對(duì)燃燒室噴霧場(chǎng)的研究離不開表征液體燃料霧化特性的流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，由于噴霧過程與燃燒過程耦合在一起，噴霧場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)試難以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前對(duì)噴霧場(chǎng)的測(cè)試主要在冷態(tài)條件下進(jìn)行，通過變化環(huán)境壓力和燃油流量，獲得不同條件下的霧化特性。

霧化過程既包括了液體燃料的一次霧化（從連續(xù)流體破碎為液絲或大液滴的過程），又包括了液滴的二次霧化（大液滴液體破碎成大量小液滴的復(fù)雜過程）。液體霧化后，液滴尺寸小且不均勻，數(shù)量大又密集，其隨氣體運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致霧化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究困難。至今，多種測(cè)試方法在液體霧化測(cè)試研究中得到應(yīng)用，如印痕法^[1]、熔蠟法^[2]、動(dòng)態(tài)電阻^[3]等，這些方法繁瑣、準(zhǔn)確率低，在實(shí)踐中受到限制。隨著光學(xué)測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測(cè)量與診斷方法因其使用方便、精確度高的優(yōu)點(diǎn)，在噴霧場(chǎng)測(cè)量中得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。

相比于噴霧場(chǎng)的冷態(tài)測(cè)量，噴霧燃燒流場(chǎng)的測(cè)試更加復(fù)雜。一方面，燃燒流場(chǎng)的測(cè)試對(duì)象（介質(zhì)）溫度高、壓力高，很多接觸式測(cè)量傳感器無法承受；另一方面，燃燒過程瞬變性強(qiáng)，特別是點(diǎn)火、熄火或者火焰?zhèn)鞑ミ^程，其時(shí)間、空間尺度小，通常要求測(cè)試技術(shù)具有高分辨率、高靈敏度等特性，若探測(cè)液霧與火焰相互作用過程，則測(cè)量難度更大。目前，針對(duì)噴霧燃燒的測(cè)試技術(shù)主要包括光譜技術(shù)、激光檢測(cè)技術(shù)、光電探測(cè)器技術(shù)、圖像處理技術(shù)等一系列綜合性實(shí)驗(yàn)技術(shù)，用以獲得噴霧燃燒流場(chǎng)的速度、溫度、組分分布或者時(shí)空變化規(guī)律。近些年，針對(duì)全過程燃燒三維流場(chǎng)的多物理量的聯(lián)合測(cè)試技術(shù)取得顯著進(jìn)展，為噴霧燃燒流場(chǎng)的診斷以及燃燒過程物理化學(xué)規(guī)律的揭示提供了大量翔實(shí)、有效的數(shù)據(jù)。

本文首先綜述了噴霧流場(chǎng)測(cè)試所涉及的基本概念、原理和實(shí)驗(yàn)方法，介紹了目前廣泛使用的基于紋影效應(yīng)以及基于多普勒效應(yīng)的測(cè)量方法，并給出了典型測(cè)量案例；然后，針對(duì)噴霧燃燒流場(chǎng)的測(cè)試，介紹了燃燒釋熱率和組分濃度的測(cè)量方法，重點(diǎn)闡述了激光誘導(dǎo)熒光測(cè)量技術(shù)的原理與方法，并給出典型的實(shí)驗(yàn)測(cè)量案例；最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)及展望。

1  噴霧兩相流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

1.1 噴霧兩相流基本概念

采用液體燃料的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，燃料通過噴嘴或噴注器（或霧化器）霧化形成具有特定流量、粒徑和霧化角等參數(shù)的噴霧流場(chǎng)，液滴與空氣或者氧化劑邊摻混、邊蒸發(fā)，形成燃燒室所需要的可燃混合物。液霧特性對(duì)于燃燒室流場(chǎng)組織以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能至關(guān)重要，如燃?xì)鉁囟取⒖臻g分布均勻性等，都直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)比沖或者推力。

不同于單一流體構(gòu)成的單相流動(dòng)，噴霧流場(chǎng)屬于氣液兩相流，描述該流動(dòng)體系的參數(shù)更豐富。其中空氣、可燃混氣和燃?xì)獾冉橘|(zhì)符合連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，稱為連續(xù)相；而分散的液滴，屬于離散相，不遵循連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。每一相占據(jù)兩相流系統(tǒng)的比例，以及兩相各自所具有的熱力學(xué)參數(shù)（如密度、溫度）和流動(dòng)速度便是兩相流測(cè)量的核心物理量。

一般情況下對(duì)于兩相流動(dòng)，連續(xù)相和離散相的速度、溫度可能相同也可能不同，如果兩相速度不同，則有速度滑移，通常連續(xù)相拖拽離散相運(yùn)動(dòng)；兩相之間的溫度可以不同，取決于溫度高低，可能出現(xiàn)相間的傳熱行為。離散相對(duì)連續(xù)相的變化有響應(yīng)遲滯，即跟上連續(xù)相行為（運(yùn)動(dòng)、溫度變化等）的一種動(dòng)力學(xué)能力。即使離散相本身，每個(gè)“個(gè)體”（液滴）的速度和溫度等也可能不同，此時(shí)要定義一種“代表性”的物理量，由它們?nèi)ケ硎倦x散相“整體”行為，這通常通過對(duì)離散相進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均（如體平均）獲得。

對(duì)于噴霧濃度的表征，通常采用統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)離散相液滴數(shù)量，獲得數(shù)密度。如果測(cè)量手段能夠獲得測(cè)量區(qū)域內(nèi)離散相每個(gè)顆粒或者液霧的尺寸（體積）信息，則可以統(tǒng)計(jì)分析獲得體積濃度。當(dāng)然還有其他的一些統(tǒng)計(jì)物理量，這里不再一一贅述。

除此之外，還要注意到噴嘴等霧化裝置噴出的氣液兩相流動(dòng)，在某個(gè)流動(dòng)階段通常還具有相對(duì)明顯的連續(xù)的（或至少較大范圍局部連續(xù)的）相界面，兩相流體之間的進(jìn)一步相互作用導(dǎo)致相界面破碎，其中的某一相流體變成分散的離散相，例如液滴等。在流場(chǎng)中，氣液兩相流體界面變化，與兩類流體的流動(dòng)參數(shù)（如流量比、速度比等）相關(guān)。

1.2 噴霧兩相流場(chǎng)測(cè)量的基本方法

依據(jù)測(cè)量目的不同，獲取的物理量不同，噴霧兩相流動(dòng)的測(cè)試手段和方法各異。依據(jù)不同測(cè)試原理，噴霧兩相流動(dòng)的測(cè)試方法可以分為機(jī)械法、聲學(xué)法、光學(xué)法、電學(xué)法和放射線測(cè)量法等。

光學(xué)法的測(cè)量方法包括（高速）攝影法（high speed image，HIS）、激光多普勒測(cè)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）、粒子圖像測(cè)速法（particle image velocity，PIV）和平面激光誘導(dǎo)熒光法（planar laser-induced fluorescence，PLIF）等。它們都需要測(cè)試對(duì)象具有光學(xué)可透性，高速攝影結(jié)合紋影法或者陰影法，可以拍攝流動(dòng)過程，對(duì)圖片進(jìn)行分析，獲得兩相流動(dòng)界面的變化，如噴霧形態(tài)；如果能夠標(biāo)識(shí)流動(dòng)特征并追蹤特征的時(shí)空演化，可以獲得兩相流體動(dòng)力學(xué)行為的速度、加速度等物理量的變化。對(duì)于氣液兩相流動(dòng)的高速攝影，可能存在復(fù)雜相界面對(duì)光的散射或者折射從而影響圖像清晰度，對(duì)于圖像數(shù)據(jù)的快速有效處理也是非常重要的方面。

對(duì)于光學(xué)不可穿透的測(cè)試對(duì)象，可以采用聲學(xué)法、電學(xué)法或放射線測(cè)量方法。例如超聲波測(cè)速分析儀，建立了特定聲源發(fā)出的超聲波在氣液兩相流體中傳播后聲波特性（頻率、強(qiáng)度）的變化模型，從而測(cè)定速度、離散相直徑、質(zhì)量流量等參數(shù)。

電學(xué)法主要利用氣液兩相流動(dòng)系統(tǒng)電學(xué)信號(hào)，例如靜電法和電容法。靜電法利用了兩相流動(dòng)中的靜電感應(yīng)（前提為存在該現(xiàn)象），在靜電電極上產(chǎn)生電荷，通過信號(hào)處理獲取動(dòng)態(tài)電壓信號(hào)，分析電壓信號(hào)后，根據(jù)標(biāo)定模型，開展流量或者流速等測(cè)量。電容層析成像（electrical capacitance tomography, ECT）是一種常見的利用了兩相流體介電常數(shù)變化而實(shí)現(xiàn)測(cè)量流動(dòng)規(guī)律的技術(shù)。

放射線方法利用X射線或者γ射線照射兩相流體介質(zhì)，通過建立射線衰減與輻射路徑上單位面積的有效質(zhì)量的定量模型，測(cè)定流動(dòng)特性。由于該方法的測(cè)量?jī)x器昂貴，不便管理和操作，使用中受到了限制，主要用作“標(biāo)準(zhǔn)”，用來標(biāo)定和驗(yàn)證其他類型的測(cè)量傳感器。

本文針對(duì)氣液兩相噴霧流場(chǎng)的光學(xué)測(cè)量方法，主要介紹噴霧形態(tài)觀測(cè)的高速攝像以及噴霧流場(chǎng)參數(shù)測(cè)量的激光多普勒測(cè)速、相位多普勒粒子分析、激光粒度分析、兩相粒子圖像測(cè)量等方法及其基本原理。

1.3 噴霧流場(chǎng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)基本原理

1.3.1 噴霧流場(chǎng)形態(tài)觀測(cè)

噴霧流場(chǎng)的形態(tài)影響著流場(chǎng)的光學(xué)性質(zhì)，而其形態(tài)變化肉眼難以清晰辨識(shí)觀察，因此需要采用其他方法來表現(xiàn)和測(cè)量。紋影效應(yīng)可以用于表征透明介質(zhì)中肉眼不可見的非均勻折射現(xiàn)象。其核心要求是采用特定的光路來描述光學(xué)通過流場(chǎng)的偏折角，并采用（高速）攝影技術(shù)記錄紋影圖像，分析流場(chǎng)形態(tài)的時(shí)空演變結(jié)果。例如，刀片式紋影法（knife-edge schlieren, KES）^[4]是利用投影條紋的明暗變化來表示垂直 刀口方向上的偏折角變化；背景紋影法（background oriented schlieren, BOS）^[5-6]是通過背景圖案的位移來表現(xiàn)光線的偏移；彩虹紋影法（rainbow schlieren）^[7]是使光線通過彩虹濾光片，用不同的顏色表示不同的偏折角。

圖1為利用雙凸透鏡的典型刀片式紋影法測(cè)量原理圖。系統(tǒng)構(gòu)成包括光源S、透鏡1和透鏡2，光刀（刀口）以及相敏增強(qiáng)傳感器（CMOS傳感器）相機(jī)。光源S射出的光線通過透鏡1形成平行光線照亮待測(cè)流場(chǎng)。當(dāng)流場(chǎng)內(nèi)無干擾時(shí)，平行光線不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過透鏡2聚焦在焦點(diǎn)處的光刀上，最后在相機(jī)上成像。如果流場(chǎng)內(nèi)存在干擾，則平行光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過透鏡聚焦于焦點(diǎn)上時(shí)，光刀會(huì)遮擋部分光線，導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)的光線的成像位置不變，僅產(chǎn)生亮度上的變化。紋影圖像反映的是流場(chǎng)折射率（密度）的變化，因此需要對(duì)圖像信息進(jìn)行處理加工，得到流場(chǎng)的密度、折射率等信息。

圖1  刀片式紋影法測(cè)量原理圖

圖2為背景紋影測(cè)量原理的光路圖，包括光源S，透鏡組以及CMOS傳感器相機(jī)。通過光源S照亮背景板上的圖像，并分別采集光線沒有受到影響和經(jīng)過待紋影流場(chǎng)后的圖像，有流場(chǎng)和無流場(chǎng)的圖像會(huì)產(chǎn)生偏移量Δ^'_y 。圖中虛線為未受影響的圖像光路，藍(lán)線為經(jīng)過流場(chǎng)后圖案偏移的光路。采用近光軸假設(shè)，建立偏折角和背景圖案位移的關(guān)系，最后求解出光線偏折角ε_y 。相較于其他紋影法，背景紋影法的優(yōu)點(diǎn)是光路布置簡(jiǎn)單，標(biāo)定方便^[5]。

圖2  背景紋影法測(cè)量原理圖

圖3為彩虹紋影法測(cè)量原理的光路圖，系統(tǒng)包括光源S、透鏡組、彩虹濾光片和相機(jī)。與前兩種方法不同，它利用彩虹濾光片，將偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為投影顏色的變化。光源S發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡形成平行光線，平行光線經(jīng)過流場(chǎng)區(qū)后產(chǎn)生偏折，經(jīng)過透鏡的作用，偏折光線與正常光線穿過彩虹濾光片的位置不同，但在相機(jī)上成像位置不變，從而使得最后流場(chǎng)圖案的顏色發(fā)生改變。

圖3  彩虹紋影法測(cè)量原理圖

1.3.2 噴霧流場(chǎng)參數(shù)特性測(cè)量

噴霧流場(chǎng)測(cè)量的參數(shù)主要包括噴霧粒徑（尺寸）與分布、流場(chǎng)的速度等。

激光多普勒粒子測(cè)速技術(shù)（LDV）是利用流體中粒子散射光的多普勒頻移效應(yīng)來獲取速度信息，其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，精度較高，能夠用于流場(chǎng)無法接觸的測(cè)量場(chǎng)合；缺點(diǎn)是只能單點(diǎn)測(cè)量，需要逐次采樣才能獲取整個(gè)流場(chǎng)的速度信息，且不能用于低速流場(chǎng)測(cè)量。

相位多普勒粒子分析儀（PDPA）是基于LDV發(fā)展而來的。PDPA在LDV的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)光電探測(cè)器。每個(gè)探測(cè)器接收到的多普勒頻差之間存在相位差。這是由探測(cè)流場(chǎng)中存在一定尺寸粒子造成的，相位差與直徑成正比，因此PDPA可以測(cè)量粒子的直徑。采用不同尺寸的顆粒分別代表氣相（跟隨性好的小顆粒，稱為示蹤粒子）和顆粒相（實(shí)際尺寸的顆粒），則PDPA可以測(cè)量獲得兩相流動(dòng)規(guī)律，包括速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)。通過移動(dòng)激光在流場(chǎng)中的測(cè)量位置，PDPA能夠準(zhǔn)確記錄經(jīng)過測(cè)量區(qū)域的粒子參數(shù)，分析獲得粒子的粒徑、速度和濃度等信息。

示蹤粒子是否合適關(guān)系到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)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，而示蹤氣相則需要粒子具有粒徑小、密度低等特點(diǎn)。例如，空心玻璃微珠具有球形度好、對(duì)光散射能力強(qiáng)、流動(dòng)性好等特點(diǎn)，且可以加工到粒徑為0~20 μm的范圍，其可作為示蹤氣相的粒子。

PDPA利用激光多普勒效應(yīng)接收到的多普勒信號(hào)測(cè)出顆粒速度，可以進(jìn)行一維、二維和三維方向的測(cè)速。如圖4所示，激光光源S發(fā)射頻率為f_S的光照射到空間某個(gè)運(yùn)動(dòng)速度為V_O的粒子O，空間某一位置靜止的光檢測(cè)器P從某一個(gè)方向觀察粒子的散射光時(shí)，由于粒子的運(yùn)動(dòng)，接收到的散射光頻率f_P與入射光頻率不同，發(fā)生了頻移效應(yīng)，稱為多普勒頻移：

其中λ為激光波長(zhǎng)，e_S和e_P分別為粒子背向光源S和指向光檢測(cè)器P的單位法向量。這樣，根據(jù)多普勒頻移可以確定速度V_O在（e_P－e_S）方向上的分量。PDPA測(cè)量顆粒直徑的原理如圖5所示。

圖4  PDPA測(cè)速原理

圖5  PDPA測(cè)量粒徑原理

對(duì)于直徑為d_P的光學(xué)顆粒（激光能夠穿透），入射光照射到顆粒會(huì)發(fā)生復(fù)雜的反射和折射現(xiàn)象。空間不同位置探測(cè)器P₁和P₂接收到的散射光頻率相同，但是相位不同，存在相位差Φ₁₂，并且顆粒直徑越大，相位差越大，根據(jù)相位差可以獲得顆粒直徑的信息。

如果PDPA系統(tǒng)有兩個(gè)探測(cè)器，那么當(dāng)顆粒粒徑超過一定范圍，多普勒信號(hào)之間的相位差大于2π時(shí)，測(cè)出的粒徑反而會(huì)減小。為解決這一問題，可以采用3個(gè)探測(cè)器同時(shí)采集信號(hào)，由P₁、P₂探測(cè)器的相位差Φ₁₂和P₁、P₃探測(cè)器之間的相位差Φ₁₃共同決定顆粒尺寸，從而增大測(cè)徑范圍和提高測(cè)量靈敏度。

通常來講，PDPA主要測(cè)速范圍在0~500 m/s，速度測(cè)量精確度能夠達(dá)到1%，顆粒粒徑測(cè)量范圍在0.5~1 000 μm，粒徑測(cè)量精確度可達(dá)4%。

相比于LDV和PDPA的單點(diǎn)測(cè)量，粒子圖像測(cè)速儀（PIV）能夠獲取流場(chǎng)截面的速度分布，但其精度一般較LDV低一個(gè)數(shù)量級(jí)。PIV測(cè)速原理^[8-9]如圖6所示，在流場(chǎng)中投入示蹤粒子，光源S以Δt的時(shí)間間隔發(fā)出兩束脈沖激光，經(jīng)過透鏡1形成平行光束照亮流場(chǎng)中的示蹤粒子，通過相機(jī)分別獲取兩次圖像。由于需要通過表征示蹤粒子的速度來代替流場(chǎng)的速度，因此撒布在流場(chǎng)中的示蹤粒子的特性直接決定著PIV技術(shù)量測(cè)的精度。故在PIV測(cè)速技術(shù)中，要求示蹤粒子的流動(dòng)伴隨性好、分布均勻，同時(shí)具有足夠高的散射率。得到流場(chǎng)的圖像后，需要通過互相關(guān)算法來計(jì)算出粒子運(yùn)動(dòng)速度。通過相機(jī)獲取的兩張圖像是同一區(qū)域不同時(shí)刻的結(jié)果，可以通過兩個(gè)圖像之間的相關(guān)性來找到同一個(gè)點(diǎn)，從而得到粒子速度矢量。

圖6  PIV測(cè)速原理示意圖

PIV還能用來在兩相流中測(cè)量不同相（如固液、氣液等）的速度，這就需要投入兩種粒子，這兩種粒子除了要滿足流動(dòng)跟隨性好，還需要有一定的差異，才能在之后將兩者分離出來。分離后再根據(jù)互相關(guān)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異的粒徑分辨法^[10]，基于粒子反射光的亮度分辨法^[11]、熒光標(biāo)記法^[12]、中值濾波法^[13]和基于尺寸、亮度差異的雙參數(shù)相分離法^[14]等。

激光粒度分析儀（LPSA）用于測(cè)量霧化流場(chǎng)的粒徑分布，通過向噴霧場(chǎng)發(fā)射激光，由激光透射液霧后發(fā)生的散射強(qiáng)度和角度計(jì)算液滴直徑。圖7給出了粒度分析儀的測(cè)量原理的光路圖^[15]，包括光源S，透鏡組以及光學(xué)探測(cè)器等。激光器發(fā)射的激光束經(jīng)光學(xué)透鏡系統(tǒng)準(zhǔn)直后，形成具有一定直徑的平行光束，平行光束通過檢測(cè)區(qū)遇到被測(cè)液滴后，發(fā)生散射，偏折后具有一定散射角的散射光通過透鏡被聚焦至多組環(huán)狀光學(xué)探測(cè)器的相同半徑上，將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。根據(jù)光學(xué)原理，光線遇到液滴發(fā)生散射時(shí)，液滴越小則散射角度越大，因此不同粒徑大小的液滴對(duì)應(yīng)于不同的光能分布，通過探測(cè)器測(cè)得的光能分布則可以反向推算出液滴的粒徑分布。

圖7  激光粒度分析儀原理

1.4 噴霧流場(chǎng)光學(xué)測(cè)量典型案例

發(fā)動(dòng)機(jī)中所涉及的霧化通常由噴嘴或者噴注單元實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)或者工作方式多樣，如直噴噴嘴、旋流噴嘴、對(duì)撞噴注器、針?biāo)▏娮⑵骰蛘邔影鍑娮⑵鞯龋@里統(tǒng)稱為霧化器。針對(duì)不同霧化器，綜合采用流量計(jì)、（高速）紋影儀、PDPA等測(cè)量?jī)x器設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)霧化器的流量特性、噴霧形態(tài)、霧化粒徑等關(guān)鍵的噴霧特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究。

1.4.1 PDPA測(cè)量液滴直徑和速度

圖8為PDPA測(cè)量系統(tǒng)示意圖，激光發(fā)射探頭發(fā)出一定頻率的激光照射在噴霧場(chǎng)單元內(nèi)的指定粒子上，接收探頭采集到粒子散射光并進(jìn)行分析。例如，郭恒杰等^[16]搭建了一套三維PDPA測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并利用該系統(tǒng)測(cè)量噴油器的噴油速度和平均粒徑。激光束以不同的角度對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行照射，將霧化場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)劃分，通過測(cè)量架精確位移來選擇測(cè)量點(diǎn)。這樣，利用三組激光可以同時(shí)測(cè)量得到粒子的三維速度分量和粒徑。圖9表示了噴油后橫截面上的速度和粒徑，圖中以各橫截面上的點(diǎn)為起點(diǎn)畫出速度矢量，每根速度矢量的方向和長(zhǎng)度表示該點(diǎn)的速度方向和速度大小，兩側(cè)的圓球直徑表示粒徑的大小。

圖8  PDPA測(cè)量系統(tǒng)

圖9  不同截面上液滴的直徑和速度^[17]

PDPA還可以用來測(cè)量流場(chǎng)的局部質(zhì)量流量。例如Aisa等^[18]基于三維PDPA測(cè)量方法測(cè)量了流場(chǎng)的局部質(zhì)量流量。對(duì)于單向粒子，通過測(cè)量穿過指定區(qū)域的顆粒數(shù)量和速度來計(jì)算其濃度和通量；當(dāng)粒子存在其他方向速度時(shí)，需要對(duì)粒子偏置進(jìn)行積分校準(zhǔn)。Rahman等^[19]還針對(duì)PDPA難以測(cè)量高密度流場(chǎng)質(zhì)量流量問題提出了耦合PDPA+IS的方法，通過在流場(chǎng)內(nèi)布置脈沖傳感器（IS）獲取區(qū)域內(nèi)的動(dòng)量信息，從而得到高密度流場(chǎng)內(nèi)的質(zhì)量通量，讀者可以參考其研究論文。

1.4.2 PIV測(cè)量速度場(chǎng)

PIV通過連續(xù)采集粒子散射光來記錄跟隨流體運(yùn)動(dòng)的示蹤顆粒軌跡和速度，它能夠估計(jì)一組粒子的整體位移和平均速度場(chǎng)，其精度主要受限于圖像分辨率、示蹤粒子的伴隨性和照明亮度^[20]。圖10是一種采用PIV測(cè)量技術(shù)的噴霧流場(chǎng)速度測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)局部的示意圖^[17]。在流場(chǎng)內(nèi)均勻散播示蹤粒子，雙脈沖激光以一定的頻率照射流場(chǎng)，通過透鏡組，將波長(zhǎng)為552 nm的激光束轉(zhuǎn)變?yōu)槠庹丈淞鲌?chǎng)。ICCD相機(jī)組以一定的速率拍攝獲取不同時(shí)刻下的流場(chǎng)信息。Westerweel等^[21]針對(duì)雙脈沖PIV不能測(cè)量加速流場(chǎng)的局限性，提出了基于三脈沖的PIV測(cè)速系統(tǒng)，通過增加一個(gè)額外的激光脈沖，以更高的時(shí)間精度來測(cè)量速度和加速度。

圖10  PIV測(cè)速系統(tǒng)

1.5 噴霧兩相流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)小結(jié)

總之，噴霧流場(chǎng)霧化測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的光學(xué)方法診斷以其精度高、干擾小，逐漸取代了接觸式、侵入式測(cè)量系統(tǒng)，在噴霧測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

噴霧測(cè)量參數(shù)包括噴霧形態(tài)、液滴尺寸和分布、流場(chǎng)速度、液滴濃度等。表1給出了不同的測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。基于多普勒頻移原理的LDV和PDPA技術(shù)，能夠逐點(diǎn)精確測(cè)量穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)中單點(diǎn)速度和粒徑，其精度高，但效率較低，在液滴濃度高、速度較低時(shí)，會(huì)給測(cè)量帶來一定的問題。紋影法通過表征流場(chǎng)折射率變化來體現(xiàn)液滴的濃度、溫度和粒徑信息，其應(yīng)用范圍廣，且流場(chǎng)反應(yīng)時(shí)間快，但無法體現(xiàn)空間信息。LPSA基于粒子的散射原理，可以獲取流場(chǎng)中噴霧液滴的粒徑和濃度分布情況，光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，但其為流場(chǎng)的平均結(jié)果，且不能應(yīng)用于高濃度流場(chǎng)。PIV通過測(cè)量示蹤粒子的速度表征流場(chǎng)的速度，其效率較高，還能同時(shí)測(cè)量?jī)上嗔鲌?chǎng)。調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）通過對(duì)特定波長(zhǎng)光吸收情況表征介質(zhì)濃度和流場(chǎng)溫度，速度快、精度高。平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）通過激光激發(fā)待測(cè)粒子發(fā)出熒光，從而得到待測(cè)粒度的濃度和分布等信息。PIV、PLIF等平面激光方法，因其測(cè)量速度快、分辨率高、范圍大等優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景，而隨著高速相機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)等發(fā)展，其精度還有很大的提升空間。

2  噴霧燃燒流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

2.1 透明燃燒室模型

由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作時(shí)溫度和壓力都極高，在燃燒測(cè)量過程中，很難針對(duì)實(shí)際燃燒室開展。為此，通常構(gòu)建一種近真實(shí)物理的“透明”燃燒室用于開展實(shí)驗(yàn)研究，這里的“透明”主要是針對(duì)光學(xué)測(cè)量而言。

透明燃燒室要求具備真實(shí)燃燒室的幾何特征，如旋流、突擴(kuò)等，并能盡可能表征真實(shí)過程，即具備幾何相似性、流動(dòng)相似性、燃燒相似性等。雖然模型燃燒室難以比對(duì)功率相似性，但通過燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的無量綱參數(shù)，至少能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒過程的機(jī)理層面的可解釋性，如鄧克爾數(shù)相似。

對(duì)于工程實(shí)踐中提出的燃燒不穩(wěn)定性，特別是聲學(xué)燃燒不穩(wěn)定性，真實(shí)燃燒室與模型燃燒室之間的聲學(xué)相似性難以保證，此時(shí)熱聲耦合物理機(jī)制需要在構(gòu)建模型燃燒室時(shí)仔細(xì)考量。

圖11是用于旋流火焰燃燒特性研究的透明燃燒室的測(cè)試系統(tǒng)示意圖，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大體上可以分為旋流燃燒器、供氣系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、聲學(xué)激勵(lì)系統(tǒng)（不是必需的）幾個(gè)部分。其中，旋流燃燒器是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的核心部分，用于產(chǎn)生旋流火焰，并能夠?qū)崿F(xiàn)火焰的可視化；供氣系統(tǒng)為燃燒器供應(yīng)空氣和燃料，并實(shí)現(xiàn)預(yù)混和流量、當(dāng)量比的調(diào)節(jié)；測(cè)量與控制系統(tǒng)用于聲壓、溫度、釋熱率波動(dòng)等物理量的高頻同步測(cè)量，同時(shí)用于時(shí)序控制。

圖11  圓柱形燃燒室測(cè)試系統(tǒng)

圖12給出了本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中旋流燃燒器的實(shí)物圖，該燃燒器包括進(jìn)氣組件、燃燒室觀察段和燃燒室延長(zhǎng)段。進(jìn)氣組件的剖面圖如圖13所示，空氣-甲烷預(yù)混氣首先進(jìn)入環(huán)形集氣腔，再通過環(huán)向密布的小孔進(jìn)入圓形截面進(jìn)氣段Ⅰ，進(jìn)氣段Ⅱ連接進(jìn)氣段Ⅰ、Ⅲ，且長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)。進(jìn)氣段Ⅲ內(nèi)部為環(huán)形通道，在通道上方安裝麥克風(fēng)，進(jìn)氣段Ⅲ靠近燃燒室的一側(cè)采用水冷的方式進(jìn)行冷卻。

圖12  圓柱形燃燒器主體實(shí)物圖

圖13  進(jìn)氣管剖面圖

為了研究多火焰之間的相互干擾或者作用，還可以進(jìn)一步將單噴嘴燃燒室擴(kuò)展為環(huán)形燃燒室。

圖14為環(huán)形燃燒室實(shí)物圖，在集氣腔內(nèi)，供給的燃料氣和空氣充分預(yù)混。為使集氣腔內(nèi)的氣體能夠均勻地輸送至各個(gè)管道，并且保證管道流量一致，集氣腔內(nèi)安裝一個(gè)半球形分流裝置。進(jìn)氣段設(shè)計(jì)有n（通常為12~18）個(gè)進(jìn)氣通道，對(duì)應(yīng)噴嘴供應(yīng)系統(tǒng)。每個(gè)供氣通道進(jìn)氣管道內(nèi)預(yù)留兩個(gè)麥克風(fēng)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量供氣通道內(nèi)部的聲壓信息。為了滿足光學(xué)測(cè)量的需要，燃燒室采用石英玻璃制作，通過選擇濾光片，高速攝像機(jī)可以拍攝燃燒室的燃燒狀況。

圖14  環(huán)形燃燒室主體實(shí)物圖

2.2 燃燒流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)基本原理

針對(duì)被測(cè)物理量的不同，燃燒室流場(chǎng)測(cè)量方法包括光電倍增管、高速攝像機(jī)、平面激光誘導(dǎo)熒光等，分別用于獲取燃燒釋熱率、火焰形態(tài)、燃燒組分分布等多種信息。

激光誘導(dǎo)熒光（laser-induced fluorescence，LIF）是一種用于空間分子、自由基等微觀粒子測(cè)量的方法，隨著激光源和探測(cè)器的發(fā)展，在測(cè)量領(lǐng)域有著很好的前景。一束特定頻率的脈沖激光照射在待測(cè)分子或原子上，當(dāng)頻率與某一躍遷頻率相同時(shí)，分子或原子會(huì)躍遷到高能級(jí)激發(fā)態(tài)。高能級(jí)激發(fā)態(tài)的能量不穩(wěn)定，會(huì)因?yàn)榕鲎厕D(zhuǎn)移降低到第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)，再由最低振動(dòng)能級(jí)降低至基態(tài)的任意能級(jí)。而在降低至基態(tài)的過程會(huì)以光的形式放出能量，這種光被稱為熒光。由于激發(fā)態(tài)能級(jí)很高，因此可以認(rèn)為未經(jīng)過共振吸收的粒子中沒有高能級(jí)激發(fā)態(tài)，從而發(fā)出熒光的粒子全是經(jīng)過共振吸收的粒子。

圖15為粒子躍遷的能級(jí)示意圖^[22]，LIF可以精確激發(fā)特定粒子，因此具有較高靈敏度，可以用來測(cè)量特定成分的光譜吸收。

圖15  激光誘導(dǎo)熒光原理示意圖

如果用平面激光去誘導(dǎo)熒光進(jìn)行燃燒流場(chǎng)測(cè)量，則稱為平面激光誘導(dǎo)熒光（PlanarLIF）技術(shù)。當(dāng)前，PLIF已經(jīng)成為一種常見的測(cè)量燃燒場(chǎng)火焰溫度和燃燒組分空間分布的光學(xué)測(cè)量方法，其用于二維平面空間內(nèi)燃?xì)夥肿印⒆杂苫鶊F(tuán)等微觀粒子分布的測(cè)量時(shí)，具有時(shí)空分辨率高、無干擾、可視化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。一般而言，用特定頻率激光激發(fā)流場(chǎng)某一平面內(nèi)的待測(cè)粒子（如OH，CH等），這些粒子通常與火焰釋熱相關(guān)聯(lián)，再通過CCD相機(jī)記錄其熒光變化，得到微觀粒子瞬時(shí)的空間分布情況，從而表征燃燒特性。

調(diào)諧二極管激光吸收光譜（tunable diode laser absorption spectroscopic, TDLAS）是一種實(shí)時(shí)、高精度的氣體濃度測(cè)量方法，它通過待測(cè)氣體對(duì)特定波長(zhǎng)激光吸收光譜來定量分析氣體的濃度。TDLAS的基本原理遵循比爾定律。光線穿過物質(zhì)，光強(qiáng)會(huì)發(fā)生衰減，而衰減的程度與物質(zhì)的濃度、厚度和物質(zhì)的吸收特性有關(guān)，即：

其中I(ω)為接收的光強(qiáng)，I₀(ω)為激光器發(fā)射的光強(qiáng)，C(T)為待測(cè)氣體的譜線強(qiáng)度，φ(v)為歸一化的線性函數(shù)，X為組分濃度，L為激光光程。

線型函數(shù)φ(v)表示光譜吸收率隨波長(zhǎng)的變化，因此在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分結(jié)果為1。吸光度隨頻率而變化是由于物質(zhì)的展寬機(jī)制引起的。采用TDLAS測(cè)量濃度，需要選取好吸收線。分子存在多個(gè)吸收線，而在多組分介質(zhì)中，不同分子的吸收線可能存在重合部分，因此容易在測(cè)量過程中造成譜線干擾。需要盡可能選取譜線強(qiáng)度大、干擾低的吸收線，提升測(cè)量準(zhǔn)確度。

2.3 燃燒流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量典型案例

2.3.1 釋熱率測(cè)量與火焰形態(tài)觀測(cè)

對(duì)于常見的燃燒火焰，其總體釋熱率通常利用OH^*或CH^*化學(xué)熒光強(qiáng)度來表征。然而，不管是OH^*還是CH^*，其發(fā)出的熒光強(qiáng)度都非常弱，為此采用光電倍增管（photo-multiplier tube, PMT）將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

例如，某PMT可探測(cè)的光譜范圍為280~630 nm，為了排除其他光線干擾，需要采用窄帶濾光片進(jìn)行濾光，如圖16^[23]所示，OH^*產(chǎn)生的熒光波長(zhǎng)約為308 nm，采用中心波長(zhǎng)為310 nm、半寬高為10 nm的濾光片進(jìn)行濾光，CH^*產(chǎn)生的熒光波長(zhǎng)約為431 nm，采用中心波長(zhǎng)為430 nm、半寬高為10 nm的濾光片進(jìn)行濾光。

圖16  甲烷-空氣燃燒火焰化學(xué)熒光光譜^[23]

實(shí)驗(yàn)中通過高速相機(jī)與像增強(qiáng)器組合的方法拍攝CH^*化學(xué)熒光強(qiáng)度分布，用來表征釋熱率的時(shí)空演化。

2.3.2 TDLAS法測(cè)量氣體（或組分）濃度

圖17為一種測(cè)量空氣中甲烷含量的TDLAS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)^[24]。激光穿過透鏡形成片光進(jìn)入反射池，由于空氣中甲烷含量較低，因此需要增加光程。增加光程可以采用開放光路和多次反射池兩種方法。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的是多次反射池，因此計(jì)算光強(qiáng)吸收時(shí)需要考慮到反射池的反射系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中需要去除背景吸收線的影響，因此布置了閥門1、2和抽氣泵對(duì)反射池進(jìn)行換氣。首先通入高純氮?dú)猓瑴y(cè)量得到背景吸收線，再通入空氣排凈氮?dú)猓瑴y(cè)量實(shí)際吸收線，最后通入標(biāo)定濃度的甲烷-空氣混合物，得到標(biāo)準(zhǔn)甲烷譜線。最后減去兩種甲烷濃度吸收線的背景吸收線，得到甲烷實(shí)際濃度。

圖17  TDLAS測(cè)試系統(tǒng)原理圖

2.3.3 平面誘導(dǎo)熒光法測(cè)量釋熱率

圖18為一套OH-PLIF檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括激光光源、傳輸光路、熒光探測(cè)器與數(shù)據(jù)采集器。例如，OH^*基是甲烷-空氣燃燒過程的中間產(chǎn)物，其濃度分布表征了反應(yīng)區(qū)分布和燃燒強(qiáng)度，如果認(rèn)為OH^*基濃度與熒光信號(hào)成正比，可以得到OH^*基的二維空間相對(duì)濃度分布。

圖18  平面激光誘導(dǎo)熒光系統(tǒng)示意圖

由固體激光器產(chǎn)生532 nm的激光光束，經(jīng)染料激光器調(diào)諧獲得波長(zhǎng)為567.106 nm，再經(jīng)過倍頻晶體后波長(zhǎng)為283.553 nm，光束經(jīng)過一系列柱面鏡整形為片光，該片光透過石英玻璃窗后照射在火焰上，作為誘導(dǎo)OH^*基產(chǎn)生熒光的光源。采用ICCD相機(jī)記錄熒光分布圖像，該相機(jī)配備紫外鏡頭和濾光片，通過數(shù)字延時(shí)脈沖發(fā)生器精確控制ICCD與激光脈沖的時(shí)延。為了降低背景噪聲，需要在捕捉到熒光信號(hào)的前提下盡量減小相機(jī)門寬。

2.3.4 平面誘導(dǎo)熒光法測(cè)量組分濃度

為了在流場(chǎng)中通過發(fā)射的激光誘導(dǎo)出熒光，通常在液相中添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的丙酮或其他物質(zhì)作為示蹤劑，以對(duì)液相濃度分布進(jìn)行定性表征。丙酮在常溫常壓下吸收光譜為225~320 nm連續(xù)譜，因此需要選擇一定激光波長(zhǎng)的激光器，如283.56 nm激光器，Nd：YAG固體激光器。激光經(jīng)過柱面鏡等一系列光學(xué)鏡組后形成片光，照射噴霧流場(chǎng)并激發(fā)丙酮熒光。

熒光圖像采用與激光片光平行布置的ICCD相機(jī)進(jìn)行拍攝，ICCD相機(jī)鏡頭前安裝370~400 nm窄帶濾光片，以阻斷除丙酮熒光外的其他雜散光的干擾。ICCD相機(jī)和激光系統(tǒng)通過數(shù)字延時(shí)脈沖發(fā)生器進(jìn)行同步控制。

3  結(jié)論與展望

實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確開展噴霧兩相流場(chǎng)以及噴霧燃燒流場(chǎng)測(cè)量已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的主要研究手段。由于工作條件極端，非接觸式的光學(xué)測(cè)量技術(shù)成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)研究的主流，其能夠提供更加翔實(shí)、更多物理量的測(cè)量數(shù)據(jù)，便于開展流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、火焰結(jié)構(gòu)時(shí)空演化的辨識(shí)，探討復(fù)雜過程的相互作用規(guī)律，從而指導(dǎo)燃燒室的設(shè)計(jì)。

總體上，紋影測(cè)量方法能夠較為直觀、快捷地給出噴霧流場(chǎng)的形態(tài)及其時(shí)空演化特性，目前在噴霧場(chǎng)的觀測(cè)方面是主要技術(shù)手段。基于激光多普勒效應(yīng)的PDPA能夠同時(shí)測(cè)量流場(chǎng)某空間點(diǎn)的液霧粒徑分布以及速度大小，PIV技術(shù)能夠給出流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，但對(duì)于噴霧兩相同時(shí)測(cè)量的PIV技術(shù)還亟待發(fā)展完善。此外，能夠捕獲流場(chǎng)三維特性的體測(cè)量PIV以及能夠追蹤流場(chǎng)特征液霧粒子運(yùn)動(dòng)過程的PIV技術(shù)都亟待發(fā)展。TDLAS用于組分濃度測(cè)量，精度較高，但對(duì)測(cè)試環(huán)境要求較多，還需要進(jìn)一步完善。PLIF用于噴霧兩相流場(chǎng)的測(cè)量也需進(jìn)一步探討并且需要獲得更多的應(yīng)用。

由于光學(xué)測(cè)量技術(shù)的時(shí)空分辨率高、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸取代傳統(tǒng)的接觸式（傳感器）測(cè)量方法。但是由于燃燒流場(chǎng)參數(shù)復(fù)雜，包括火焰溫度、釋熱率以及多種組分，因此對(duì)光學(xué)測(cè)量手段依然提出更高挑戰(zhàn)。特別是，在已經(jīng)能夠比較準(zhǔn)確地獲得火焰溫度、某一組分分布等測(cè)量基礎(chǔ)上，同時(shí)獲得燃燒流場(chǎng)的溫度、速度以及某些重要或者特征組分的時(shí)空分布，已成為燃燒流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)研究的主要攻關(guān)方向。所以，火焰三維形態(tài)及其物理參數(shù)的測(cè)量，對(duì)于激光同步光源、拍攝技術(shù)，以及圖像解析等都提出了新的問題，測(cè)量方法改進(jìn)的同時(shí)還需要大量數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

不管對(duì)于何種對(duì)象采用何種光學(xué)測(cè)量方法，都需要研究對(duì)象的光學(xué)可透射，而這對(duì)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室都難以實(shí)現(xiàn)。因此，許多研究都在模型燃燒室中開展，模型燃燒室具有模態(tài)特征，代表了某種物理化學(xué)過程的相似性。針對(duì)采用透明燃燒室模型，并結(jié)合多種檢測(cè)技術(shù)，如光電倍增管、高速相機(jī)等，能夠獲取模型燃燒更加充分、翔實(shí)的流場(chǎng)信息，為真實(shí)燃燒室的流動(dòng)燃燒規(guī)律研究提供依據(jù)。