千眼狼实验分享 | 采用PLIF方法测量燃烧火焰CH2O浓度

1实验背景
燃烧过程涉及多种化学反应，关键中间产物CH2O（甲醛）浓度分布可反映燃烧效率。对于优化燃烧过程、提高燃烧效率以及降低污染具有重要意义。
传统侵入式测量技术会干扰燃烧火焰场，且响应速度较慢、精度低。采用平面激光诱导荧光即PLIF技术，具有高时空分辨率、非接触、多组分选择等特点，实现对燃烧火焰中CH2O浓度高精度测量。
2 技术原理
PLIF技术基于激光与物质的相互作用，当一束特定波长的平面激光照射到燃烧火焰中的目标分子（如 CH₂O）时，这些分子吸收激光能量后从基态跃迁到激发态。处于激发态的分子在短时间内会自发地回到基态，并发出荧光。通过高速摄像机或sCMOS科学相机采集荧光信号并根据荧光强度与分子浓度之间的关系，得到燃烧火焰中CH₂O浓度分布图像。
 
图1 PLIF技术原理图

3 实验系统
千眼狼PLIF实验系统主要组成：
1）泵浦激光器，频率30Hz，能量180mJ，用于产生355nm波长的平面激光，激发火焰中的CH2O分子。
2）千眼狼Revealer G_Pro系列高速摄像机，用于捕获火焰荧光图像。
3）P43磷光屏像增强器，用于增强甲醛分子受激发产生的荧光信号。
4）千眼狼Revealer同步控制器，最小脉宽1ns，时间同步精度1ns，用于激光脉冲、高速摄像机、像增强器精确同步。
5）光学组件，高反镜、凹透镜、凸透镜、滤光片等，用于将激光聚焦成薄片状，并对荧光信号收集和滤波，提高信噪比。
6）火焰发生器，用于产生稳定的燃烧火焰。
 
图2 PLIF系统示意图

4 实验过程
第一步 系统标定
测量区域中充满0 mg/m3 、0.03mg/m3 、0.05mg/m3  三种浓度的CH2O, 采集对应浓度下的荧光图像，建立荧光强度-浓度关系曲线。
第二步 数据采集
采用千眼狼高速摄像机搭配像增强器、带通滤光片，捕获CH2O分子受激后产生的荧光图像。
第三步 数据后处理
依据标定过的荧光强度-浓度曲线，将原始荧光图像的灰度数据转换成表示浓度的伪彩数据，即浓度分布图像。通过对高速摄像机捕获的序列图像分析，得到CH2O浓度随时间、空间的变化规律，伪彩图显示，火焰前锋区域浓度较高，火焰尾部区域浓度较低。
 
图3组分浓度伪彩动图

5实验结论
作为一种先进的光学诊断技术，PLIF测量方法，可提供燃烧火焰中CH2O浓度分布的高时空分辨率图像，帮助研究人员理解燃烧过程中的化学反应机理，为提高燃烧效率、降低污染物排放提供实验数据支撑。
PLIF平面激光诱导技术还可与PIV粒子图像测速技术相结合，在湍流领域研究、化学工程、环境监测等领域有重要应用。