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實驗分享 | 采用PLIF方法測量燃燒火焰CH2O濃度

1實驗背景
燃燒過程涉及多種化學反應，關鍵中間產物CH2O（甲醛）濃度分布可反映燃燒效率。對于優化燃燒過程、提高燃燒效率以及降低污染具有重要意義。
傳統侵入式測量技術會干擾燃燒火焰場，且響應速度較慢、精度低。采用平面激光誘導熒光即PLIF技術，具有高時空分辨率、非接觸、多組分選擇等特點，實現對燃燒火焰中CH2O濃度高精度測量。
2 技術原理
PLIF技術基于激光與物質的相互作用，當一束特定波長的平面激光照射到燃燒火焰中的目標分子（如 CH?O）時，這些分子吸收激光能量后從基態躍遷到激發態。處于激發態的分子在短時間內會自發地回到基態，并發出熒光。通過高速攝像機或sCMOS科學相機采集熒光信號并根據熒光強度與分子濃度之間的關系，得到燃燒火焰中CH?O濃度分布圖像。

圖1 PLIF技術原理圖

3 實驗系統
千眼狼PLIF實驗系統主要組成：
1）泵浦激光器，頻率30Hz，能量180mJ，用于產生355nm波長的平面激光，激發火焰中的CH2O分子。
2）千眼狼Revealer G_Pro系列高速攝像機，用于捕獲火焰熒光圖像。
3）P43磷光屏像增強器，用于增強甲醛分子受激發產生的熒光信號。
4）千眼狼Revealer同步控制器，最小脈寬1ns，時間同步精度1ns，用于激光脈沖、高速攝像機、像增強器精確同步。
5）光學組件，高反鏡、凹透鏡、凸透鏡、濾光片等，用于將激光聚焦成薄片狀，并對熒光信號收集和濾波，提高信噪比。
6）火焰發生器，用于產生穩定的燃燒火焰。

圖2 PLIF系統示意圖

4 實驗過程
第一步系統標定
測量區域中充滿0 mg/m3 、0.03mg/m3 、0.05mg/m3 三種濃度的CH2O, 采集對應濃度下的熒光圖像，建立熒光強度-濃度關系曲線。
第二步數據采集
采用千眼狼高速攝像機搭配像增強器、帶通濾光片，捕獲CH2O分子受激后產生的熒光圖像。
第三步數據后處理
依據標定過的熒光強度-濃度曲線，將原始熒光圖像的灰度數據轉換成表示濃度的偽彩數據，即濃度分布圖像。通過對高速攝像機捕獲的序列圖像分析，得到CH2O濃度隨時間、空間的變化規律，偽彩圖顯示，火焰前鋒區域濃度較高，火焰尾部區域濃度較低。

圖3組分濃度偽彩動圖

5實驗結論
作為一種先進的光學診斷技術，PLIF測量方法，可提供燃燒火焰中CH2O濃度分布的高時空分辨率圖像，幫助研究人員理解燃燒過程中的化學反應機理，為提高燃燒效率、降低污染物排放提供實驗數據支撐。
PLIF平面激光誘導技術還可與PIV粒子圖像測速技術相結合，在湍流領域研究、化學工程、環境監測等領域有重要應用。
附千眼狼自研PIV流場測量軟件、硬件
自研PIV測量軟件,適用于2D2C,2D3C,3D3C,PLIF,PTV,氣泡測量等應用場景。