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第1章 绪论1

1.1 目的1

1.2 背景2

1.3 本书的结构3

参考文献5

第一部分 技术8

第2章 微量组分激光探测技术8

2.1 引言8

2.2 微量组分激光测量技术概述9

2.2.1 激光诱导荧光9

2.2.2 共振增强多光子电离10

2.2.3 简并四波混频11

2.2.4 腔衰荡光谱技术11

2.2.5 可调谐二极管激光吸收光谱技术12

2.2.6 其他技术12

2.3 激光诱导荧光13

2.3.1 光谱学15

2.3.2 碰撞16

2.3.3 多光子LIF19

2.3.4 饱和LIF19

2.3.5 预分离LIF20

2.3.6 LIF绝对浓度测量20

2.4 与燃烧化学模型比对22

2.5 其他微量组分23

参考文献24

附录：火焰微量成分测量的文献综述28

缩略语28

附录参考文献47

第3章 中间产物浓度测量的相干技术67

3.1 引言67

3.2 简并四波混频69

3.2.1 简并四波混频在温度和浓度测量中的应用72

3.2.2 实用考虑与未来应用75

3.3 激光诱导热光栅光谱技术76

3.4 相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）78

3.4.1 CARS在浓度测量中的应用79

3.4.2 实用考虑与未来应用79

3.5 偏振光谱技术80

3.5.1 PS在温度和浓度测量中的应用81

3.5.2 实用考虑与未来应用83

3.6 结论84

参考文献84

第4章 组分浓度测量的腔衰荡光谱技术90

4.1 引言90

4.2 背景及动机91

4.3 腔衰荡方法92

4.3.1 基本的时间特性93

4.3.2 有限激光线宽效应94

4.3.3 横模效应96

4.3.4 空间分辨率97

4.3.5 探测及其他实际问题99

4.4 火焰中特殊组分的CRD测量100

4.4.1 CH100

4.4.2 OH102

4.4.3 CN103

4.4.4 1CH2104

4.4.5 HCO104

4.4.6 CH3106

4.4.7 NH106

4.4.8 CH2O107

4.4.9 H2O107

4.5 未来发展趋势107

4.5.1 红外CRD技术108

4.5.2 连续激光CRD108

4.5.3 多谱线测量技术108

4.5.4 其他CRD方法109

4.6 结论109

致谢110

参考文献110

第5章 短脉冲技术：皮秒荧光、能级转移、“无猝灭”测量115

5.1 引言115

5.2 基本物理概念116

5.2.1 猝灭和能级转移116

5.2.2 短脉冲119

5.3 实验设备119

5.3.1 激光源119

5.3.2 短脉冲激光特性122

5.3.3 探测系统124

5.3.4 激发过程125

5.4 典型应用及其优缺点127

5.4.1 能级转移过程研究127

5.4.2 微量组分的“无猝灭”测量129

5.4.3 湍流场中的脉冲串测量130

5.4.4 多光束技术131

5.5 总结与展望132

参考文献133

第6章 实验室火焰和实际装置中的温度测量137

6.1 引言137

6.2 温度测量方法概述137

6.3 基于激光光谱的温度测量技术139

6.3.1 瑞利散射技术141

6.3.2 自发拉曼散射技术142

6.3.3 激光诱导荧光技术145

6.3.4 相干反斯托克斯拉曼散射技术149

6.4 温度测量的典型实例153

6.4.1 拉曼和瑞利测温在火焰模型验证中的应用153

6.4.2 实际应用中基于OH的二维温度测量154

6.4.3 碳烟火焰中氮气Q支CARS测温157

6.4.4 氮气CARS测量航空发动机模拟燃烧室瞬态温度158

6.5 总结159

致谢160

参考文献160

第7章 流场诊断169

7.1 引言169

7.2 发展历史简介169

7.3 面临的挑战173

7.4 标量参数成像174

7.4.1 密度成像174

7.4.2 温度成像179

7.5 输运特性测量180

7.5.1 基于分子散射的测量方法180

7.5.2 基于粒子的速度场测量方法183

7.6 总结186

致谢187

参考文献187

第8章 时空多维诊断194

8.1 引言194

8.2 基础知识195

8.2.1 理论195

8.2.2 平面成像：实用考虑196

8.2.3 多维成像装置197

8.2.4 三维成像方案198

8.2.5 激励光源198

8.2.6 探测器技术199

8.3 应用200

8.3.1 主要组分测量200

8.3.2 混合比／温度测量201

8.3.3 微量组分测量202

8.3.4 反应速率成像204

8.3.5 时域成像204

8.3.6 三维成像209

8.4 结论和展望211

致谢212

参考文献212

第9章 激光诱导白炽光218

9.1 引言218

9.2 前期LII研究219

9.3 理论分析219

9.4 实验方法224

9.4.1 激光激发的能量和波长225

9.4.2 激光强度分布227

9.4.3 光谱检测范围228

9.4.4 探测的门宽和同步230

9.5 标定230

9.5.1 消光标定法230

9.5.2 腔衰荡标定方法233

9.5.3 重量分析标定法233

9.5.4 无需标定的碳烟体积分数定量测量233

9.5.5 颗粒尺寸测量的标定234

9.5.6 LII标定的主要关注点234

9.6 测量结果235

9.7 总结240

参考文献241

第二部分 应用248

第10章 富燃化学和碳烟前驱物248

10.1 引言248

10.2 反应系统249

10.2.1 反应装置249

10.2.2 激波管250

10.2.3 预混火焰250

10.2.4 层流扩散火焰251

10.3 建模252

10.4 实验技术和方案253

10.4.1 非接触测量技术254

10.4.2 侵入式技术258

10.5 综合诊断方法260

致谢264

参考文献264

第11章 灭火的燃烧化学271

11.1 背景271

11.2 灭火的基本原理272

11.3 光学诊断技术在灭火化学中的应用274

11.4 灭火的反应动力学机制276

11.4.1 碳氟化合物277

11.4.2 钠279

11.4.3 铁和其他过渡金属280

11.5 总结282

参考文献282

第12章 用于催化燃烧研究的和频振动光谱技术286

12.1 引言286

12.2 红外-可见SFG表面振动光谱学基础288

12.3 利用SFG进行催化燃烧实时诊断的实验布局291

12.4 多晶Pt箔表面进行的CO吸附／脱附研究293

12.5 多晶Pt箔上的CO燃烧研究295

12.6 高温高压下铂表面的CO解离研究297

12.7 展望与挑战299

致谢300

参考文献301

第13章 多环芳香烃和碳烟的光学诊断305

13.1 引言305

13.2 多环芳香烃306

13.2.1 PAH的基本特性306

13.2.2 应用309

13.2.3 讨论311

13.3 光学技术对碳烟的诊断312

13.4 激光诱导白炽光技术测量碳烟313

13.4.1 LII原理313

13.4.2 LII的应用313

13.4.3 发动机和类发动机条件下的LII测量314

13.4.4 LII对柴油发动机尾气的测量317

13.5 总结319

致谢319

参考文献320

第14章 湍流火焰中的多标量诊断327

14.1 引言327

14.2 实验设计要点327

14.2.1 激光的选择和拉曼信号的估算328

14.2.2 收集和探测装置的选择329

14.3 应用实例1：拉曼／瑞利／LIF同时点测量330

14.3.1 用于点测量的光学布局331

14.3.2 标定和数据处理333

14.4 应用实例2：标量耗散的一维测量335

14.5 碳氢化合物荧光干扰：属性、规避和修正336

14.6 标定燃烧炉340

14.7 精确度和准确度考虑340

14.8 其他多标量参数测量在燃烧中的应用341

14.9 多标量诊断的前景展望341

附加说明341

参考文献342

第15章 燃气轮机和内燃机的燃料注入与混合研究中的液滴测量347

15.1 引言347

15.2 液滴稳定性和喷雾统计基础349

15.3 马尔文粒度仪351

15.4 相位多普勒测速仪352

15.5 激光片粒径测量技术355

15.6 应用实例和不同方法对比360

参考文献363

第16章 直喷柴油发动机的光学测量366

16.1 柴油发动机相关的关键问题366

16.2 喷嘴流动367

16.3 喷雾与混合物形成368

16.3.1 弹性散射369

16.3.2 激光诱导荧光371

16.3.3 激光诱导拉曼散射374

16.4 自点火与燃烧375

16.5 污染物测量378

16.5.1 激光诱导白炽光测量碳烟378

16.5.2 LIF测量NO379

16.6 柴油发动机光学诊断总结及尚未解决的问题379

参考文献381

第17章 直喷汽油发动机的光学诊断384

17.1 引言384

17.2 直喷汽油发动机385

17.3 光学发动机386

17.4 流场的发展387

17.4.1 粒子成像测速技术388

17.4.2 激光多普勒测速技术389

17.5 喷雾形成391

17.5.1 Mie散射391

17.5.2 液相激光诱导荧光392

17.5.3 油滴PIV393

17.6 汽化与混合394

17.6.1 气相LIF394

17.6.2 两相LIF395

17.6.3 自发拉曼散射技术396

17.7 燃烧397

17.8 污染物形成398

17.8.1 一氧化氮399

17.8.2 碳烟399

17.9 光学发动机诊断的未来趋势400

17.9.1 流场标记400

17.9.2 准二维拉曼散射技术401

17.9.3 发射光谱技术401

17.9.4 发射／吸收光谱技术401

17.9.5 时间分辨测量401

17.10 总结402

致谢402

参考文献403

第18章 可调谐二极管激光传感及燃烧控制406

18.1 引言和传感器概述406

18.2 测量原理407

18.3 传感器结构409

18.4 TDL传感应用案例410

18.4.1 浓度测量410

18.4.2 气体动力学参数测量411

18.5 燃烧、发动机和工业过程控制中的应用414

18.5.1 压缩机喘振／失速控制414

18.5.2 富氧燃料工业供热415

18.5.3 燃烧主动控制417

18.5.4 未来的机遇及需求419

致谢419

参考文献420

第三部分 展望424

第19章 用于详细动力学建模的诊断424

19.1 引言424

19.2 模型不确定度425

19.2.1 热力学——焓425

19.2.2 输运426

19.2.3 气体流动427

19.2.4 气体温度428

19.3 温度计算429

19.4 动力学不确定度430

19.4.1 组分430

19.4.2 比值434

19.5 总结435

致谢435

参考文献435

第20章 催化燃烧诊断438

20.1 引言438

20.2 催化燃烧建模439

20.2.1 流体和化学的耦合439

20.2.2 反应动力学440

20.2.3 应用——催化点火442

20.3 表面反应机理的发展443

20.3.1 反应路径443

20.3.2 动力学数据445

20.3.3 机理的评估446

20.4 局限和挑战446

20.4.1 表面结构和反应特性446

20.4.2 蒙特卡洛方法447

20.5 总结447

参考文献448

第21章 用于燃烧控制的传感器需求451

21.1 引言451

21.2 燃烧控制451

21.2.1 主动燃烧控制452

21.2.2 工作点控制453

21.3 控制概念和传感器需求457

21.3.1 诊断技术458

21.3.2 燃烧控制的输入参数459

21.4 总结464

致谢464

参考文献465

第22章 燃气涡轮发动机燃烧室模型验证诊断技术的挑战475

22.1 引言475

22.2 常规特性476

22.3 子模型的开发和验证479

22.4 完整模型的验证483

22.5 在模型验证方面激光诊断技术面临的挑战488

致谢490

参考文献490

第23章 诊断技术在材料燃烧合成中的机遇497

23.1 引言497

23.2 燃烧合成过程497

23.3 固／固和固／气燃烧合成的唯象控制与理解500

23.4 SHS实时诊断的例子502

23.5 气／固SHS研究中的诊断机遇案例505

23.6 气／气火焰合成的唯象学507

23.7 火焰合成中诊断机遇案例509

23.8 总结510

致谢510

参考文献510

第24章 有毒物质排放控制的诊断需求512

24.1 引言512

24.2 空气有毒物的特征513

24.3 空气有毒物对人类健康造成的影响515

24.4 需要致力解决的两类系统517

24.4.1 常见燃烧517

24.4.2 先进燃烧系统与新的挑战522

24.5 诊断需求523

24.6 技术需求524

24.7 总结525

参考文献525

第25章 有机物燃烧废流时间分辨监测的在线痕量分析530

25.1 引言530

25.2 共振激光质谱技术原理及特点531

25.2.1 UV光谱技术531

25.2.2 多光子电离533

25.2.3 飞行时间质谱测量技术533

25.2.4 灵敏度估算（相对离子产额）534

25.2.5 问题案例535

25.3 发动机尾气中的痕量分析536

25.4 燃烧过程生成的吸附于气溶胶及其他固体样品的PAH同形异构体选择性痕量分析途径539

25.5 其他用于痕量分析的激光质谱技术541

25.6 实际应用中激光质谱设备的总结评论542

致谢543

参考文献544

第26章 燃烧尾气污染物定量测量的可调谐红外激光差分吸收光谱传感器548

26.1 燃烧尾气产物及大气548

26.1.1 引言548

26.1.2 大气化学548

26.2 可调谐红外激光差分吸收光谱技术550

26.2.1 光谱学基础550

26.2.2 激光源551

26.2.3 信号处理552

26.2.4 样品采集554

26.3 TILDAS在燃烧尾气测量中的应用555

26.3.1 机动车尾气污染物的跨路遥感555

26.3.2 喷气发动机尾气污染物测量558

26.3.3 香烟特性的表征560

26.4 总结561

致谢561

参考文献561

第27章 后续发展565

27.1 引言565

27.2 红外激光诱导荧光成像技术565

27.3 用原子注入法在碳烟火焰中测温567

27.4 用太赫兹吸收探测水567

27.5 发动机诊断中CO2的干扰568

27.6 新型流体示踪测速技术568

27.7 柴油发动机的诊断优势568

27.8 用于燃烧诊断和控制的新型二极管激光源569

27.9 燃烧器设计中的激光诊断569

27.10 总结569

参考文献570

缩略词572

许可579