蔡小舒，周 骛，杨荟楠，杨 斌，陈 军，苏明旭，李俊峰

( 上海理工大学 颗粒与两相流测量研究所，上海 200093)

0 引 言

基于光谱和图像等原理的燃烧与流场在线测量诊断技术，与传统的接触式测量技术相比，具有非接触、无干扰、空间分辨率高( 可达微米量级) 、时间分辨率高( 可达微秒级) 、动态响应快等特点，可对燃烧及流场进行二维及三维高精度的测量，可视性强，形象直观。因此，近年来这些技术在航空航天、汽车制造、能源等领域得到了广泛的应用［1-4］。

从1990 年代起，上海理工大学颗粒与两相流测量研究所开展了在线测量燃烧、流场和两相流的新方法、新技术及应用的研究，先后进行了基于光纤光谱仪的测量火焰温度和辐射率、基于辐射和吸收光谱法测量脉冲火焰温度和水蒸气浓度、激光激发荧光测量喷雾液滴温度、差分吸收光谱法( DOAS) 和多波长消光法融合监测烟气SO2、NOx和烟尘排放浓度、基于光谱法的汞监测标准系统、光谱与图像法结合测量高温物体温度场、图像法测量流场、TDLAS 测量水膜蒸发过程、光脉动法在线测量气固两相流、多波长消光法在线测量汽液湿蒸汽两相流、激光散射和图像法在线测量喷雾液滴粒度分布、激光散射纳米颗粒测量、超声散射理论及液固、气固两相流在线测量等方法的研究。以下分别介绍我们在燃烧和流场测量方面的研究进展。

1 光谱法测量火焰温度、辐射率及液体燃料组分

根据普朗克定律，物体的单色辐射力随波长λ变化为：

黑体的光谱辐射力为：

式中，C1和C2分别为第一和第二辐射常量，T为温度。通过比较黑体与相同温度下火焰的辐射力，辐射率ε 为：

根据普朗克定律，测出火焰辐射光谱，就可以反演得到火焰温度和辐射率。图1 为采用光纤光谱仪快速测量火焰辐射光谱的测量系统装置图［5］。光纤光谱仪采用硅作为光敏探测阵列器件，但硅对不同波长光谱的响应是不同的［6］，因此首先需用黑体炉对光纤光谱仪的光谱响应和强度响应进行标定［5］，并提出响应修正算法。表1 是经标定温度为1150℃并修正后用光纤光谱仪测量黑体炉、工业锅炉火焰和蜡烛火焰温度测量结果。从表中可见，采用修正算法后火焰温度测量误差减小了一个数量级，大大提高了火焰温度测量的准确性。

表1 修正前后测温结果的比较Table 1 Comparison of the measurement results before and after improvement

图2 是应用该方法测得的工业锅炉和350MW 煤粉锅炉燃烧器不同工况火焰的温度辐射光谱，表2 是350MW 煤粉燃烧器的测量结果。其中工况四是未燃着的高温煤粉烟气，虽然温度很高，但辐射率远低于其它正常燃烧时的火焰，工况五是锅炉中心火焰，其温度略低于燃烧器火焰，但辐射率远大于燃烧器火焰。这2 个工况有个共同特点是温度比较稳定，脉动较小。因此，可以根据火焰的辐射率和脉动频率来对燃烧状况进行诊断。

图2 煤燃烧火焰辐射光谱Fig.2 Coal flame spectrum

图1 火焰光谱分析测量装置系统简图Fig.1 Schematic of the flame spectrum detection device

表2 燃烧器不同工况下视场火焰平均温度及辐射率测量结果Table 2 Measurement results of coal flame

在大多数情况中，火焰的辐射率是温度和波长的函数，已有不少研究提出多种火焰辐射率函数模型，其中多项式模型应用最广，确定该模型的各个系数比较复杂。在光纤光谱仪测量火焰辐射谱中，我们提出了一种新的迭代算法，首先用多对波长法确定火焰温度，根据式( 1) 计算该温度的火焰辐射谱，与测得的火焰辐射谱进行比较，根据测得的辐射谱与计算得到的辐射谱间的差，修正辐射率，重复前述计算过程，直到2 者差小于预先设定的阈值。此时得到的辐射率函数就是火焰的真实辐射率函数。图3 是几种燃料燃烧的火焰辐射率函数曲线，式(4) 至式(7) 为相应的辐射率函数表达式。

煤块燃烧火焰：

蜡烛燃烧火焰：

丁烷燃烧火焰：

生物质( 树枝) 燃烧火焰：

图3 不同燃料火焰辐射率函数Fig.3 The emissivities of different flames

每种燃料火焰有其辐射率函数，混合燃料的火焰辐射率函数应该是混合燃料各自辐射率函数的叠加，这意味着可以根据测得的辐射率函数来反演燃料的混合比。基于这种假设，我们进行了初步研究，表明利用辐射率反演燃料的组分比是可行的。表3 是根据测得的火焰辐射率函数反演燃料组分混合比的结果。

表3 混合燃料组分检测结果与分析Table 3 Results and analysis of constituent of blended fuels

2 基于辐射谱和吸收谱法测量火焰温度和水蒸气浓度

爆震燃烧采用煤油为燃料，产生的脉冲火焰具有持续时间短( 仅数毫秒) ，温度高( 2000K) ，流动速度快(2000m/s 左右) 等特点［7］。评价爆震燃烧好坏的参数包括爆震燃烧持续时间、燃烧温度、水蒸气浓度等。为测量爆震火焰，研制了基于水蒸气在1.38μm波长辐射和吸收谱的双光路光谱测量系统，见图4［8］。该测量系统的主要特点是测量火焰辐射信号和辐射参考光源信号分别采用了两路光学测量系统，但这两路光学系统聚焦在火焰的同一部位。1 号接收单元测量火焰辐射加参考光源辐射吸收的信号，2号接收单元仅记录火焰水蒸气辐射信号。

图4 双光路测量系统原理图Fig.4 Schematic drawing of measurement system

图5 爆震燃烧辐射和吸收光谱信号Fig.5 Absorption and radiation signals of pulse detonation combustion

图6 爆震燃烧火焰温度和水蒸气浓度测量结果Fig.6 The temperature and water vapor concentration measured in different combustion status

图5 是爆震燃烧时测得的3 种不同燃烧状态的2 路信号( V∑吸收光谱信号，VF辐射光谱信号) ，其中图5( a) 显示爆震燃烧良好，图5( b) 显示爆震燃烧不良，图5( c) 表示未实现爆震燃烧。图6 是对应3 种不同燃烧状态时的火焰温度和水蒸气浓度测量结果。在爆震燃烧良好时火焰温度迅速上升至约2000K，随后下降，脉冲总持续时间约为 5ms，说明燃烧过程是在一个很短时间内迅速完成，水蒸气浓度在火焰燃烧最剧烈时不高且比较平稳，约为60g/m3，在燃烧后期迅速增加达到200g/m3以上。在爆震燃烧不良时，火焰温度较低，水蒸气浓度也较低，且火焰温度和水蒸气浓度在过程中变化缓慢，没有爆震良好时剧烈，因此认为当爆震不良时，燃烧不充分，大量未燃烧燃料液滴通过测量区域时极强散射了参考光，而导致原始信号脉冲过后的凹陷。而在未实现爆震燃烧时，燃烧过程从数ms 延长到约300ms，火焰温度和水蒸气浓度也没有出现如爆震燃烧那样的剧烈变化，虽然燃烧最高温度仍达到1500K 左右［9］。

3 激光激发荧光测量喷雾液滴温度

喷雾入射到较低温度环境中液滴温度会迅速降低，为研究液滴温度的变化过程，我们采用激光激发荧光的方法开展了液滴温度在线测量研究［10］，测量系统原理示意图见图7。在喷雾中加入罗丹明B 荧光剂，罗丹明B 在532nm 激光的激发下会产生荧光，且荧光光谱在波长范围约590 ～610nm 内随温度发生变化，如图8 所示。在这一波段，温度升高，荧光光谱的强度增加。根据这个特性，用光纤光谱仪测出喷雾的荧光光谱，进行数据处理，可以得到喷雾液滴的平均温度。图9 是相对荧光强度与温度的关系。

图7 激光激发荧光测温系统原理图Fig.7 Laser induced fluorescence measurement system

图8 罗丹明B 不同温度正则化荧光光谱Fig.8 Fluorescence spectrum of Rhodamine B

图9 光谱强度与温度关系Fig.9 The relationship between intensity of fluorescence and temperature

4 DOAS 法监测燃烧污染排放物SO2和NOx 浓度

差分吸收光谱法( DOAS) 是利用气体在紫外可见光波段对光具有选择吸收的特性来测量气体浓度的一种方法，并以Lambert-Beer 吸收定律为基础，目前已在环境监测中得到较广泛应用。但该方法用于锅炉排放烟气监测中易受到烟尘、水汽等污染物的干扰，难以得到准确的测量结果，尤其在烟尘和水汽等其它污染物干扰严重的情况下，SO2和NOx的特征吸收光谱的精细结构发生很大畸变，直接应用DOAS 法处理数据或仅做滤波处理都不能得到准确的结果，测量结果偏差极大。通过分析小波变换母函数和各层小波系数与污染物吸收光谱间的关系，我们提出了小波变换处理的新方法［11］，得到了在强干扰条件下均能得到有效准确结果的DOAS 数据处理方法。

图9 是实验系统示意图。氘灯发出紫外光经透镜准直，进入样品池和测量区，被在测量区另一端的透镜汇聚后由接收光纤送到光纤光谱仪，光谱仪信号则由计算机进行分析处理。控制来自标气瓶的SO2和NOx气体压力可以控制样品池内的SO2和NOX的质量浓度。烟尘发生器和水汽发生器分别模拟烟气中的烟尘和水汽的环境，在光路中增加光学衰减片来模拟长期在线测量应用时的光源发光强度的衰减。表4 和5 是SO2、NO 在存在高浓度烟尘、水汽和光源衰减综合强烈干扰作用下的测量结果。实验中SO2标准气的浓度是93mg/m3，NOx标准气的浓度是60.44mg/m3。

图10 DOAS 实验装置示意图Fig.10 Schematic drawing of DOAS experimental setup

表4 SO2 质量浓度为93mg/m3 时的测量结果［12］Table 4 Measurement results and deviations of SO2 at 93mg/m3

表5 NO 质量浓度为60.44mg/m3 时的测量结果［13］Table 5 Measurement results and deviations of NO at 60.44mg/m3

5 光谱法汞监测标准系统的研制

汞是最重要的重金属排放污染物，基于光谱吸收的排放烟气中汞浓度在线监测系统都带有复杂的标准汞气发生标定系统，该系统本身成为一个污染源。为解决该问题，我们提出了基于热力学基本定理的汞气标准浓度发生器和在线测量方法。

由道尔顿分压定律和相平衡理论可知，在气液共存的密闭容器中，气体处于饱和状态，饱和蒸气压是温度的单调函数。改变密闭容器的温度，则容器内饱和气压也随之改变，相应的饱和气浓度也发生变化。因此，对于存在液态汞的密闭容器，只要测得容器中的温度，即可确定容器内的汞浓度，可用于光谱法汞连续排放在线监测系统的标定或校准［14］。

实验装置如图11 所示，由Hg 灯、直流稳压电源、标准汞气样品池、温控系统、光纤光谱仪等组成。实验过程中保持光路稳定，汞灯发出紫外光经光纤传输至透镜，调整成平行光穿过石英窗片进入密闭的标准汞气样品池，经汞气吸收后，透射光被透镜汇聚至光纤传输至光谱仪被计算机采集。温控系统可调整标准汞气样品池的温度，从而可以改变汞气浓度。

图11 Hg 气标定系统示意图Fig.11 The schematic drawing of Hg calibration system

根据汞的饱和温度对应的饱和压力及相应的汞气浓度，测量各温度下的透射光强信号，可线性拟合得到汞的吸收度和浓度的关系，结果如图12。图中横坐标是汞气浓度，单位是μg/m3；纵坐标是吸收度。得到标定曲线为y =2.50904 ×10-5x +0.0845，相关系数R2=0.98853，表明该曲线具有很好的线性度，可以做标定浓度使用。相对于传统汞气标定方法，该装置结构简单，操作方便，汞被密封在气室中，没有废气排入大气，故对环境无污染，是一种极富应用前景的汞气标定方法。

图12 汞气浓度标定曲线Fig.12 The calibration curve of Hg

6 光谱与图像法结合测量高温物体温度场［15］

大多数温度场测量仪器都很昂贵，且适用于实验室环境，不适用于现场测量。基于光谱发射率测量技术和辐射测温原理，我们提出了一种由微型光纤光谱仪与黑白CCD 相机相结合的低成本在线温度场测量系统。该测量方法既弥补了光谱法不能获得温度场分布的缺陷，又避免了彩色相机比色法测温中波长发射率变化带来的误差，是一种有效的温度场测量方法。图13 是该方法的试验系统，由高温源卤素灯、光纤光谱仪、CCD 相机、可调稳压电源和计算机组成。改变稳压电源输出，可以改变卤素灯的灯丝温度。

在该测量方法中首先用光纤光谱仪测量出高温物体的辐射率，并用黑白CCD 相机测得该高温物体的辐射图像，然后根据普朗克定律可获得相应的温度分布。图14 中可以清晰地看到卤素灯灯丝随电压升高时温度场的变化情况。灯丝两端散热作用造成温度较低，而灯丝中部温度较高，且灯丝内表面温度高于同部位灯丝外表面温度，见表6。CCD 相机和光纤光谱仪的采样频率可以达到每秒数百帧至上千帧以上，故该方法可用于高温物体或火焰温度场的动态过程测量。

图13 黑白CCD 相机与光谱仪结合的温度场测量系统Fig. 13 The temperature measurement system with CCD camera and spectrometer

图14 不同电压时的卤素灯丝温度场Fig.14 Temperature fields of halogen lamp at different voltages

表6 不同供电电压下卤素灯灯丝的最高温度Table 6 The highest temperature of lamp at different electric voltages

7 单帧单曝光图像法测量流场［16-17］

PIV 已成为研究流场和传热的最重要测量仪器，但PIV 系统比较复杂，价格昂贵，使用操作麻烦，基本上用于实验室研究，难以用于现场研究。而不少研究对象必须进行现场在线测量，难以在实验室条件下进行测量研究。为解决该问题，我们提出了单帧单曝光图像测量二维流场的方法。

与PIV 需要极短时间大能量脉冲激光“冻结”示踪粒子的运动，采用2 次曝光，通过复杂的互相关法计算得到流场参数不同，该方法的测量原理非常简单。图15 是管内流动流场测量系统示意图［16］。在该系统中采用远心镜头和普通工业用数字相机获取图像，激光片光源用于照明被测位置的流场。在合理选择远心镜头放大倍率的情况下，该方法还可以同时测量流场中颗粒的尺寸。

图15 测量装置示意图Fig.15 The schematic drawing of measurement devices

与通常的图像法测量不同，在该方法中并不采用非常短的曝光时间来“冻结”运动颗粒获得清晰的图像或光点，对于不同被测流场，选择相对较长的、合适的相机曝光时间，得到流场中示踪粒子的流动轨迹图像，如图16( a) 所示。对该图进行图像处理，就可以得到流场的各种参数，如图16( b) 、( c) 和( d)［16］。由于在该测量方法中相机曝光时间较长，对光源强度和相机性能的要求大为减低，可以采用大功率LED作为光源。流场流动方向由图像中示踪颗粒的运动轨迹直接得到，而速度则由相机镜头的放大倍率和图像中轨迹长度以及曝光时间可以得到，避免了PIV 中复杂的互相关算法。在该方法中只要简单地改变数字相机的曝光时间就可以改变速度测量范围以适合不同流速的测量，从数km/s 到小于1m/s，极大方便了现场在线测量，尤其是作为一种新的测量手段应用于需要现场在线流场测量的各个领域。

图16 是某次试验中测得的液固两相流的原始流场图像、获得的速度矢量场、速度及粒径分布。被测颗粒的速度不同，分布在0.5 ～1.8m/s 之间，主要集中在1.2 ～1.4m/s 范围，颗粒平均粒径为50.47μm，相对误差12.2%。这说明采用单帧单曝光图像法测量液固两相流场是可行的。

图16 某一瞬时的原始流场、速度矢量，速度与粒径分布图Fig.16 The original flow filed，velocity vector，velocity and particle size distribution at a moment

对于三维流场，同样可能用单帧单曝光图像法测量。图17 给出了三维液固两相流流动图像。从该图中可以看出，当被测颗粒处于相机的焦平面时，运动速度慢的颗粒被“冻结”，形成清晰的影像，运动速度较快的颗粒影像是两边缘清晰的运动轨迹，而当颗粒不处在焦平面上时，运动速度慢的颗粒是模糊的“冻结”影像，运动速度快的颗粒影像是两边缘模糊的运动轨迹。这些模糊影像的模糊程度与它们离开焦平面的距离有关，可以用数学模型来描述。图18 给出了离焦影像最大梯度值与粒径距离的关系。由此，研究确定模糊程度与距离焦平面位置的关系，就可以从单帧图像中得到三维流场参数。这将给流场现场测量带来极大便利，发展成一种全新的三维流场测量方法。

图17 三维液固两相流流动影像Fig.17 Image of 3D liquid-solid two-phase flow

图18 离焦影像过渡区域最大梯度值与离焦距离关系Fig.18 The relationship between the defocus distance and the maximum gradient value

8 TDLAS 在线测量水膜蒸发过程［18］

TDLAS 作为一种成熟的气体温度和浓度测量技术，具有运行成本低、响应快、精度高、灵敏度高、不需添加试剂等突出优点。我们提出了基于TDLAS 对液态纯水水膜进行测量的新方法，即实现对水膜蒸发过程中液态参数( 水膜厚度及温度) 与气态参数( 水膜上方水蒸气的温度) 的同步测量，实验装置如图19所示［18］。通过对液态水吸收光谱随温度变化的分析，选取两个吸收系数对应于温度变化最敏感的波数位置( 6714.57 cm-1和7082.89 cm-1) 的半导体激光器，同时结合成熟的TDLAS 气体温度测量方法，再选取两个半导体激光器( 7185. 59 cm-1和7390. 13 cm-1) ，达到了同步测量水膜蒸发过程中多个参数的目的。

图19 石英玻璃上液膜测量装置图Fig. 19 Experimental setup of liquid film measurement on a transparent quartz plate

图20 表示的是通过结合4 个半导体激光器测得纯水水膜蒸发过程中随时间变化的水膜厚度、温度以及水膜上方的水蒸气温度。如图所示，在水膜蒸发刚开始的5 分钟内，水膜温度逐渐上升，当升高到约332K 时保持稳定，该方法测得的水膜温度与热电偶测量结果相比误差小于3K； 水膜在蒸发的最初阶段厚度从1400μm 逐渐降低到1210μm 左右，当水膜温度恒定时，水膜厚度呈线性递减，这与经验公式计算得到的水膜厚度变化趋势相同； 对于10 次重复的实验，水膜的厚度和温度的测量误差分别小于1.5%和0.5K。该实验表明，TDLAS 可实现对水膜多个参数高精度、高灵敏度的在线同步测量，将为深入研究液膜形成、蒸发及流动动态过程提供有效的测量手段。

图20 纯水水膜在蒸发过程中随时间变化的水膜厚度温度以及水膜上方水蒸气温度Fig. 20 Time-resolved measurement of film thickness，liquid-phase temperature and vaporphase temperature during film evaporation

9 结 论

光谱在线监测分析和图像在线测量分析方法因其非接触、快速、高时空分辨率、测量设备简单等特点，在燃烧和流场在线测量诊断研究中具有明显的优势，尤其是光纤光谱仪的出现给光谱分析在燃烧机理研究、发动机现场在线监测、污染物排放实时在线监测等许多领域开辟了新的应用。数字图像测量和数据处理算法的迅速发展同样给燃烧和流场在线监测和诊断带来了全新的测量手段，促进了这些领域的研究进展。本文介绍了基于光纤光谱仪和数字图像以及TDLAS 发展的多种测量方法，包括在线测量火焰辐射和吸收光谱，温度，辐射率并反演出液体燃料组分，火焰成分，排放烟气中SO2、NOx、Hg 浓度，光谱与图像法结合测量温度场，单帧单曝光图像测量二维流场等参数，TDLAS 在线同步测量水膜蒸发过程中的水膜温度、厚度及水膜上方水蒸气的温度等。这些方法及应用表明光谱和图像在线测量方法及技术对于推动与燃烧和流动相关领域研究具有重要的科学发展意义和广阔的工程应用前景。

致谢：本文工作得到多个国家自然科学基金(51206112，51076106，51306123，51327803) 和 上 海 市 自 然 科 学 基 金(12ZR1446900) ，教育部高等学校博士学科点专项科研基金( 20113120130001 ) ，上海市科委纳米计划项目(11nm0507100) 等的支持，研究所的许多教师和研究生为本文工作做出了贡献，在此谨表感谢。

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