特约专栏 | 发动机喷雾燃烧流场实验研究基本方法

对燃烧室喷雾场的研究离不开表征液体燃料雾化特性的流场测试技术，由于喷雾过程与燃烧过程耦合在一起，喷雾场的实时测试难以实现，当前对喷雾场的测试主要在冷态条件下进行，通过变化环境压力和燃油流量，获得不同条件下的雾化特性。

雾化过程既包括了液体燃料的一次雾化（从连续流体破碎为液丝或大液滴的过程），又包括了液滴的二次雾化（大液滴液体破碎成大量小液滴的复杂过程）。液体雾化后，液滴尺寸小且不均匀，数量大又密集，其随气体运动，导致雾化规律实验研究困难。至今，多种测试方法在液体雾化测试研究中得到应用，如印痕法^[1]、熔蜡法^[2]、动态电阻^[3]等，这些方法繁琐、准确率低，在实践中受到限制。随着光学测量技术和计算机图像分析技术的发展，光学测量与诊断方法因其使用方便、精确度高的优点，在喷雾场测量中得到了快速的发展和应用。

相比于喷雾场的冷态测量，喷雾燃烧流场的测试更加复杂。一方面，燃烧流场的测试对象（介质）温度高、压力高，很多接触式测量传感器无法承受；另一方面，燃烧过程瞬变性强，特别是点火、熄火或者火焰传播过程，其时间、空间尺度小，通常要求测试技术具有高分辨率、高灵敏度等特性，若探测液雾与火焰相互作用过程，则测量难度更大。目前，针对喷雾燃烧的测试技术主要包括光谱技术、激光检测技术、光电探测器技术、图像处理技术等一系列综合性实验技术，用以获得喷雾燃烧流场的速度、温度、组分分布或者时空变化规律。近些年，针对全过程燃烧三维流场的多物理量的联合测试技术取得显著进展，为喷雾燃烧流场的诊断以及燃烧过程物理化学规律的揭示提供了大量翔实、有效的数据。

本文首先综述了喷雾流场测试所涉及的基本概念、原理和实验方法，介绍了目前广泛使用的基于纹影效应以及基于多普勒效应的测量方法，并给出了典型测量案例；然后，针对喷雾燃烧流场的测试，介绍了燃烧释热率和组分浓度的测量方法，重点阐述了激光诱导荧光测量技术的原理与方法，并给出典型的实验测量案例；最后对全文进行了总结及展望。

1  喷雾两相流场测试技术

1.1 喷雾两相流基本概念

采用液体燃料的液体火箭发动机和航空发动机燃烧室中，燃料通过喷嘴或喷注器（或雾化器）雾化形成具有特定流量、粒径和雾化角等参数的喷雾流场，液滴与空气或者氧化剂边掺混、边蒸发，形成燃烧室所需要的可燃混合物。液雾特性对于燃烧室流场组织以及发动机性能至关重要，如燃气温度、空间分布均匀性等，都直接影响发动机比冲或者推力。

不同于单一流体构成的单相流动，喷雾流场属于气液两相流，描述该流动体系的参数更丰富。其中空气、可燃混气和燃气等介质符合连续介质假设，称为连续相；而分散的液滴，属于离散相，不遵循连续介质假设。每一相占据两相流系统的比例，以及两相各自所具有的热力学参数（如密度、温度）和流动速度便是两相流测量的核心物理量。

一般情况下对于两相流动，连续相和离散相的速度、温度可能相同也可能不同，如果两相速度不同，则有速度滑移，通常连续相拖拽离散相运动；两相之间的温度可以不同，取决于温度高低，可能出现相间的传热行为。离散相对连续相的变化有响应迟滞，即跟上连续相行为（运动、温度变化等）的一种动力学能力。即使离散相本身，每个“个体”（液滴）的速度和温度等也可能不同，此时要定义一种“代表性”的物理量，由它们去表示离散相“整体”行为，这通常通过对离散相进行统计平均（如体平均）获得。

对于喷雾浓度的表征，通常采用统计测点区域内离散相液滴数量，获得数密度。如果测量手段能够获得测量区域内离散相每个颗粒或者液雾的尺寸（体积）信息，则可以统计分析获得体积浓度。当然还有其他的一些统计物理量，这里不再一一赘述。

除此之外，还要注意到喷嘴等雾化装置喷出的气液两相流动，在某个流动阶段通常还具有相对明显的连续的（或至少较大范围局部连续的）相界面，两相流体之间的进一步相互作用导致相界面破碎，其中的某一相流体变成分散的离散相，例如液滴等。在流场中，气液两相流体界面变化，与两类流体的流动参数（如流量比、速度比等）相关。

1.2 喷雾两相流场测量的基本方法

依据测量目的不同，获取的物理量不同，喷雾两相流动的测试手段和方法各异。依据不同测试原理，喷雾两相流动的测试方法可以分为机械法、声学法、光学法、电学法和放射线测量法等。

光学法的测量方法包括（高速）摄影法（high speed image，HIS）、激光多普勒测速分析法（laser Doppler velocimeter，LDV）、相位多普勒粒子分析法（phase Doppler particle analyzer，PDPA）、激光粒度分析法（laser particle size analyzer，LPSA）、粒子图像测速法（particle image velocity，PIV）和平面激光诱导荧光法（planar laser-induced fluorescence，PLIF）等。它们都需要测试对象具有光学可透性，高速摄影结合纹影法或者阴影法，可以拍摄流动过程，对图片进行分析，获得两相流动界面的变化，如喷雾形态；如果能够标识流动特征并追踪特征的时空演化，可以获得两相流体动力学行为的速度、加速度等物理量的变化。对于气液两相流动的高速摄影，可能存在复杂相界面对光的散射或者折射从而影响图像清晰度，对于图像数据的快速有效处理也是非常重要的方面。

对于光学不可穿透的测试对象，可以采用声学法、电学法或放射线测量方法。例如超声波测速分析仪，建立了特定声源发出的超声波在气液两相流体中传播后声波特性（频率、强度）的变化模型，从而测定速度、离散相直径、质量流量等参数。

电学法主要利用气液两相流动系统电学信号，例如静电法和电容法。静电法利用了两相流动中的静电感应（前提为存在该现象），在静电电极上产生电荷，通过信号处理获取动态电压信号，分析电压信号后，根据标定模型，开展流量或者流速等测量。电容层析成像（electrical capacitance tomography, ECT）是一种常见的利用了两相流体介电常数变化而实现测量流动规律的技术。

放射线方法利用X射线或者γ射线照射两相流体介质，通过建立射线衰减与辐射路径上单位面积的有效质量的定量模型，测定流动特性。由于该方法的测量仪器昂贵，不便管理和操作，使用中受到了限制，主要用作“标准”，用来标定和验证其他类型的测量传感器。

本文针对气液两相喷雾流场的光学测量方法，主要介绍喷雾形态观测的高速摄像以及喷雾流场参数测量的激光多普勒测速、相位多普勒粒子分析、激光粒度分析、两相粒子图像测量等方法及其基本原理。

1.3 喷雾流场光学测量技术基本原理

1.3.1 喷雾流场形态观测

喷雾流场的形态影响着流场的光学性质，而其形态变化肉眼难以清晰辨识观察，因此需要采用其他方法来表现和测量。纹影效应可以用于表征透明介质中肉眼不可见的非均匀折射现象。其核心要求是采用特定的光路来描述光学通过流场的偏折角，并采用（高速）摄影技术记录纹影图像，分析流场形态的时空演变结果。例如，刀片式纹影法（knife-edge schlieren, KES）^[4]是利用投影条纹的明暗变化来表示垂直 刀口方向上的偏折角变化；背景纹影法（background oriented schlieren, BOS）^[5-6]是通过背景图案的位移来表现光线的偏移；彩虹纹影法（rainbow schlieren）^[7]是使光线通过彩虹滤光片，用不同的颜色表示不同的偏折角。

图1为利用双凸透镜的典型刀片式纹影法测量原理图。系统构成包括光源S、透镜1和透镜2，光刀（刀口）以及相敏增强传感器（CMOS传感器）相机。光源S射出的光线通过透镜1形成平行光线照亮待测流场。当流场内无干扰时，平行光线不会发生偏转，通过透镜2聚焦在焦点处的光刀上，最后在相机上成像。如果流场内存在干扰，则平行光线发生偏转，经过透镜聚焦于焦点上时，光刀会遮挡部分光线，导致偏转的光线的成像位置不变，仅产生亮度上的变化。纹影图像反映的是流场折射率（密度）的变化，因此需要对图像信息进行处理加工，得到流场的密度、折射率等信息。

图1  刀片式纹影法测量原理图

图2为背景纹影测量原理的光路图，包括光源S，透镜组以及CMOS传感器相机。通过光源S照亮背景板上的图像，并分别采集光线没有受到影响和经过待纹影流场后的图像，有流场和无流场的图像会产生偏移量Δ^'_y 。图中虚线为未受影响的图像光路，蓝线为经过流场后图案偏移的光路。采用近光轴假设，建立偏折角和背景图案位移的关系，最后求解出光线偏折角ε_y 。相较于其他纹影法，背景纹影法的优点是光路布置简单，标定方便^[5]。

图2  背景纹影法测量原理图

图3为彩虹纹影法测量原理的光路图，系统包括光源S、透镜组、彩虹滤光片和相机。与前两种方法不同，它利用彩虹滤光片，将偏转角转化为投影颜色的变化。光源S发出的光线经过透镜形成平行光线，平行光线经过流场区后产生偏折，经过透镜的作用，偏折光线与正常光线穿过彩虹滤光片的位置不同，但在相机上成像位置不变，从而使得最后流场图案的颜色发生改变。

图3  彩虹纹影法测量原理图

1.3.2 喷雾流场参数特性测量

喷雾流场测量的参数主要包括喷雾粒径（尺寸）与分布、流场的速度等。

激光多普勒粒子测速技术（LDV）是利用流体中粒子散射光的多普勒频移效应来获取速度信息，其技术优点是不会对流场产生干扰，精度较高，能够用于流场无法接触的测量场合；缺点是只能单点测量，需要逐次采样才能获取整个流场的速度信息，且不能用于低速流场测量。

相位多普勒粒子分析仪（PDPA）是基于LDV发展而来的。PDPA在LDV的基础上增加了一个光电探测器。每个探测器接收到的多普勒频差之间存在相位差。这是由探测流场中存在一定尺寸粒子造成的，相位差与直径成正比，因此PDPA可以测量粒子的直径。采用不同尺寸的颗粒分别代表气相（跟随性好的小颗粒，称为示踪粒子）和颗粒相（实际尺寸的颗粒），则PDPA可以测量获得两相流动规律，包括速度场和浓度场。通过移动激光在流场中的测量位置，PDPA能够准确记录经过测量区域的粒子参数，分析获得粒子的粒径、速度和浓度等信息。

示踪粒子是否合适关系到实验数据的真实性及可靠性。PDPA要求粒子具有良好的光散射能力、透明度及球形度，而示踪气相则需要粒子具有粒径小、密度低等特点。例如，空心玻璃微珠具有球形度好、对光散射能力强、流动性好等特点，且可以加工到粒径为0~20 μm的范围，其可作为示踪气相的粒子。

PDPA利用激光多普勒效应接收到的多普勒信号测出颗粒速度，可以进行一维、二维和三维方向的测速。如图4所示，激光光源S发射频率为f_S的光照射到空间某个运动速度为V_O的粒子O，空间某一位置静止的光检测器P从某一个方向观察粒子的散射光时，由于粒子的运动，接收到的散射光频率f_P与入射光频率不同，发生了频移效应，称为多普勒频移：

其中λ为激光波长，e_S和e_P分别为粒子背向光源S和指向光检测器P的单位法向量。这样，根据多普勒频移可以确定速度V_O在（e_P－e_S）方向上的分量。PDPA测量颗粒直径的原理如图5所示。

图4  PDPA测速原理

图5  PDPA测量粒径原理

对于直径为d_P的光学颗粒（激光能够穿透），入射光照射到颗粒会发生复杂的反射和折射现象。空间不同位置探测器P₁和P₂接收到的散射光频率相同，但是相位不同，存在相位差Φ₁₂，并且颗粒直径越大，相位差越大，根据相位差可以获得颗粒直径的信息。

如果PDPA系统有两个探测器，那么当颗粒粒径超过一定范围，多普勒信号之间的相位差大于2π时，测出的粒径反而会减小。为解决这一问题，可以采用3个探测器同时采集信号，由P₁、P₂探测器的相位差Φ₁₂和P₁、P₃探测器之间的相位差Φ₁₃共同决定颗粒尺寸，从而增大测径范围和提高测量灵敏度。

通常来讲，PDPA主要测速范围在0~500 m/s，速度测量精确度能够达到1%，颗粒粒径测量范围在0.5~1 000 μm，粒径测量精确度可达4%。

相比于LDV和PDPA的单点测量，粒子图像测速仪（PIV）能够获取流场截面的速度分布，但其精度一般较LDV低一个数量级。PIV测速原理^[8-9]如图6所示，在流场中投入示踪粒子，光源S以Δt的时间间隔发出两束脉冲激光，经过透镜1形成平行光束照亮流场中的示踪粒子，通过相机分别获取两次图像。由于需要通过表征示踪粒子的速度来代替流场的速度，因此撒布在流场中的示踪粒子的特性直接决定着PIV技术量测的精度。故在PIV测速技术中，要求示踪粒子的流动伴随性好、分布均匀，同时具有足够高的散射率。得到流场的图像后，需要通过互相关算法来计算出粒子运动速度。通过相机获取的两张图像是同一区域不同时刻的结果，可以通过两个图像之间的相关性来找到同一个点，从而得到粒子速度矢量。

图6  PIV测速原理示意图

PIV还能用来在两相流中测量不同相（如固液、气液等）的速度，这就需要投入两种粒子，这两种粒子除了要满足流动跟随性好，还需要有一定的差异，才能在之后将两者分离出来。分离后再根据互相关等方法得到其速度。目前通常采用的方法有基于粒子尺寸差异的粒径分辨法^[10]，基于粒子反射光的亮度分辨法^[11]、荧光标记法^[12]、中值滤波法^[13]和基于尺寸、亮度差异的双参数相分离法^[14]等。

激光粒度分析仪（LPSA）用于测量雾化流场的粒径分布，通过向喷雾场发射激光，由激光透射液雾后发生的散射强度和角度计算液滴直径。图7给出了粒度分析仪的测量原理的光路图^[15]，包括光源S，透镜组以及光学探测器等。激光器发射的激光束经光学透镜系统准直后，形成具有一定直径的平行光束，平行光束通过检测区遇到被测液滴后，发生散射，偏折后具有一定散射角的散射光通过透镜被聚焦至多组环状光学探测器的相同半径上，将光学信号转化为电信号输出。根据光学原理，光线遇到液滴发生散射时，液滴越小则散射角度越大，因此不同粒径大小的液滴对应于不同的光能分布，通过探测器测得的光能分布则可以反向推算出液滴的粒径分布。

图7  激光粒度分析仪原理

1.4 喷雾流场光学测量典型案例

发动机中所涉及的雾化通常由喷嘴或者喷注单元实现，其结构或者工作方式多样，如直喷喷嘴、旋流喷嘴、对撞喷注器、针栓喷注器或者层板喷注器等，这里统称为雾化器。针对不同雾化器，综合采用流量计、（高速）纹影仪、PDPA等测量仪器设备可以实现对雾化器的流量特性、喷雾形态、雾化粒径等关键的喷雾特性参数的实验测量研究。

1.4.1 PDPA测量液滴直径和速度

图8为PDPA测量系统示意图，激光发射探头发出一定频率的激光照射在喷雾场单元内的指定粒子上，接收探头采集到粒子散射光并进行分析。例如，郭恒杰等^[16]搭建了一套三维PDPA测量实验台，并利用该系统测量喷油器的喷油速度和平均粒径。激光束以不同的角度对流场进行照射，将雾化场进行测量点划分，通过测量架精确位移来选择测量点。这样，利用三组激光可以同时测量得到粒子的三维速度分量和粒径。图9表示了喷油后横截面上的速度和粒径，图中以各横截面上的点为起点画出速度矢量，每根速度矢量的方向和长度表示该点的速度方向和速度大小，两侧的圆球直径表示粒径的大小。

图8  PDPA测量系统

图9  不同截面上液滴的直径和速度^[17]

PDPA还可以用来测量流场的局部质量流量。例如Aisa等^[18]基于三维PDPA测量方法测量了流场的局部质量流量。对于单向粒子，通过测量穿过指定区域的颗粒数量和速度来计算其浓度和通量；当粒子存在其他方向速度时，需要对粒子偏置进行积分校准。Rahman等^[19]还针对PDPA难以测量高密度流场质量流量问题提出了耦合PDPA+IS的方法，通过在流场内布置脉冲传感器（IS）获取区域内的动量信息，从而得到高密度流场内的质量通量，读者可以参考其研究论文。

1.4.2 PIV测量速度场

PIV通过连续采集粒子散射光来记录跟随流体运动的示踪颗粒轨迹和速度，它能够估计一组粒子的整体位移和平均速度场，其精度主要受限于图像分辨率、示踪粒子的伴随性和照明亮度^[20]。图10是一种采用PIV测量技术的喷雾流场速度测量试验台局部的示意图^[17]。在流场内均匀散播示踪粒子，双脉冲激光以一定的频率照射流场，通过透镜组，将波长为552 nm的激光束转变为片光照射流场。ICCD相机组以一定的速率拍摄获取不同时刻下的流场信息。Westerweel等^[21]针对双脉冲PIV不能测量加速流场的局限性，提出了基于三脉冲的PIV测速系统，通过增加一个额外的激光脉冲，以更高的时间精度来测量速度和加速度。

图10  PIV测速系统

1.5 喷雾两相流场测试技术小结

总之，喷雾流场雾化测量实验中的光学方法诊断以其精度高、干扰小，逐渐取代了接触式、侵入式测量系统，在喷雾测量领域得到了广泛的应用。

喷雾测量参数包括喷雾形态、液滴尺寸和分布、流场速度、液滴浓度等。表1给出了不同的测量方法的优缺点。基于多普勒频移原理的LDV和PDPA技术，能够逐点精确测量稳态流场中单点速度和粒径，其精度高，但效率较低，在液滴浓度高、速度较低时，会给测量带来一定的问题。纹影法通过表征流场折射率变化来体现液滴的浓度、温度和粒径信息，其应用范围广，且流场反应时间快，但无法体现空间信息。LPSA基于粒子的散射原理，可以获取流场中喷雾液滴的粒径和浓度分布情况，光学结构简单且易于实现，但其为流场的平均结果，且不能应用于高浓度流场。PIV通过测量示踪粒子的速度表征流场的速度，其效率较高，还能同时测量两相流场。调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）通过对特定波长光吸收情况表征介质浓度和流场温度，速度快、精度高。平面激光诱导荧光（PLIF）通过激光激发待测粒子发出荧光，从而得到待测粒度的浓度和分布等信息。PIV、PLIF等平面激光方法，因其测量速度快、分辨率高、范围大等优点，有着广泛的应用前景，而随着高速相机技术、激光技术和计算机图像技术等发展，其精度还有很大的提升空间。

2  喷雾燃烧流场测试技术

2.1 透明燃烧室模型

由于发动机燃烧室工作时温度和压力都极高，在燃烧测量过程中，很难针对实际燃烧室开展。为此，通常构建一种近真实物理的“透明”燃烧室用于开展实验研究，这里的“透明”主要是针对光学测量而言。

透明燃烧室要求具备真实燃烧室的几何特征，如旋流、突扩等，并能尽可能表征真实过程，即具备几何相似性、流动相似性、燃烧相似性等。虽然模型燃烧室难以比对功率相似性，但通过燃烧化学反应动力学的无量纲参数，至少能够实现燃烧过程的机理层面的可解释性，如邓克尔数相似。

对于工程实践中提出的燃烧不稳定性，特别是声学燃烧不稳定性，真实燃烧室与模型燃烧室之间的声学相似性难以保证，此时热声耦合物理机制需要在构建模型燃烧室时仔细考量。

图11是用于旋流火焰燃烧特性研究的透明燃烧室的测试系统示意图，该实验系统大体上可以分为旋流燃烧器、供气系统、测量与控制系统、冷却系统、声学激励系统（不是必需的）几个部分。其中，旋流燃烧器是实验台的核心部分，用于产生旋流火焰，并能够实现火焰的可视化；供气系统为燃烧器供应空气和燃料，并实现预混和流量、当量比的调节；测量与控制系统用于声压、温度、释热率波动等物理量的高频同步测量，同时用于时序控制。

图11  圆柱形燃烧室测试系统

图12给出了本实验台中旋流燃烧器的实物图，该燃烧器包括进气组件、燃烧室观察段和燃烧室延长段。进气组件的剖面图如图13所示，空气-甲烷预混气首先进入环形集气腔，再通过环向密布的小孔进入圆形截面进气段Ⅰ，进气段Ⅱ连接进气段Ⅰ、Ⅲ，且长度可调节。进气段Ⅲ内部为环形通道，在通道上方安装麦克风，进气段Ⅲ靠近燃烧室的一侧采用水冷的方式进行冷却。

图12  圆柱形燃烧器主体实物图

图13  进气管剖面图

为了研究多火焰之间的相互干扰或者作用，还可以进一步将单喷嘴燃烧室扩展为环形燃烧室。

图14为环形燃烧室实物图，在集气腔内，供给的燃料气和空气充分预混。为使集气腔内的气体能够均匀地输送至各个管道，并且保证管道流量一致，集气腔内安装一个半球形分流装置。进气段设计有n（通常为12~18）个进气通道，对应喷嘴供应系统。每个供气通道进气管道内预留两个麦克风测量点，测量供气通道内部的声压信息。为了满足光学测量的需要，燃烧室采用石英玻璃制作，通过选择滤光片，高速摄像机可以拍摄燃烧室的燃烧状况。

图14  环形燃烧室主体实物图

2.2 燃烧流场实验测量技术基本原理

针对被测物理量的不同，燃烧室流场测量方法包括光电倍增管、高速摄像机、平面激光诱导荧光等，分别用于获取燃烧释热率、火焰形态、燃烧组分分布等多种信息。

激光诱导荧光（laser-induced fluorescence，LIF）是一种用于空间分子、自由基等微观粒子测量的方法，随着激光源和探测器的发展，在测量领域有着很好的前景。一束特定频率的脉冲激光照射在待测分子或原子上，当频率与某一跃迁频率相同时，分子或原子会跃迁到高能级激发态。高能级激发态的能量不稳定，会因为碰撞转移降低到第一电子激发态的最低振动能级，再由最低振动能级降低至基态的任意能级。而在降低至基态的过程会以光的形式放出能量，这种光被称为荧光。由于激发态能级很高，因此可以认为未经过共振吸收的粒子中没有高能级激发态，从而发出荧光的粒子全是经过共振吸收的粒子。

图15为粒子跃迁的能级示意图^[22]，LIF可以精确激发特定粒子，因此具有较高灵敏度，可以用来测量特定成分的光谱吸收。

图15  激光诱导荧光原理示意图

如果用平面激光去诱导荧光进行燃烧流场测量，则称为平面激光诱导荧光（PlanarLIF）技术。当前，PLIF已经成为一种常见的测量燃烧场火焰温度和燃烧组分空间分布的光学测量方法，其用于二维平面空间内燃气分子、自由基团等微观粒子分布的测量时，具有时空分辨率高、无干扰、可视化强等优点。一般而言，用特定频率激光激发流场某一平面内的待测粒子（如OH，CH等），这些粒子通常与火焰释热相关联，再通过CCD相机记录其荧光变化，得到微观粒子瞬时的空间分布情况，从而表征燃烧特性。

调谐二极管激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopic, TDLAS）是一种实时、高精度的气体浓度测量方法，它通过待测气体对特定波长激光吸收光谱来定量分析气体的浓度。TDLAS的基本原理遵循比尔定律。光线穿过物质，光强会发生衰减，而衰减的程度与物质的浓度、厚度和物质的吸收特性有关，即：

其中I(ω)为接收的光强，I₀(ω)为激光器发射的光强，C(T)为待测气体的谱线强度，φ(v)为归一化的线性函数，X为组分浓度，L为激光光程。

线型函数φ(v)表示光谱吸收率随波长的变化，因此在整个波长范围内积分结果为1。吸光度随频率而变化是由于物质的展宽机制引起的。采用TDLAS测量浓度，需要选取好吸收线。分子存在多个吸收线，而在多组分介质中，不同分子的吸收线可能存在重合部分，因此容易在测量过程中造成谱线干扰。需要尽可能选取谱线强度大、干扰低的吸收线，提升测量准确度。

2.3 燃烧流场实验测量典型案例

2.3.1 释热率测量与火焰形态观测

对于常见的燃烧火焰，其总体释热率通常利用OH^*或CH^*化学荧光强度来表征。然而，不管是OH^*还是CH^*，其发出的荧光强度都非常弱，为此采用光电倍增管（photo-multiplier tube, PMT）将光学信号转化为电信号。

例如，某PMT可探测的光谱范围为280~630 nm，为了排除其他光线干扰，需要采用窄带滤光片进行滤光，如图16^[23]所示，OH^*产生的荧光波长约为308 nm，采用中心波长为310 nm、半宽高为10 nm的滤光片进行滤光，CH^*产生的荧光波长约为431 nm，采用中心波长为430 nm、半宽高为10 nm的滤光片进行滤光。

图16  甲烷-空气燃烧火焰化学荧光光谱^[23]

实验中通过高速相机与像增强器组合的方法拍摄CH^*化学荧光强度分布，用来表征释热率的时空演化。

2.3.2 TDLAS法测量气体（或组分）浓度

图17为一种测量空气中甲烷含量的TDLAS实验系统^[24]。激光穿过透镜形成片光进入反射池，由于空气中甲烷含量较低，因此需要增加光程。增加光程可以采用开放光路和多次反射池两种方法。该实验系统采用的是多次反射池，因此计算光强吸收时需要考虑到反射池的反射系数。实验中需要去除背景吸收线的影响，因此布置了阀门1、2和抽气泵对反射池进行换气。首先通入高纯氮气，测量得到背景吸收线，再通入空气排净氮气，测量实际吸收线，最后通入标定浓度的甲烷-空气混合物，得到标准甲烷谱线。最后减去两种甲烷浓度吸收线的背景吸收线，得到甲烷实际浓度。

图17  TDLAS测试系统原理图

2.3.3 平面诱导荧光法测量释热率

图18为一套OH-PLIF检测系统，该系统主要包括激光光源、传输光路、荧光探测器与数据采集器。例如，OH^*基是甲烷-空气燃烧过程的中间产物，其浓度分布表征了反应区分布和燃烧强度，如果认为OH^*基浓度与荧光信号成正比，可以得到OH^*基的二维空间相对浓度分布。

图18  平面激光诱导荧光系统示意图

由固体激光器产生532 nm的激光光束，经染料激光器调谐获得波长为567.106 nm，再经过倍频晶体后波长为283.553 nm，光束经过一系列柱面镜整形为片光，该片光透过石英玻璃窗后照射在火焰上，作为诱导OH^*基产生荧光的光源。采用ICCD相机记录荧光分布图像，该相机配备紫外镜头和滤光片，通过数字延时脉冲发生器精确控制ICCD与激光脉冲的时延。为了降低背景噪声，需要在捕捉到荧光信号的前提下尽量减小相机门宽。

2.3.4 平面诱导荧光法测量组分浓度

为了在流场中通过发射的激光诱导出荧光，通常在液相中添加一定质量分数的丙酮或其他物质作为示踪剂，以对液相浓度分布进行定性表征。丙酮在常温常压下吸收光谱为225~320 nm连续谱，因此需要选择一定激光波长的激光器，如283.56 nm激光器，Nd：YAG固体激光器。激光经过柱面镜等一系列光学镜组后形成片光，照射喷雾流场并激发丙酮荧光。

荧光图像采用与激光片光平行布置的ICCD相机进行拍摄，ICCD相机镜头前安装370~400 nm窄带滤光片，以阻断除丙酮荧光外的其他杂散光的干扰。ICCD相机和激光系统通过数字延时脉冲发生器进行同步控制。

3  结论与展望

实时、准确开展喷雾两相流场以及喷雾燃烧流场测量已经成为发动机燃烧室的主要研究手段。由于工作条件极端，非接触式的光学测量技术成为当前实验研究的主流，其能够提供更加翔实、更多物理量的测量数据，便于开展流场结构、火焰结构时空演化的辨识，探讨复杂过程的相互作用规律，从而指导燃烧室的设计。

总体上，纹影测量方法能够较为直观、快捷地给出喷雾流场的形态及其时空演化特性，目前在喷雾场的观测方面是主要技术手段。基于激光多普勒效应的PDPA能够同时测量流场某空间点的液雾粒径分布以及速度大小，PIV技术能够给出流场测量结果，但对于喷雾两相同时测量的PIV技术还亟待发展完善。此外，能够捕获流场三维特性的体测量PIV以及能够追踪流场特征液雾粒子运动过程的PIV技术都亟待发展。TDLAS用于组分浓度测量，精度较高，但对测试环境要求较多，还需要进一步完善。PLIF用于喷雾两相流场的测量也需进一步探讨并且需要获得更多的应用。

由于光学测量技术的时空分辨率高、非接触等优点，已逐渐取代传统的接触式（传感器）测量方法。但是由于燃烧流场参数复杂，包括火焰温度、释热率以及多种组分，因此对光学测量手段依然提出更高挑战。特别是，在已经能够比较准确地获得火焰温度、某一组分分布等测量基础上，同时获得燃烧流场的温度、速度以及某些重要或者特征组分的时空分布，已成为燃烧流场测量技术研究的主要攻关方向。所以，火焰三维形态及其物理参数的测量，对于激光同步光源、拍摄技术，以及图像解析等都提出了新的问题，测量方法改进的同时还需要大量数据处理技术。

不管对于何种对象采用何种光学测量方法，都需要研究对象的光学可透射，而这对真实发动机燃烧室都难以实现。因此，许多研究都在模型燃烧室中开展，模型燃烧室具有模态特征，代表了某种物理化学过程的相似性。针对采用透明燃烧室模型，并结合多种检测技术，如光电倍增管、高速相机等，能够获取模型燃烧更加充分、翔实的流场信息，为真实燃烧室的流动燃烧规律研究提供依据。