的应用。LDA有如下优点：是非接触式测量；有速度方向的判别能力；与速度呈线性关系；动态响应快。采用近代光电子学和微处理机技术的LDV系统，可以比较容易地实现二维、三维流动的测量，获得各种复杂流动结构的定量信息。这种技术具有极好的时间分辨力和空间分辨力，精度可达1%，空间分辨率可达1～2mm。由于内燃机气缸内的空气运动对油气混合、滞燃期、着火位置、燃烧、火馅传播、放热率、爆震、污染物形成都有重要影响，所以对其准确的测量和描述具有重要的意义。传统的测量方法，如流动显示、高速摄影等，都只停留在定性的水平上，是很粗糙的。LDV的出现，使气缸内流场的测量越来越直接和精确。在此基础上发展了一种可用于全场测量的多谱勒全场测速法，它的基本原理是利用某些物质的选择吸收特性，把多谱勒频移转换成光的强度，通过视频相机拍摄及处理获得全场的速度信息，实现全场、实时、瞬态、定量及三维测量，是一个非常有前途的发展方向。激光多普勒测速技术LDA的原理是利用多普勒效应；当激光照射到跟随流体一起运动的散射粒子时会产生散射光，通过分析接收光的多普勒频移量的信号可以计算出粒子的运动速度，以此表征流体的运动速度[3]。激光多谱勒测速仪的工作原理是依据激光多谱勒效应，利用粒子散射光的频移量来测量速度。亦即用一束激光照射在流体中随流体一起运动的微粒上，采用光外差检测技术，测出其散射光的多普勒频移，然后换算成流体的运动速度。激光多普勒测速仪的基本光学测量方法如图1所示。图1激光多普勒测速仪的基本光学测量方法激光器是一种具有适当光强的相干光源，如图中所示，可将其光束分裂成两部分，并使这两束激光在流场中的测量点处交汇，在两束激光交汇形成的小空间内就会形成平行的干涉条纹。当流动跟随粒子(预先分散于测试流体中)穿越这个小空间时，会由于发生光散射，而改变干涉条纹形态。通过分析干涉条纹的变化，就能确定跟随粒子的速度。在实际测试技术中，一般人为轻微地使一束激光的频率发生改变，以使干涉条纹的形态以一确定的频率脉动。当流动跟随粒子穿越干涉条纹空间时，将使干涉条纹原有的脉动频率发生改变，即出现多普勒频移Df。记录Df，可由下式计算出粒子速度。Dfvfd=⋅（1）/2sinfdλφ=（2）式中fd表示干涉条纹间距；λ表示激光波长；2φ表示两束入射激光的夹角。对于一定的光学发射器和激光器来讲，λ和φ是常数，所以，v和Df是一个线性关系式，也是一个精确的物理表达式。LDV技术从测量一维速度发展到可以测量二维、三维速度，技术越来越成熟。下面介绍现代应用的一种典型的三维LDV的基本工作原理。如图2所示。由氩图2三维激光多普勒测速仪系统简图离子激光器产生的激光束经光分离器分成绿、蓝、紫三色六束单色光(它们依次是波长为476nm的一对紫光、488nm的一对蓝光、514.5nm的一对绿光，在每对光中有一束光加有040fMHz=频移，以确定流动方向)，并被耦合进单模保偏传输光纤，送入发射探头，聚集在一点，形成测量体积。当粒子通过该测量体积时产生的散射光，经接收探头传送到光电接收器，在光电接收器内通过光电转换器件将光信号转化为电信号后传送到信号处理器和计算机处理分析，进行该点的三维速度测量，再通过智能化三维坐标架位移机构的移动就可以得到全场的信息。LDV的应用仅限于透明流体，对于不透明的流体，可采用与其粘度与流变特性相近的替代流体进行研究。虽然如此它的应用场合也很广泛，气流、水流、低速流及高速流、高温或燃烧、层流及湍流等都可以用LDV来研究。由于内燃机气缸内的空气运动对油气混合、滞燃期、着火位置、燃烧、火馅传播、放热率、爆震、污染物形成都有重要影响，所以对其准确的测量和描述具有重要的意义。传统的测量方法，如流动显示、高速摄影等，都只停留在定性的水平上，是很粗糙的。LDV的出现，使气缸内流场的测量越来越直接和精确，取得了一大批宝贵的定量分析数据，从而为后续过程的研究提供指导，为改善燃烧过程提高内燃机性能提出了重要的实际改进建议，同时也为内燃机多维数值模拟提供边界条件和验证手段。1.2激光粒子图像测速技术激光粒子图像测速（ParticleImageVelocimeter,PIV）技术能够测量瞬态速度场，并可以把观测到的速度矢量描绘出来。其基本原理是：由已知时间间隔内流场中微小区域的位移计算出速度矢量[4-5]。Nd:YAG激光器反光镜分光镜球面镜棱镜柱面镜照相机或高速摄影仪示踪粒子进入流场中的拍摄面图3粒子图象测速技术的成像光路系统图4粒子图像测速技术的粒子图像形成光路粒子图象测速（ParticleImageVelocimetry，简称PIV）是在70年代末由固体力学散斑法发展起来的，是一种基于流场图像互相关分析的非接触式二维流场测量技术。它突破了传统单点测量的限制，可瞬时无接触测量流畅中一个截面上的二维速度分布，且具有较高的测量精度。PIV技术基本原理如图3、图4所示。在流场中散布示踪粒子，之后激光从激光器出来后，经过球面镜聚光，棱镜散光，最后有柱面镜形成片状光并射入所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，在胶片上或高速摄影仪（CCD相机）中记录粒子的图象，最后采用光学杨氏条纹法、自相关法或互相关法，逐点处理PIV底片或CCD相机记录的图象，获得流场速度分布。如果流场中的粒子浓度（单位容积中包容的粒子数）很高，实际记录在底片上的不是粒子图像，而是粒子群的散斑图象及其三班图象的位移，在早期曾被采用，并称为激光散斑测量技术（LSV）。国际上也通属于粒子图象测速范畴。如果流场中的粒子浓度很稀，在确定粒子位移时常常采用单个粒子的识别和跟踪的方法，一个一个确定该粒子的速度。不同于当前公认的PIV方法，成为粒子跟踪测速技术（ParticleTracingVelocimetgry，简称PTV），但也统称为PIV。如果流场中的粒子浓度中等，一般讲大约4～10对粒子/最小分辨容积内，实际我们不是采用确定单个粒子速度方法，而是采用了确定在该最小分辨容积内所有粒子的统计平均速度的方法，即是当今所谓的粒子图象测速技术。根据采用的记录设备不同，PIV又分别称FPIV或简称PIV（用胶片作记录）和数字式粒子图象测速DPIV（用CCD相机作记录，不需要湿处理）。随着数字相机（CCD等）技术时空分辨力的提高，目前绝大多数相关研究中使用的是DPIV，它已经成为应用的主要方向。PIV（粒子群）PIV第一次曝光粒子图象第二次曝光粒子图象图5粒子两次曝光的图象记录示意图粒子图像测速的基本原理基于最直接的流体速度测量方法。在已知的时间间隔Δt内，跟随流体流动的示踪粒子群i被脉冲激光照射，粒子的瞬间轨迹以粒子图像的形式曝光记录在底片或CCD芯片上，如图5所示。第一次曝光（t1）和第二次曝光（t2）时刻的某一粒子的空间位置分别为1tX和2tX对应在图像记录平面的位置分别为1iX和2iX，其速度为：1tX212ittXXuii−−=∆∆=（3）)(1212ttMxxii−=（4）M为放大率，即观测流场区域Sv（Lv）和成像平面SF（LF）之比（vFvFLLSSM//==），一帮情况下M1。目前，PIV速度场的测量技术，从早期一个流动切面的瞬时二维速度场测量，逐步发展到了一个流动切面的瞬时二维速度场时间历程测量，一个流动切面的瞬时三维速度场及其时间历程测量（如SPIV），一个流动空间的瞬时三维速度场测量（HPIV等）以及正在攻克一个流动空间的瞬时三维速度场时间历程的测量。而其中测量一个三维空间的三维速度场或在有个切面上的三维速度场均是当今研究的热点。三维粒子图像测速技术从其功能分为3类：对一个二维流动切面（x，y）的三维速度（u，v，w）向量场的瞬时测量（2D-3cPIV）；对一个二维流动切面（x，y）的三维速度（u，v，w）向量场的时间历程（t）瞬时测量（2Dt-3cPIV）；对一个三维流动空间（x，y，z）的三维速度（u，v，w）向量场的瞬时测量（3D-3cPIV）。而对一个三维流动空间（x，y，z）的三维速度（u，v，w）向量场的时间历程（t）瞬时测量一般则可认为四维PIV技术（3Dt-3cPIV），目前正在探索当中。对于三维PIV技术，按方法途径主要包括PIV方法、体视PIV方法（StereoscopicPIV-SPIV）和全息PIV方法（HolographicPIV-HPIV）。其中SPIV方法是采用立体摄像（二台相机）布局来在一个切面上取得三维速度场（2D-3cPIV），三维PIV方法是采用多台CCD摄像机（3台以上，4台最理想），从不同角度记录照片的粒子流场。而HPIV则是一种对一个流动空间（x，y，z）的三维速度（u，v，w）向量场的瞬时测量技术（3D-3cPIV），即对全场的粒子采取二次曝光的全息瞬时记录；在重建取得粒子位移矢量时采用PIV技术，即不是跟踪粒子轨迹的方法，而仍是逐个切面切取和逐点判读小区（包括来自不同方向的图案）扫描判读再现的全息图像，并由此确定三个方向的速度向量。PIV技术可以应用在发动机缸