超短脉冲激光激励的分子标记高焓流动速度和非平衡温度测量方法研究

In order to fully understand a complex fluid flow with large velocity gradient (typical boundary layer flow, etc.), accurate measurements under experimental conditions are absolutely necessary. A new scheme is presented, which can be used to overcome the lack of quantitative measurement technology in the high enthalpy non-equilibrium flow. The high concentration long life tagging tracer in the air is formed through photo-induced ionization, dissociation and recombination by an ultra-short pulse laser. Imaged by planar laser-induced fluorescence and consequent spectra feature of the tagging tracer, the velocity distribution and non-equilibrium temperature ( vibrational temperature and rotational temperature) is quantitatively determined. The formation mechanism of tagging component by laser excitation in different pressure is studied. The relaxation process of tracer molecular involving non-equilibrium temperature measurement and the characteristics of fluorescence excitation spectra in high temperature are explored. Furthermore, feasibility of measurement for the high enthalpy flow field around a typical model is practiced. The diagnostics with high sensitivity, non-intrusive, high spatial and temporal resolution of temperature and velocity measurement methods will overcome technical shortage of temperature and velocity measurements in a high enthalpy boundary layer flow.

针对高焓非平衡流动，尤其是存在大速度梯度流动状态（典型的如边界层流动），发展一种新的速度和非平衡温度（振动温度、转动温度）测量方法。其原理是：利用超短脉冲激光，在不对流动产生显著干扰的前提下，通过注入的激光能量，对特定组分进行光解离，影响空气组分的反应历程，通过解离复合等一系列级联过程，形成高浓度长寿命的示踪组分。利用平面激光诱导荧光技术，显示示踪组分的空间位置及荧光谱特征，确定流动速度和非平衡温度。研究不同压强下短脉冲激光激励示踪组分的生成机制、探索涉及非平衡温度测量的示踪分子内态弛豫过程和高温荧光激发光谱特征等，开展典型模型流场测量实践的适用性研究，形成高灵敏度、非接触性、高时空分辨率的非平衡温度和速度测量方法，克服边界层非平衡温度和速度测量技术匮乏的难题。

针对高焓非平衡流动，尤其是存在大速度梯度流动状态（典型的如边界层流动），发展一种新的速度和非平衡温度（振动温度、转动温度）测量方法。其原理是：利用超短脉冲激光， 在不对流动产生显著干扰的前提下，通过注入的激光能量，对特定组分进行光解离，影响空气 组分的反应历程，通过解离复合等一系列级联过程，形成高浓度长寿命的示踪组分。利用平面激光诱导荧光技术，显示示踪组分的空间位置及荧光谱特征，确定流动速度和非平衡温度。研究不同压强下短脉冲激光激励示踪组分的生成机制、探索涉及非平衡温度测量的示踪分子内态 弛豫过程和高温荧光激发光谱特征等，开展典型模型流场测量实践的适用性研究，形成高灵敏度、非接触性、高时空分辨率的非平衡温度和速度测量方法，克服边界层非平衡温度和速度测量技术匮乏的难题。应用于JF-10激波风洞的LIF测量系统已经得到完善。本测量系统使用了两台染料激光器。确立了激发光束的设置，滤光策略等实现LIF测量的关键技术。本系统实现了对重要实验参数的监测。F-P腔的加入提高了对低温谱线波长监测的精度，实现在0.2pm的精度下校正染料激光波长。激光参数的测量、NO激发谱线的确认均可实现。在流场温度的测量工作中，共使用了4组不同的NO激发谱线组合对温度进行测量，这些实验显示的自由流温度有很好的一致性。实验显示，测试工况下JF-10自由流中NO组分的转动温度为约为600K，估算测量误差在10%以内，继而可认为自由流中的平转温度为600K。通过激光诱导荧光对流场分子进行标记，使用MTV方法测量流场速度。