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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LIF 19

2.3.4 饱和LIF 19

2.3.5 预分离LIF 20

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 CH 100

4.4.2 OH 102

4.4.3 CN 103

4.4.4 1CH2 104

4.4.5 HCO 104

4.4.6 CH3 106

4.4.7 NH 106

4.4.8 CH2O 107

4.4.9 H2O 107

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CRD 108

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NO 379

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PIV 393

17.6 汽化与混合 394

17.6.1 气相LIF 394

17.6.2 两相LIF 395

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