火焰自由基荧光强度测试系统的开发与研制

摘要

火焰自由基作为燃烧过程的中间产物，其辐射出的荧光强度与火焰温度、基团浓度、热释放率等参数有着密切的联系。针对火焰自由基展开深入的研究，有助于了解燃料燃烧特性，增进对燃烧的认识。火焰自由基荧光强度的捕捉需要良好的测量设备作为工具。现有的用于测量火焰自由基荧光强度的LIF和PLIF系统主要存在着价格昂贵、维护不便、在时域上获取连续信号的能力相对较差等缺点。因此，从降低实验成本、改善现有系统局限性的角度出发，拓展火焰自由基荧光强度的测试方法具有重要的现实意义。
　　本文将卡塞格林光学原理应用于火焰自由基荧光强度的测量，重点提出了一种火焰自由基荧光强度的定点测量系统，用于实现自由基光强的定点测量与时域上连续信号的获取。同时，基于ICCD相机提出了一种火焰自由基荧光强度2D图像捕捉系统，用于捕捉自由基团在火焰中的二维分布图像。主要工作和成果如下：
　　（1）通过设计计算与Zemax软件的模拟优化，研制出了卡塞格林光线定点采集装置，该装置可作为测量系统采集光线的前置装置，实现对光线的定点采集。通过实验验证，该装置可采集短轴直径为0.382mm，长轴直径为1.628mm“椭球形”区域内的光线，具有较高的空间分辨率。
　　（2）完成了火焰自由基荧光强度定点测量系统的整体设计方案以及系统的加工制作、相关设备的选配。通过对测量系统的安装调试，详细给出了测量系统各部分的组成装配情况、工作原理等。
　　（3）完成了火焰自由基荧光强度2D图像捕捉系统的设计搭建。给出了系统整体的设计方案、ICCD相机的工作原理和详细的拍摄控制过程。针对Solis软件，介绍了基于该软件的图像初级处理方法。
　　（4）为验证新研制的火焰自由基荧光强度测试系统在火焰测量中应用的可行性。设计了相关实验，具体针对火焰2cm高度处全光谱、OH基、CH基的径向荧光强度数据，将由定点测量系统和2D图像捕捉系统分别获取的数据进行比对，结果发现两套系统获得的实验数据规律基本一致。
　　本文重点提出的火焰自由基荧光强度的定点测量系统，属于非接触式测量，其相比于“探针式”的定点测量设备，具有不扰动火焰本身流场的优势，且其采用高响应频率的光电倍增管作为感光设备，可获得光强数据在时域上的连续信号。同时结合2D图像捕捉系统，可获得较为完整的火焰自由基荧光强度数据。

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符号说明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 火焰自由基荧光强度的测试方法研究进展

1.3 卡塞格林光学系统在火焰研究中的应用现状

1.4 火焰自由基荧光强度研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 火焰自由基荧光强度定点测量系统的设计与制作

2.1 测量系统概述

2.2 卡塞格林光线定点采集装置的开发研制

2.3 光线传输部分

2.4 数据采集部分

2.5 本章小结

第3章 火焰自由基荧光强度定点测量系统的安装与调试

3.1 测量系统的安装与衔接

3.2 卡塞格林光线定点采集装置定点功能的性能测试

3.3 卡塞格林光线定点采集装置工作距离的测量

3.4 测量系统的调试

3.5 本章小结

第4章 火焰自由基荧光强度2D图像捕捉系统的设计搭建

4.1 测试系统概述

4.2 燃烧台

4.3 ICCD成像系统

4.4 本章小结

第5章 火焰自由基荧光强度测试系统在火焰测量中的应用

5.1 利用定点测量系统获取火焰自由基荧光强度的定点数据

5.2 利用2D图像捕捉系统获取火焰基团的整体分布

5.3 实验数据的对比验证

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果