【摘 要】
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燃空当量比作为燃烧过程中非常重要的一个物理参数,对发动机燃烧进程具有重要影响。近年来随着燃烧激光诊断技术的发展,基于飞秒激光的燃烧诊断技术引起人们的广泛重视,飞秒激光脉冲宽度只有几十飞秒,具有极高的峰值功率,这使得飞秒激光在气体中传播时会发生自聚焦效应,形成光丝等离子体。等离子体向外发射荧光信号,根据光谱信息便可反演出气体组分信息。本文主要研究在冷态预混甲烷/空气流场中,飞秒激光与流场相互作用形成
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燃空当量比作为燃烧过程中非常重要的一个物理参数,对发动机燃烧进程具有重要影响。近年来随着燃烧激光诊断技术的发展,基于飞秒激光的燃烧诊断技术引起人们的广泛重视,飞秒激光脉冲宽度只有几十飞秒,具有极高的峰值功率,这使得飞秒激光在气体中传播时会发生自聚焦效应,形成光丝等离子体。等离子体向外发射荧光信号,根据光谱信息便可反演出气体组分信息。本文主要研究在冷态预混甲烷/空气流场中,飞秒激光与流场相互作用形成的等离子释放出的荧光信号与流场燃空当量比之间的关系,提出了两种燃空当量比定标方法。一是通过分析等离子体发射出七种荧光信号的一维空间分辨光谱,发现不同组分光谱峰值信号强度的空间相对位置与燃空当量比之间有线性关系,并建立了N2（316 nm）-H（656 nm）和C2（516 nm）-H（656 nm）两组空间相对位置与燃空当量比的定标曲线。峰值信号空间位置的变化与不同燃空当量比下可燃混合气的二阶非线性折射率的变化有关,燃空当量比会改变流场的二阶非线性折射率,使得不同组分峰值信号位置也随之发生变化。二是研究了等离子体发射出的光谱信号强度与燃空当量比之间的关系,实验结果表明等离子体荧光信号寿命大约为10 ns,受飞秒激光能量波动的影响,无法准确得出单一组分峰值信号强度与燃空当量比之间的关系。为了减少能量波动的影响,用不同组分峰值信号强度比值来表征可燃混合气的燃空当量比,建立了CH（431 nm）/N2（337 nm）、CH（431 nm）/N2（357 nm）、CH（431 nm）/CN（388 nm）、O（777 nm）/N2（337 nm）、O（777 nm）/N2（357 nm）和O（777 nm）/CN（388 nm）共六组峰值信号强度比值与燃空当量比之间的线性定标关系。为了提高线性拟合度,用不同组分光谱信号峰面积来表征发射出的荧光信号,结果表明线性拟合度得到了极大提高,其中CH（431 nm）/N2（357 nm）的线性拟合度高达0.99。这说明利用等离子体光谱信号强度比值可以推算出流场的燃空当量比。本文从实验上证明了利用飞秒激光进行甲烷/空气混合气燃空当量比测量的可行性,建立了光谱信号空间位置和荧光信号强度与燃空当量比之间的定标关系,提出了新的燃空当量比的测量方法,并且有助于加深人们对飞秒激光在可燃混合气中形成的等离子体物理化学特性的认识。
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