FlameMaster

Оптические измерительные решения для диагностики процессов горения

Оптические методы диагностики занимают ключевое место в современных исследованиях горения, поскольку позволяют выполнять неинвазивные измерения параметров реакционных потоков непосредственно в зоне протекания процесса. В отличие от традиционных зондовых методов, лазерные и спектроскопические технологии обеспечивают высокое пространственное и временное разрешение, позволяют регистрировать поля скорости, температуры, концентрации химических компонентов, распределение топлива, образование сажи и структуру пламени. В статье рассмотрены основные подходы к оптической диагностике горения, включая LIF, PLIF, LII, PIV, Raman scattering, Rayleigh scattering, Mie scattering, IR imaging, absorption spectroscopy, TDLAS и ICOS. Особое внимание уделено многопараметрической визуализации, высокоскоростной лазерной съёмке, анализу смесеобразования, исследованию загрязняющих веществ, трёхмерной визуализации пламени и применению специализированных сенсорных систем для двигателей внутреннего сгорания и технических камер сгорания.

Развитие энергетики, промышленности и транспортных систем сопровождается устойчивым спросом на повышение эффективности процессов преобразования энергии. Несмотря на расширение применения альтернативных технологий, тепловые процессы, основанные на горении, сохраняют значительную роль в производстве электроэнергии, тепла и механической работы. Это определяет необходимость глубокого понимания физико-химических процессов, протекающих в камерах сгорания, газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания, промышленных горелках и других энергетических установках.

Современные системы горения характеризуются сложной газодинамикой, турбулентным смешением, многофазностью, нестационарностью и высокими температурами. В таких условиях традиционные контактные методы измерений часто оказываются недостаточно информативными или вносят возмущения в исследуемую среду. Оптические методы диагностики, напротив, позволяют получать данные in situ без механического вмешательства в поток. Благодаря этому они используются для исследования взаимодействия пламени и потока, устойчивости пламени, процессов воспламенения, локального гашения, образования загрязняющих веществ и проверки вычислительных моделей.

Научно-технические предпосылки оптической диагностики горения

Оптическая диагностика горения основана на взаимодействии электромагнитного излучения с газовой, жидкой или дисперсной фазой исследуемой среды. В зависимости от выбранного метода измерения регистрируются флуоресценция, рассеяние, тепловое излучение, поглощение или индуцированное свечение частиц. Эти сигналы несут информацию о составе, температуре, скорости, концентрации радикалов и частиц, а также о динамике реакционной зоны.

Ключевым преимуществом лазерных методов является возможность формирования тонкого светового листа, линии или объёмной области измерения. Это позволяет получать одномерные, двумерные и трёхмерные распределения параметров. При использовании высокоскоростных лазеров и камер становится возможной регистрация быстропротекающих турбулентных процессов с частотами в килогерцовом диапазоне.

Особенно важна возможность многопараметрических измерений, когда несколько физических величин регистрируются одновременно. Например, в одной экспериментальной конфигурации могут измеряться поле скорости методом PIV, распределение топлива методом tracer-LIF или acetone-PLIF, а также положение реакционной зоны методом OH-PLIF. Такой подход позволяет установить причинно-следственные связи между смесеобразованием, турбулентной структурой потока и химической реакцией.

Основные методы лазерной и оптической визуализации

Laser Induced Fluorescence и Planar Laser Induced Fluorescence

Laser Induced Fluorescence, или LIF, является одним из наиболее информативных методов исследования химического состава пламени. Метод основан на возбуждении молекул или радикалов лазерным излучением определённой длины волны с последующей регистрацией флуоресцентного сигнала. При формировании лазерного светового листа реализуется Planar Laser Induced Fluorescence, или PLIF, позволяющая получать двумерные изображения распределения выбранных компонентов.

PLIF применяется для визуализации радикалов OH, CH, NO, CN, CO, а также молекул и трассеров, связанных с распределением топлива. OH-PLIF широко используется для определения положения зоны реакции и структуры фронта пламени. CH-PLIF и CH* imaging применяются для анализа хемилюминесценции и локализации реакционных областей. NO-PLIF позволяет исследовать механизмы образования оксидов азота. Formaldehyde LIF используется для выявления промежуточных продуктов низкотемпературного окисления и предреакционных зон.

Laser Induced Incandescence

Laser Induced Incandescence, или LII, предназначена для исследования сажи и дисперсных частиц. При использовании данного метода частицы сажи нагреваются коротким лазерным импульсом до высокой температуры, после чего регистрируется их тепловое излучение. Анализ интенсивности и временного затухания сигнала позволяет определять объёмную долю сажи, удельную поверхность и первичный размер частиц.

Метод LII применим как в горячей зоне пламени, так и в холодном потоке отходящих газов. Это делает его полезным инструментом для изучения образования сажи, её окисления и контроля выбросов частиц в технических системах горения.

Particle Image Velocimetry

Particle Image Velocimetry, или PIV, используется для измерения полей скорости в газовых и многофазных потоках. В поток вводятся трассирующие частицы, движение которых регистрируется камерой при освещении лазерным листом. Последующая корреляционная обработка изображений позволяет получить двумерные или трёхмерные поля скорости.

В исследованиях горения PIV особенно важен для анализа вихревых структур, рециркуляционных зон, сдвиговых слоёв, взаимодействия турбулентности с фронтом пламени и процессов стабилизации горения. Совмещение PIV с OH-PLIF и fuel-LIF позволяет одновременно изучать аэродинамику, смесеобразование и реакционную зону.

Raman scattering и Rayleigh scattering

Spontaneous Raman Scattering, или SRS, применяется для количественного измерения концентраций основных компонентов газовой смеси и температуры. Метод основан на неупругом рассеянии света молекулами, при котором частотный сдвиг рассеянного излучения определяется молекулярной структурой вещества. Raman scattering позволяет одновременно определять состав смеси и температуру вдоль линии измерения, а при сканировании — формировать двумерные или трёхмерные распределения.

Rayleigh scattering основан на упругом рассеянии света и используется преимущественно для термометрии в газовых потоках. Rayleigh thermometry обеспечивает высокое пространственное разрешение и может применяться в сочетании с LIF-методами для одновременного определения температуры и концентрации радикалов.

Mie scattering

Mie scattering используется для визуализации капель, аэрозолей и частиц, размеры которых сопоставимы с длиной волны излучения. В задачах горения метод применяется для исследования распыла жидкого топлива, испарения капель и структуры многофазных потоков. Совмещение Mie scattering с fuel-PLIF позволяет различать жидкую и паровую фазы топлива.

Emission spectroscopy и absorption spectroscopy

Эмиссионная спектроскопия основана на регистрации собственного излучения пламени. Она применяется для анализа хемилюминесценции радикалов, оценки структуры пламени и выявления областей интенсивного тепловыделения. Absorption spectroscopy, напротив, основана на измерении ослабления излучения при прохождении через исследуемую среду. Интегральные по лучу измерения поглощения позволяют определять концентрации компонентов и температуру.

IR absorption особенно важна для регистрации основных продуктов горения и топливных компонентов, включая H2O, CO2, CO, CH4 и углеводородные топлива. Она может применяться как в виде линейных измерений, так и в формате IR imaging.

IR imaging и тепловизионная диагностика

IR imaging обеспечивает интегральный обзор процессов горения, позволяя регистрировать распределение крупных молекулярных компонентов, таких как CO2, H2O и углеводородные топлива. Дополнительно IR imaging используется для тепловизионного контроля газов, частиц и поверхностей камеры сгорания.

Преимущество инфракрасной визуализации заключается в возможности глобального наблюдения за структурой пламени, процессами воспламенения, устойчивостью горения и тепловым состоянием стенок. Активная IR absorption дополняет пассивную тепловизионную диагностику и позволяет получать данные о распределении веществ в потоке.

Характеризация пламени

Комплексная характеризация пламени требует одновременного анализа газодинамики, состава, температуры и излучательных характеристик. Для многофазных потоков и технических пламен наиболее информативны методы, основанные на лазерной визуализации в световых листах. PIV применяется для регистрации поля скорости, fuel-PLIF и tracer-PLIF — для анализа подготовки смеси, OH-PLIF, CH-PLIF и NO-PLIF — для исследования радикалов пламени, Rayleigh и Raman scattering — для температурных измерений, LII и Mie scattering — для анализа сажи и частиц.

При использовании методов flame imaging возможна регистрация собственного излучения пламени. Это даёт информацию о структуре фронта пламени, устойчивости, колебаниях, локальных зонах реакции и процессах воспламенения. Абсорбционные методы обеспечивают измерение параметров, интегрированных вдоль оптического пути, включая температуру и концентрации основных компонентов.

Исследование процессов смесеобразования

Повышение эффективности сгорания и снижение выбросов требуют детального понимания процессов подготовки топливно-воздушной смеси. В газотурбинных камерах, двигателях внутреннего сгорания и промышленных горелках смесеобразование часто протекает в условиях интенсивной турбулентности, высоких градиентов температуры и давления, а также при наличии жидкой и газовой фаз топлива.

Оптические методы позволяют исследовать количественное соотношение топлива и воздуха, структуру факела распыла, испарение жидкого топлива, распределение паровой фазы, теплоперенос и поле скорости в многофазных потоках. Kerosene-PLIF применяется для визуализации распределения керосина в газотурбинных камерах. Комбинация PLIF и Mie scattering позволяет разделять сигналы паровой и жидкой фазы, что особенно важно при анализе испарения и предварительного смешения.

В камерах с предварительным испарением и обеднённой смесью такие измерения позволяют определить степень однородности топлива, выявить зоны переобогащения или локального обеднения, а также оценить эффективность смесительных устройств и форсунок.

Анализ образования загрязняющих веществ

Исследование механизмов образования загрязняющих веществ является одной из центральных задач диагностики горения. Для снижения выбросов необходимо понимать кинетику образования NO, CO, SO2, сажи и других продуктов неполного или высокотемпературного окисления.

NO-PLIF применяется для изучения распределения оксидов азота и механизмов их образования. Диагностика CO и SO2 может выполняться с использованием лазерно-индуцированной флуоресценции и абсорбционных методов. Для анализа сажи применяются LII, пирометрия и методы регистрации собственного излучения. Пирометрия сажистого пламени позволяет определять температуру частиц по спектральным характеристикам теплового излучения.

Метод LII даёт возможность количественно оценивать объёмную долю сажи и размер первичных частиц. Это важно как для фундаментального анализа процессов зарождения и роста сажи, так и для прикладного контроля выбросов в газотурбинных установках, двигателях и промышленных горелках.

Высокоскоростная визуализация горения

Многие процессы горения являются нестационарными и турбулентными. К ним относятся воспламенение, локальное гашение, колебания пламени, прецессирующие вихревые структуры, пульсации тепловыделения и взаимодействие пламени с акустическими модами камеры. Для их изучения необходима временно-разрешённая визуализация с частотами в килогерцовом диапазоне.

Высокоскоростная лазерная визуализация реализуется с помощью лазеров высокой частоты повторения, усиленных CMOS-камер, модульных усилителей изображения и систем точной синхронизации. Усилители изображения повышают чувствительность в UV-диапазоне и обеспечивают короткие времена экспозиции, что особенно важно при регистрации слабых LIF-сигналов.

Примерами таких измерений являются OH-LIF imaging с частотой 10 kHz для исследования реакционной зоны и fuel-LIF imaging с частотой 12 kHz в области свечи зажигания. Эти методы позволяют анализировать развитие пламени во времени, выявлять предвестники локального гашения и отслеживать распространение фронта реакции.

Многопараметрическая лазерная визуализация

Многопараметрическая визуализация является одним из наиболее эффективных подходов к исследованию турбулентного горения. В газотурбинных модельных камерах возможно одновременное получение изображений OH-PLIF, acetone-PLIF и PIV. OH-PLIF отображает реакционную зону, acetone-PLIF характеризует перенос топлива, а PIV описывает структуру потока.

Такие измерения позволяют анализировать связь между завихрением, перемешиванием топлива, локальной стехиометрией и положением фронта пламени. Например, в турбулентном закрученном пламени можно проследить эволюцию несмешанных и хорошо перемешанных областей, их взаимодействие с зоной рециркуляции и последующее влияние на стабилизацию горения.

Для одновременной регистрации топлива и радикалов OH может использоваться Nd:YAG laser с внутрирезонаторным модулем перестройки T-YAG. Такая конфигурация позволяет возбуждать LIF-сигналы ацетона и OH, а усиленная камера регистрирует их в различных областях пламени. При перестройке длины волны вне линии OH остаётся сигнал ацетона, что позволяет разделять вклады топлива и реакционной зоны.

Трёхмерная визуализация пламени

3D flame imaging предоставляет информацию о пространственной структуре пламени, которая недоступна при одиночных двумерных срезах. Объёмная визуализация может основываться на томографической реконструкции данных, полученных несколькими камерами с разных направлений. Такой подход позволяет получать мгновенное трёхмерное распределение излучающих компонентов.

При усреднённой во времени 3D-визуализации возможно использование одной камеры, последовательно регистрирующей излучение пламени с разных ракурсов. Томографические методы применяются для анализа распределения радикалов OH*, CH* и других излучающих компонентов. Они позволяют исследовать асимметрию пламени, вихревую структуру, пространственную локализацию зон тепловыделения и устойчивость горения.

Сенсорные системы для диагностики горения

Наряду с полноформатными лазерными системами используются компактные оптические сенсоры для точечных измерений в реальном времени. Такие системы применяются в двигателях внутреннего сгорания, камерах сгорания и потоках отходящих газов.

ICOS и TDLAS

Internal Combustion Optical Sensor, или ICOS, предназначен для сверхбыстрых измерений концентрации топлива, продуктов сгорания и температуры газа в двигателях внутреннего сгорания. Такие измерения могут быть синхронизированы с углом поворота коленчатого вала и давлением в цилиндре. Частоты регистрации достигают килогерцового диапазона, что делает ICOS пригодным для анализа циклической изменчивости процессов.

Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, или TDLAS, основана на перестраиваемой диодно-лазерной абсорбционной спектроскопии. Система TDLAS для измерения температуры пламени использует поглощение водяного пара и позволяет выполнять in situ измерения температуры до 2200 °C с частотой дискретизации порядка 200 Hz.

LII-сенсор для измерения сажи

Сенсор LII-300/200 предназначен для неинвазивных и временно-разрешённых измерений параметров сажи. Он позволяет определять концентрацию частиц, удельную поверхность и первичный диаметр частиц непосредственно в потоке отходящих газов. Такая система применима для непрерывного контроля выбросов и анализа эффективности процессов окисления сажи.

Системы FlameMaster для лазерной визуализации

FlameMaster представляет собой модульную и расширяемую платформу для многопараметрических измерений в пламени. Система предназначена для in situ и online-визуализации с высоким пространственным и временным разрешением. Она обеспечивает получение количественной информации о концентрации частиц и компонентов, составе газа и температуре пламени.

FlameMaster поддерживает широкий спектр приложений, включая CH4-air flame imaging, tracer-LIF, OH-LIF с T-YAG, Rayleigh thermometry, LII для анализа сажи, Raman measurements и tunable LIF для активных радикалов. Модульная структура позволяет адаптировать систему к различным исследовательским задачам и дополнять её новыми аппаратными и программными компонентами.

Центральными элементами системы являются блок синхронизации PTU X и программная платформа DaVis. PTU X обеспечивает точное управление лазерами, камерами, усилителями изображения и внешними событиями. DaVis используется для настройки эксперимента, управления оборудованием, регистрации данных и последующей обработки изображений.

FlameMaster Raman

FlameMaster Raman предназначен для одновременного измерения концентраций основных компонентов пламени и температуры вдоль линии фокусировки. При сканировании линии через пламя возможно построение двумерных и трёхмерных распределений состава. Такой подход особенно полезен для количественного анализа состава смеси и валидации численных моделей горения.

FlameMaster OH-PLIF и Tunable LIF

Система Tunable LIF применяется для диагностики радикалов и молекул, активных в LIF, включая OH, NO, CH, CN и CO. Для этого к многофункциональной системе FlameMaster добавляется перестраиваемый dye laser. Точная настройка длины волны под выбранную молекулу выполняется под управлением DaVis. Для калибровки концентрационных LIF-сигналов используется калибровочная горелка.

Применение в технических системах горения

Оптическая диагностика применяется в широком диапазоне технических систем. В двигателях внутреннего сгорания она используется для анализа подготовки топливной смеси, температуры газа, концентрации топлива и продуктов сгорания, а также процессов воспламенения и распространения пламени. В газовых турбинах методы PLIF, PIV, IR imaging и LII применяются для исследования закрученных потоков, стабилизации пламени, смесеобразования, локального гашения и образования загрязняющих веществ.

В промышленных горелках и технических пламенах оптические методы позволяют оптимизировать режимы работы, исследовать вибрации горелок, анализировать устойчивость пламени и контролировать эффективность сгорания. В лабораторных пламенах они используются для изучения реакционной химии, проверки кинетических механизмов и валидации вычислительных моделей.

Связь оптических измерений с вычислительным моделированием

Современное моделирование горения требует экспериментальных данных высокой точности. Лазерные и оптические методы предоставляют пространственно и временно разрешённые поля, необходимые для проверки CFD-моделей, моделей турбулентного горения, химической кинетики и образования загрязняющих веществ.

Особую ценность имеют одновременные многопараметрические измерения, поскольку они позволяют сравнивать не отдельные величины, а взаимосвязанные поля скорости, состава, температуры и положения реакционной зоны. Это повышает достоверность валидации моделей и способствует разработке более эффективных и экологичных камер сгорания.