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