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低压环境下飞秒激光诱导氰基化学发光特性研究
1
作者
单沅
严浩
+5 位作者
刘旭辉
韩磊
鲁政
刘子晗
李博
高强
《光谱学与光谱分析》
北大核心
2025年第9期2445-2451,共7页
飞秒激光分子标记测速是目前主流的非侵入式测速技术,在常压环境下的速度场测量方面应用广泛,尤其是在超声速及高超声速流场测量方面极具优势。目前,飞秒激光分子标记测速方法主要包括标记氮气分子的飞秒激光电子激发标记测速技术和标...
飞秒激光分子标记测速是目前主流的非侵入式测速技术,在常压环境下的速度场测量方面应用广泛,尤其是在超声速及高超声速流场测量方面极具优势。目前,飞秒激光分子标记测速方法主要包括标记氮气分子的飞秒激光电子激发标记测速技术和标记甲烷/氮气混合气的飞秒激光诱导氰基化学发光测速技术(FLICC)。与飞秒激光电子激发标记测速技术相比,FLICC技术的信号强度和持续时间都具有极大的优势,其测速范围和适用场景也得到了极大的拓宽。该技术可以为高速风洞、航空航天推进系统等环境下的流场速度测量提供技术支持。然而,高速流场往往伴随着低压的环境,如地面的低压风洞、近地或深空等环境。因此,研究低压环境下的流场测速技术具有重要的意义。目前,FLICC技术在低压环境下测速的适用性还无法确定。由于FLICC技术是通过拍摄发光分子在一定时间内的位移获得速度信息,因此被标记分子发光的强度和持续时间直接决定着该技术的应用可行性。在低压环境下,由于粒子数密度降低,飞秒激光与分子作用以及粒子之间的能量传递都会受到影响,进而影响发光的强度和寿命。本工作主要研究从常压到低压环境下FLICC的发光特性,实验中,低压腔压力可以在10 Pa至0.1 MPa间调节,腔内为1%浓度的CH_(4)/N_(2)混合气,飞秒激光入射到低压腔中与混合气作用,诱导化学反应生成高能态的CN,通过CN(B-X)的跃迁发出荧光,利用ICCD相机和光谱仪对光谱进行成像。通过拍摄不同时间延迟下的光谱信息,获得不同压力下CN发光谱线的强度和持续时间,建立了光谱强度随压力的变化曲线。结果表明,随着压力的降低,CN的发光强度逐渐下降,在10 Pa的压力下仍保持着较好的信号强度,通过ICCD相机的延迟成像,获得其荧光寿命约为5μs,满足FLICC的测速要求。该研究为FLICC技术在低压环境下的应用打下基础。
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关键词
飞秒激光
化学发光
光谱
低压
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职称材料
基于纳秒LIBS的氢气/空气火焰混合分数测量研究
2
作者
刘子晗
刘艳
+5 位作者
韩磊
单沅
鲁政
高强
李帅瑶
李博
《光谱学与光谱分析》
SCIE
EI
CAS
北大核心
2025年第1期24-29,共6页
在双碳政策和化石能源短缺的背景下,氢能作为高效环保的清洁能源,受到广大研究人员的关注。氢气/空气混合燃烧作为推动氢能规模化应用的重要途径,其燃烧机理和关键参数的测量技术成为目前研究的热点。燃空当量比是表征燃烧过程中燃料与...
在双碳政策和化石能源短缺的背景下,氢能作为高效环保的清洁能源,受到广大研究人员的关注。氢气/空气混合燃烧作为推动氢能规模化应用的重要途径,其燃烧机理和关键参数的测量技术成为目前研究的热点。燃空当量比是表征燃烧过程中燃料与氧化剂混合程度的重要参数,直接影响燃烧的开始、自持以及燃烧化学反应的活跃程度。因此,对燃烧过程中的局部当量比实时在线监测,对于改善燃烧效率、控制燃烧过程具有重要意义。目前,可以实时测量氢气/空气火焰当量比的方法相对较少,激光光谱技术作为一种非侵入式的测量方法,不仅具有实时在线测量的能力,还具有快速、原位、远程分析、多元素同时在线监测等特点,在燃烧测量领域具有重要的应用潜力。采用纳秒激光诱导击穿光谱技术对氢气和空气燃烧场的燃空当量比进行测量研究。氢气和空气在管内混合后,由射流口喷出形成射流燃烧火焰场。激光通过透镜聚焦到射流燃烧场中击穿并产生等离子体,其等离子体的发射光谱由光谱仪采集,实验发现光谱中H 656 nm和O 777 nm具有很强的发射强度,且光谱强度随着当量比的变化,呈现规律性变化趋势。因此,采用H 656 nm和O 777 nm的光谱分别标示氢气和空气,并将其比值作为燃空当量比的测量参量。实验在氢气空气混合均匀的低速流场中测量了不同当量比下H 656 nm与O 777 nm的光谱强度比值,并与当量比建立标定曲线,实验发现该标定曲线对燃烧场和非燃烧场同样适用。基于标定曲线,我们研究了存在外界掺混情况下,射流燃烧场的局部燃空当量比情况。在当量比1.0,流场速度为20 m·s^(-1)的射流燃烧场中,测量了射流中心位置不同高度的燃空当量比变化情况,并在相同工况下进行了数值模拟。模拟结果与实验测量吻合较好,验证了纳秒激光诱导击穿光谱技术测量氢气/空气混合气的燃空当量比的可行性。该方法可为氢气燃烧基础研究及数值模拟提供技术支持。
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关键词
激光诱导击穿光谱
氢能
当量比
模拟
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职称材料
题名
低压环境下飞秒激光诱导氰基化学发光特性研究
1
作者
单沅
严浩
刘旭辉
韩磊
鲁政
刘子晗
李博
高强
机构
天津大学先进内燃动力全国重点实验室
北京控制工程研究所
出处
《光谱学与光谱分析》
北大核心
2025年第9期2445-2451,共7页
基金
国家自然科学基金项目(U21B2074,U2241258)
北京市高效能及绿色宇航推进工程技术研究中心和北京控制工程研究所先进空间推进技术实验室开放基金课题(YF-E-2023-KF055)资助。
文摘
飞秒激光分子标记测速是目前主流的非侵入式测速技术,在常压环境下的速度场测量方面应用广泛,尤其是在超声速及高超声速流场测量方面极具优势。目前,飞秒激光分子标记测速方法主要包括标记氮气分子的飞秒激光电子激发标记测速技术和标记甲烷/氮气混合气的飞秒激光诱导氰基化学发光测速技术(FLICC)。与飞秒激光电子激发标记测速技术相比,FLICC技术的信号强度和持续时间都具有极大的优势,其测速范围和适用场景也得到了极大的拓宽。该技术可以为高速风洞、航空航天推进系统等环境下的流场速度测量提供技术支持。然而,高速流场往往伴随着低压的环境,如地面的低压风洞、近地或深空等环境。因此,研究低压环境下的流场测速技术具有重要的意义。目前,FLICC技术在低压环境下测速的适用性还无法确定。由于FLICC技术是通过拍摄发光分子在一定时间内的位移获得速度信息,因此被标记分子发光的强度和持续时间直接决定着该技术的应用可行性。在低压环境下,由于粒子数密度降低,飞秒激光与分子作用以及粒子之间的能量传递都会受到影响,进而影响发光的强度和寿命。本工作主要研究从常压到低压环境下FLICC的发光特性,实验中,低压腔压力可以在10 Pa至0.1 MPa间调节,腔内为1%浓度的CH_(4)/N_(2)混合气,飞秒激光入射到低压腔中与混合气作用,诱导化学反应生成高能态的CN,通过CN(B-X)的跃迁发出荧光,利用ICCD相机和光谱仪对光谱进行成像。通过拍摄不同时间延迟下的光谱信息,获得不同压力下CN发光谱线的强度和持续时间,建立了光谱强度随压力的变化曲线。结果表明,随着压力的降低,CN的发光强度逐渐下降,在10 Pa的压力下仍保持着较好的信号强度,通过ICCD相机的延迟成像,获得其荧光寿命约为5μs,满足FLICC的测速要求。该研究为FLICC技术在低压环境下的应用打下基础。
关键词
飞秒激光
化学发光
光谱
低压
Keywords
Femtosecond laser
Chemiluminescence
Spectrum
Low pressure
分类号
O433.1 [机械工程—光学工程]
在线阅读
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职称材料
题名
基于纳秒LIBS的氢气/空气火焰混合分数测量研究
2
作者
刘子晗
刘艳
韩磊
单沅
鲁政
高强
李帅瑶
李博
机构
天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室
中国科学院工程热物理研究所
出处
《光谱学与光谱分析》
SCIE
EI
CAS
北大核心
2025年第1期24-29,共6页
基金
国家自然科学基金项目(u2241258,52276164)资助。
文摘
在双碳政策和化石能源短缺的背景下,氢能作为高效环保的清洁能源,受到广大研究人员的关注。氢气/空气混合燃烧作为推动氢能规模化应用的重要途径,其燃烧机理和关键参数的测量技术成为目前研究的热点。燃空当量比是表征燃烧过程中燃料与氧化剂混合程度的重要参数,直接影响燃烧的开始、自持以及燃烧化学反应的活跃程度。因此,对燃烧过程中的局部当量比实时在线监测,对于改善燃烧效率、控制燃烧过程具有重要意义。目前,可以实时测量氢气/空气火焰当量比的方法相对较少,激光光谱技术作为一种非侵入式的测量方法,不仅具有实时在线测量的能力,还具有快速、原位、远程分析、多元素同时在线监测等特点,在燃烧测量领域具有重要的应用潜力。采用纳秒激光诱导击穿光谱技术对氢气和空气燃烧场的燃空当量比进行测量研究。氢气和空气在管内混合后,由射流口喷出形成射流燃烧火焰场。激光通过透镜聚焦到射流燃烧场中击穿并产生等离子体,其等离子体的发射光谱由光谱仪采集,实验发现光谱中H 656 nm和O 777 nm具有很强的发射强度,且光谱强度随着当量比的变化,呈现规律性变化趋势。因此,采用H 656 nm和O 777 nm的光谱分别标示氢气和空气,并将其比值作为燃空当量比的测量参量。实验在氢气空气混合均匀的低速流场中测量了不同当量比下H 656 nm与O 777 nm的光谱强度比值,并与当量比建立标定曲线,实验发现该标定曲线对燃烧场和非燃烧场同样适用。基于标定曲线,我们研究了存在外界掺混情况下,射流燃烧场的局部燃空当量比情况。在当量比1.0,流场速度为20 m·s^(-1)的射流燃烧场中,测量了射流中心位置不同高度的燃空当量比变化情况,并在相同工况下进行了数值模拟。模拟结果与实验测量吻合较好,验证了纳秒激光诱导击穿光谱技术测量氢气/空气混合气的燃空当量比的可行性。该方法可为氢气燃烧基础研究及数值模拟提供技术支持。
关键词
激光诱导击穿光谱
氢能
当量比
模拟
Keywords
LIBS
Hydrogen energy
Equivalence ratio
Simulation
分类号
O433.1 [机械工程—光学工程]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
低压环境下飞秒激光诱导氰基化学发光特性研究
单沅
严浩
刘旭辉
韩磊
鲁政
刘子晗
李博
高强
《光谱学与光谱分析》
北大核心
2025
0
在线阅读
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职称材料
2
基于纳秒LIBS的氢气/空气火焰混合分数测量研究
刘子晗
刘艳
韩磊
单沅
鲁政
高强
李帅瑶
李博
《光谱学与光谱分析》
SCIE
EI
CAS
北大核心
2025
0
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