《雷射誘導螢光技術——在水體標量場測量中的套用》是關於平面雷射誘導螢光(planar laser-induced fluorescence，PLIF) 技術方面的學術專著。《雷射誘導螢光技術——在水體標量場測量中的套用》介紹了PLIF 技術測量流動參量的基本原理，建立了一套PLIF 技術測量濃度場系統，對測量系統的影響因素進行了全面分析，提出了二維數字校正理論和方法。在此基礎上，《雷射誘導螢光技術——在水體標量場測量中的套用》將PLIF 技術測量濃度場的理論和方法套用於自由紊動射流測量、紊動射流的分維測量和工程套用領域常見的橫流環境中的射流測量，介紹了作者取得的一系列初步研究成果，同時，對PLIF 技術在火焰燃燒、高速氣動力學、傳熱傳質、環境水力學等領域的套用和LIF 技術測量設備的發展進行了述評和展望，提出了3DLIF 技術測量三維濃度場和溫度場的關鍵技術。最後，介紹了研發3DLIF 技術測量三維濃度場和溫度場設備的技術方案。
基本介紹
- 書名：雷射誘導螢光技術:在水體標量場測量中的應
- 作者：黃真理
- 出版日期：2014年3月1日
- 語種：簡體中文
- 品牌：科學出版社
- 外文名：Laser-Induced Fluorescence Technique:Its Application of Aqueous Scalar Field Measurements
- 出版社：科學出版社
- 頁數：240頁
- 開本：5
基本介紹,內容簡介,作者簡介,圖書目錄,文摘,
基本介紹
內容簡介
平面雷射誘導螢光(Planar Laser-Induced Fluorescence，簡稱PLIF)技術屬於雷射光譜學診斷技術，是一種新的流動顯示和流動測量方法，是非介入式的、能實時獲得二維甚至三維空間分布信息的實驗方法。不僅可以定性揭示流動的內部結構，而且與圖象處理技術結合起來，可以進行濃度場、溫度場、壓力場以及速度場的定量測量。對解決當前火電和核電工程中的溫排水測量和水利工程中的模擬污染物測量，對開展湍流基礎研究和流體力學（水力學）教學演示具有重要價值。同時，在火焰燃燒、過程工程和化學工程領域也得到廣泛套用。《雷射誘導螢光技術——在水體標量場測量中的套用》是國內第一本PLIF技術測量濃度場的學術專著。
作者簡介
黃真理，1966 年10 月生。1993年畢業於清華大學水利系，獲工學博士學位。1993 年以來，在國務院三峽工程建設委員會辦公室從事技術與管理工作。2002 年2 月至2012 年8 月，任國務院三峽工程建設委員會辦公室水庫管理司副司長，研究員。2012 年8 月至今，任國家能源局、水利部國家水電可持續發展研究中心(中國水利水電科學研究院水電
可持續發展研究中心)主任，教授級高級工程師。在國內外學術刊物和會議發表論文60 余篇，著作和技術報告10 餘部。作為主要完成人，曾獲2005 年國家科技進步獎二等獎1996 年國家教委科技進步獎三等獎，1998 年教育部科技進步獎二等獎，2005 年教育部提名國家科技進步獎一等獎，2008 年國家廣播電影電視總局科技創新獎一等獎。
可持續發展研究中心)主任，教授級高級工程師。在國內外學術刊物和會議發表論文60 余篇，著作和技術報告10 餘部。作為主要完成人，曾獲2005 年國家科技進步獎二等獎1996 年國家教委科技進步獎三等獎，1998 年教育部科技進步獎二等獎，2005 年教育部提名國家科技進步獎一等獎，2008 年國家廣播電影電視總局科技創新獎一等獎。
圖書目錄
符號表第1章緒論................................................................... 1
1.1 螢光現象............................................................... 2
1.2 LIF 技術測量濃度場和溫度場原理..................................... 5
1.2.1 LIF 技術測量濃度場原理............................................ 5
1.2.2 LIF 技術測量溫度場原理............................................ 7
1.3 LIF 技術初期套用......................................................8
參考文獻................................................................... 11
第2章PLIF技術測量濃度場系統...........................................14
2.1 雷射器的選擇......................................................... 14
2.2 螢光物質的選擇及其光譜分析........................................ 16
2.2.1 螢光物質的選擇................................................... 16
2.2.2 螢光素鈉的激發和發射光譜分析.................................... 17
2.2.3 螢光素鈉的紫外分析............................................... 19
2.2.4 截止濾光片的選擇及其透光分析.................................... 20
2.3 PLIF 技術的光學、圖像採集和圖像處理系統......................... 22
2.3.1 光學系統......................................................... 22
2.3.2 圖像採集系統..................................................... 24
2.3.3 圖像處理系統..................................................... 24
2.4 螢光強度的影響因素分析............................................. 26
2.4.1 濃度對螢光強度的影響.............................................26
2.4.2 雷射功率對螢光強度的影響........................................ 27
2.4.3 溫度對螢光強度的影響.............................................28
2.4.4 pH 對螢光強度的影響............................................. 29
2.4.5 截止濾光片對螢光強度的影響...................................... 29
2.5 二維數字校正理論和方法............................................. 30
2.5.1 二維螢光強度分布................................................. 30
2.5.2參數Hm和f的確定.............................................. 32
2.5.3參數ε和α的確定................................................ 32
2.5.4 二維數字校正方法................................................. 34
參考文獻................................................................... 35
第3章PLIF技術測量自由紊動射流........................................ 36
3.1 射流時均濃度和瞬時濃度............................................. 37
3.2 射流脈動濃度和能譜.................................................. 39
3.3 射流濃度分布特徵.................................................... 41
3.4獲得高質量PLIF圖像的要點......................................... 43
參考文獻................................................................... 44
第4章PLIF技術測量橫流中的紊動射流................................... 45
4.1 橫流中垂向純射流的流動特徵........................................ 45
4.1.1靜止水域中“淺水”概念及隆起高度的計算...........................45
4.1.2 有橫流時流動轉變條件的確定...................................... 50
4.1.3有橫流時的“淺水”概念........................................... 54
4.1.4 小結............................................................. 55
4.2 PLIF 試驗和測量裝置.................................................55
4.2.1 水槽和模擬污染物排放系統........................................ 55
4.2.2 PLIF 系統的布置..................................................57
4.3 污染源濃度的選擇.................................................... 58
4.4 測量工況的基本參數及濃度測量結果................................. 58
4.4.1 工況I ............................................................ 59
4.4.2工況II........................................................... 64
4.4.3工況III.......................................................... 67
4.4.4工況IV.......................................................... 67
4.4.5 工況V .......................................................... 69
4.5 濃度分布特徵分析.................................................... 75
4.5.1 時均濃度與瞬時濃度的比較........................................ 75
4.5.2 馬蹄形結構、分叉現象和尾渦....................................... 75
4.5.3 單孔射流邊界和中心線.............................................76
4.5.4 單孔射流軸線..................................................... 78
4.6 小結...................................................................80
參考文獻................................................................... 80
第5章PLIF技術在湍流機理研究的套用................................... 83
5.1 引言...................................................................83
5.1.1 分形與分維概念................................................... 84
5.1.2 分形理論的意義及其在流體力學中的套用............................ 87
5.2 分維測量方法及測量軟體的檢驗...................................... 92
5.2.1 分維測量方法..................................................... 92
5.2.2 測量軟體的檢驗................................................... 94
5.2.3 分維測量的不確定性問題...........................................96
5.3 紊動射流的分維測量及分析........................................... 97
5.3.1 射流分維尺度的上、下臨界點....................................... 99
5.3.2射流分維D沿程的變化.......................................... 100
5.3.3射流分維D隨C/C0的變化...................................... 100
5.3.4 完全發展湍流的分維..............................................102
5.3.5 問題討論........................................................ 103
5.3.6 湍流分形特徵的評價..............................................105
5.4 小結和展望.......................................................... 106
參考文獻.................................................................. 108
第6章PLIF技術的現狀及展望............................................ 111
6.1 PLIF 技術的現狀和發展............................................. 111
6.1.1從LIF技術到3DLIF技術........................................111
6.1.2 傳統雷射器和片光源技術......................................... 112
6.1.3 片光源掃描方式.................................................. 117
6.1.4 雷射波長與螢光物質的匹配....................................... 118
6.1.5 PLIF 的校正技術................................................ 122
6.1.6 PLIF 技術測量速度場............................................ 122
6.2 PLIF 技術在流體測量中的廣泛套用................................. 125
6.2.1 火焰燃燒........................................................ 125
6.2.2 高速氣動力學.................................................... 128
6.2.3 傳熱傳質........................................................ 129
6.2.4 環境水力學...................................................... 130
6.3 PLIF 技術測量設備的現狀...........................................132
6.4 3DLIF 三維測量設備研發的重要性.................................. 134
6.4.1 3DLIF 技術對科學研究的重要性...................................135
6.4.2 對促進國家經濟社會發展的作用................................... 136
6.4.3 3DLIF 技術對工程建設的作用.....................................137
6.5 3DLIF 三維測量設備研發的關鍵技術................................ 138
6.5.1 總體設計與系統集成技術......................................... 138
6.5.2 大尺寸矩形均勻片光源技術....................................... 138
6.5.3 掃描運動平台設計和製造技術..................................... 140
6.5.4 圖像同步高速採集與存儲技術..................................... 141
6.5.5 標定和校正以及三維重構技術..................................... 142
6.6 與國外同類設備的比較.............................................. 143
參考文獻.................................................................. 144
第7章3DLIF技術測量三維濃度場和溫度場設備研發的技術方案......... 155
7.1 總體技術方案........................................................ 155
7.1.1 總體框架........................................................ 155
7.1.2 需求分析........................................................ 157
7.1.3 技術路線........................................................ 158
7.1.4 技術難點........................................................ 159
7.1.53DLIF技術測量濃度場(溫度場)研發設備總體技術指標............. 160
7.2 雷射器和片光源分系統.............................................. 160
7.2.1 大尺寸矩形均勻片光源關鍵技術................................... 160
7.2.2 大尺寸矩形均勻片光源解決方案................................... 162
7.3 掃描運動平台分系統................................................. 166
7.3.1 片光源掃描平台.................................................. 167
7.3.2 相機運動平台.................................................... 169
7.4 圖像採集和存儲分系統.............................................. 169
7.4.1 高速圖像採集系統................................................169
7.4.2 高速圖像存儲系統................................................171
7.4.3 UPS 不間斷電源................................................. 173
7.4.4 軟體開發........................................................ 173
7.5 同步控制分系統......................................................173
7.6 計算機和圖像處理軟體分系統....................................... 180
7.6.1 系統檢測和參數採集..............................................180
7.6.2 圖像採集........................................................ 181
7.6.3 圖像處理........................................................ 183
7.6.4三維濃度(溫度)場重建...........................................185
7.7 標定與校正分系統................................................... 193
7.7.1標定(校正)裝置................................................. 194
7.7.2 校正軟體........................................................ 197
7.8 系統集成.............................................................202
7.8.1 系統集成技術路線................................................202
7.8.2 單元集成........................................................ 203
7.8.3 總體集成與調試.................................................. 206
7.8.4 系統總體技術指標和各分系統主要技術指標.........................207
參考文獻.................................................................. 209
索引........................................................................... 210
後記........................................................................... 215
CONTENTS
Symbols Chapter 1 Introduction ...................................................... 1
1.1 Fluorescence Phenomena................................................2
1.2TheoriesofConcentrationandTemperatureMeasurementsUsingLIFTechnique .............................................................. 5
1.3 Early Applications of LIF Technique .................................... 8
References .................................................................. 11
Chapter 2 Concentration Field Measurement Setup of PLIF Technique ....................................................... 14
2.1 Choice of Laser ....................................................... 14
2.2 Choice of Fluorescence Material and Its Spectrum ..................... 16
2.3 Opitical, Image Capature and Processing Systems of PLIF Technique ............................................................. 22
2.4E.ectsonFluorescenceIntensityofFluoreceinSodiuminWater. . . . . . . 26
2.5Two-dimensionalDigitalCalibrationTheroyandMethodology. . . . . . . . . 30 References .................................................................. 35
Chapter3FreeTurbulentJetMeasurementsbyusingPLIFTechnique ....................................................... 36
3.1MeanandInstantaneousConcentrationsforTurbulentJets. . . . . . . . . . . . 37
3.2RMSConcentrationFluctuationsandEnergySpectrum................ 39
3.3ConcentrationDistributionofTurbulentJet........................... 41
3.4 Outlines of Obtaining High-quality PLIF’s Images ..................... 43
References .................................................................. 44
Chapter4ConcentrationFieldMeasurementsofTurbulentJetinCross.ow ........................................................ 45
4.1 Flow Chracteristics of Vertical Pure Jets in Cross.ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 PLIF Experimental Setup..............................................55
4.3 Choice of Initial Concentration of Fluorecent Dye ...................... 58
4.4ElementaryParametersofDi.erentFlowConditionsandConcentrationMeasurement Results .................................................. 58
4.5SpatialConcentrationDistributionsofTurbulentJets. . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.6 Conclusions............................................................80
References .................................................................. 80
Chapter5ApplicationofPLIFTechniqueonFractalDimensionMeasurementofTurbulentFlow............................. 83
5.1 Introduction ........................................................... 83
5.2Veri.cationofFractalDimensionMethodsandSoftwares. . . . . . . . . . . . . . 92
5.3FractalDimensionMeasurementsforTurbulentJets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.4 Conclusions and Outlooks ............................................ 106
References................................................................. 108
Chapter6State-of-the-ArtandFutureofPLIFTechnique............ 111
6.1RecentStatusandOutlookforPLIFTechnique....................... 111
6.2 Widely Applications of PLIF Technique on Flow Measurement ........ 125
6.3 State-of-the-Art of PLIF Apparatus .................................. 132
6.4 Signi.cance of R & D for 3DLIF Apparatus...........................134
6.5 Key Technologies of R & D for 3DLIF Apparatus ..................... 138
6.6 Comparison of 3DLIF Apparatus with Similar Wares . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 References ................................................................ 144
Chapter 7 Technical Solutions of Three Dimensional Measurement Apparatus by 3DLIF Technique ............................. 155
7.1GeneralTechnicalScheme............................................ 155
7.2 Sub-system of Laser and Laser Sheet ................................. 160
7.3 Sub-system of Scanning/Moving Platforms............................166
7.4 Sub-system of Image Acquisition and Storage ......................... 169
7.5Sub-systemofSynchronousController................................ 173
7.6Sub-systemofComputerandImageProcessingSoftware. . . . . . . . . . . . . . 180
7.7 Sub-system of Calibration and Correction.............................193
7.8 Sub-system of System Intergration .................................... 202
References................................................................. 209
Index ..........................................................................210
Afterword .................................................................... 215
1.1 螢光現象............................................................... 2
1.2 LIF 技術測量濃度場和溫度場原理..................................... 5
1.2.1 LIF 技術測量濃度場原理............................................ 5
1.2.2 LIF 技術測量溫度場原理............................................ 7
1.3 LIF 技術初期套用......................................................8
參考文獻................................................................... 11
第2章PLIF技術測量濃度場系統...........................................14
2.1 雷射器的選擇......................................................... 14
2.2 螢光物質的選擇及其光譜分析........................................ 16
2.2.1 螢光物質的選擇................................................... 16
2.2.2 螢光素鈉的激發和發射光譜分析.................................... 17
2.2.3 螢光素鈉的紫外分析............................................... 19
2.2.4 截止濾光片的選擇及其透光分析.................................... 20
2.3 PLIF 技術的光學、圖像採集和圖像處理系統......................... 22
2.3.1 光學系統......................................................... 22
2.3.2 圖像採集系統..................................................... 24
2.3.3 圖像處理系統..................................................... 24
2.4 螢光強度的影響因素分析............................................. 26
2.4.1 濃度對螢光強度的影響.............................................26
2.4.2 雷射功率對螢光強度的影響........................................ 27
2.4.3 溫度對螢光強度的影響.............................................28
2.4.4 pH 對螢光強度的影響............................................. 29
2.4.5 截止濾光片對螢光強度的影響...................................... 29
2.5 二維數字校正理論和方法............................................. 30
2.5.1 二維螢光強度分布................................................. 30
2.5.2參數Hm和f的確定.............................................. 32
2.5.3參數ε和α的確定................................................ 32
2.5.4 二維數字校正方法................................................. 34
參考文獻................................................................... 35
第3章PLIF技術測量自由紊動射流........................................ 36
3.1 射流時均濃度和瞬時濃度............................................. 37
3.2 射流脈動濃度和能譜.................................................. 39
3.3 射流濃度分布特徵.................................................... 41
3.4獲得高質量PLIF圖像的要點......................................... 43
參考文獻................................................................... 44
第4章PLIF技術測量橫流中的紊動射流................................... 45
4.1 橫流中垂向純射流的流動特徵........................................ 45
4.1.1靜止水域中“淺水”概念及隆起高度的計算...........................45
4.1.2 有橫流時流動轉變條件的確定...................................... 50
4.1.3有橫流時的“淺水”概念........................................... 54
4.1.4 小結............................................................. 55
4.2 PLIF 試驗和測量裝置.................................................55
4.2.1 水槽和模擬污染物排放系統........................................ 55
4.2.2 PLIF 系統的布置..................................................57
4.3 污染源濃度的選擇.................................................... 58
4.4 測量工況的基本參數及濃度測量結果................................. 58
4.4.1 工況I ............................................................ 59
4.4.2工況II........................................................... 64
4.4.3工況III.......................................................... 67
4.4.4工況IV.......................................................... 67
4.4.5 工況V .......................................................... 69
4.5 濃度分布特徵分析.................................................... 75
4.5.1 時均濃度與瞬時濃度的比較........................................ 75
4.5.2 馬蹄形結構、分叉現象和尾渦....................................... 75
4.5.3 單孔射流邊界和中心線.............................................76
4.5.4 單孔射流軸線..................................................... 78
4.6 小結...................................................................80
參考文獻................................................................... 80
第5章PLIF技術在湍流機理研究的套用................................... 83
5.1 引言...................................................................83
5.1.1 分形與分維概念................................................... 84
5.1.2 分形理論的意義及其在流體力學中的套用............................ 87
5.2 分維測量方法及測量軟體的檢驗...................................... 92
5.2.1 分維測量方法..................................................... 92
5.2.2 測量軟體的檢驗................................................... 94
5.2.3 分維測量的不確定性問題...........................................96
5.3 紊動射流的分維測量及分析........................................... 97
5.3.1 射流分維尺度的上、下臨界點....................................... 99
5.3.2射流分維D沿程的變化.......................................... 100
5.3.3射流分維D隨C/C0的變化...................................... 100
5.3.4 完全發展湍流的分維..............................................102
5.3.5 問題討論........................................................ 103
5.3.6 湍流分形特徵的評價..............................................105
5.4 小結和展望.......................................................... 106
參考文獻.................................................................. 108
第6章PLIF技術的現狀及展望............................................ 111
6.1 PLIF 技術的現狀和發展............................................. 111
6.1.1從LIF技術到3DLIF技術........................................111
6.1.2 傳統雷射器和片光源技術......................................... 112
6.1.3 片光源掃描方式.................................................. 117
6.1.4 雷射波長與螢光物質的匹配....................................... 118
6.1.5 PLIF 的校正技術................................................ 122
6.1.6 PLIF 技術測量速度場............................................ 122
6.2 PLIF 技術在流體測量中的廣泛套用................................. 125
6.2.1 火焰燃燒........................................................ 125
6.2.2 高速氣動力學.................................................... 128
6.2.3 傳熱傳質........................................................ 129
6.2.4 環境水力學...................................................... 130
6.3 PLIF 技術測量設備的現狀...........................................132
6.4 3DLIF 三維測量設備研發的重要性.................................. 134
6.4.1 3DLIF 技術對科學研究的重要性...................................135
6.4.2 對促進國家經濟社會發展的作用................................... 136
6.4.3 3DLIF 技術對工程建設的作用.....................................137
6.5 3DLIF 三維測量設備研發的關鍵技術................................ 138
6.5.1 總體設計與系統集成技術......................................... 138
6.5.2 大尺寸矩形均勻片光源技術....................................... 138
6.5.3 掃描運動平台設計和製造技術..................................... 140
6.5.4 圖像同步高速採集與存儲技術..................................... 141
6.5.5 標定和校正以及三維重構技術..................................... 142
6.6 與國外同類設備的比較.............................................. 143
參考文獻.................................................................. 144
第7章3DLIF技術測量三維濃度場和溫度場設備研發的技術方案......... 155
7.1 總體技術方案........................................................ 155
7.1.1 總體框架........................................................ 155
7.1.2 需求分析........................................................ 157
7.1.3 技術路線........................................................ 158
7.1.4 技術難點........................................................ 159
7.1.53DLIF技術測量濃度場(溫度場)研發設備總體技術指標............. 160
7.2 雷射器和片光源分系統.............................................. 160
7.2.1 大尺寸矩形均勻片光源關鍵技術................................... 160
7.2.2 大尺寸矩形均勻片光源解決方案................................... 162
7.3 掃描運動平台分系統................................................. 166
7.3.1 片光源掃描平台.................................................. 167
7.3.2 相機運動平台.................................................... 169
7.4 圖像採集和存儲分系統.............................................. 169
7.4.1 高速圖像採集系統................................................169
7.4.2 高速圖像存儲系統................................................171
7.4.3 UPS 不間斷電源................................................. 173
7.4.4 軟體開發........................................................ 173
7.5 同步控制分系統......................................................173
7.6 計算機和圖像處理軟體分系統....................................... 180
7.6.1 系統檢測和參數採集..............................................180
7.6.2 圖像採集........................................................ 181
7.6.3 圖像處理........................................................ 183
7.6.4三維濃度(溫度)場重建...........................................185
7.7 標定與校正分系統................................................... 193
7.7.1標定(校正)裝置................................................. 194
7.7.2 校正軟體........................................................ 197
7.8 系統集成.............................................................202
7.8.1 系統集成技術路線................................................202
7.8.2 單元集成........................................................ 203
7.8.3 總體集成與調試.................................................. 206
7.8.4 系統總體技術指標和各分系統主要技術指標.........................207
參考文獻.................................................................. 209
索引........................................................................... 210
後記........................................................................... 215
CONTENTS
Symbols Chapter 1 Introduction ...................................................... 1
1.1 Fluorescence Phenomena................................................2
1.2TheoriesofConcentrationandTemperatureMeasurementsUsingLIFTechnique .............................................................. 5
1.3 Early Applications of LIF Technique .................................... 8
References .................................................................. 11
Chapter 2 Concentration Field Measurement Setup of PLIF Technique ....................................................... 14
2.1 Choice of Laser ....................................................... 14
2.2 Choice of Fluorescence Material and Its Spectrum ..................... 16
2.3 Opitical, Image Capature and Processing Systems of PLIF Technique ............................................................. 22
2.4E.ectsonFluorescenceIntensityofFluoreceinSodiuminWater. . . . . . . 26
2.5Two-dimensionalDigitalCalibrationTheroyandMethodology. . . . . . . . . 30 References .................................................................. 35
Chapter3FreeTurbulentJetMeasurementsbyusingPLIFTechnique ....................................................... 36
3.1MeanandInstantaneousConcentrationsforTurbulentJets. . . . . . . . . . . . 37
3.2RMSConcentrationFluctuationsandEnergySpectrum................ 39
3.3ConcentrationDistributionofTurbulentJet........................... 41
3.4 Outlines of Obtaining High-quality PLIF’s Images ..................... 43
References .................................................................. 44
Chapter4ConcentrationFieldMeasurementsofTurbulentJetinCross.ow ........................................................ 45
4.1 Flow Chracteristics of Vertical Pure Jets in Cross.ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 PLIF Experimental Setup..............................................55
4.3 Choice of Initial Concentration of Fluorecent Dye ...................... 58
4.4ElementaryParametersofDi.erentFlowConditionsandConcentrationMeasurement Results .................................................. 58
4.5SpatialConcentrationDistributionsofTurbulentJets. . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.6 Conclusions............................................................80
References .................................................................. 80
Chapter5ApplicationofPLIFTechniqueonFractalDimensionMeasurementofTurbulentFlow............................. 83
5.1 Introduction ........................................................... 83
5.2Veri.cationofFractalDimensionMethodsandSoftwares. . . . . . . . . . . . . . 92
5.3FractalDimensionMeasurementsforTurbulentJets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.4 Conclusions and Outlooks ............................................ 106
References................................................................. 108
Chapter6State-of-the-ArtandFutureofPLIFTechnique............ 111
6.1RecentStatusandOutlookforPLIFTechnique....................... 111
6.2 Widely Applications of PLIF Technique on Flow Measurement ........ 125
6.3 State-of-the-Art of PLIF Apparatus .................................. 132
6.4 Signi.cance of R & D for 3DLIF Apparatus...........................134
6.5 Key Technologies of R & D for 3DLIF Apparatus ..................... 138
6.6 Comparison of 3DLIF Apparatus with Similar Wares . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 References ................................................................ 144
Chapter 7 Technical Solutions of Three Dimensional Measurement Apparatus by 3DLIF Technique ............................. 155
7.1GeneralTechnicalScheme............................................ 155
7.2 Sub-system of Laser and Laser Sheet ................................. 160
7.3 Sub-system of Scanning/Moving Platforms............................166
7.4 Sub-system of Image Acquisition and Storage ......................... 169
7.5Sub-systemofSynchronousController................................ 173
7.6Sub-systemofComputerandImageProcessingSoftware. . . . . . . . . . . . . . 180
7.7 Sub-system of Calibration and Correction.............................193
7.8 Sub-system of System Intergration .................................... 202
References................................................................. 209
Index ..........................................................................210
Afterword .................................................................... 215
文摘
第1 章緒論
在科學研究中，如果能夠直觀地對由某一物理過程產生的或與它相關聯的圖像進行觀察研究，那么，對該物理現象的理解就會更為深入。流體力學、水力學的學科發展，得益於流動顯示(觀察)技術的進步。當我們考察一個流體力學過程，如流動的分離時，這一點更為明顯。通過觀察流動圖像，人們可以得到流動整個發展過程的概念。為了辨認流體的運動，必須提供一套使流動可視化的技術，這種技術稱為流動顯示技術。在流體力學的發展過程中，層流和湍流概念的提出，激波現象、邊界層、猝發現象以及湍流邊界層中大渦結構的發現等，都藉助於流動顯示技術，它對了解流體力學問題起著十分重要的作用。然而，除了演示性外，隨著計算機和圖像處理技術的發展，許多流動顯示技術更重要的作用是能夠從所獲得的流動圖像推導出定量的數據，這種技術能夠在流動不受干擾的情況下提供整個流動的定量信息。相反，單一的流動測量儀器，如某些壓力、溫度或電導探頭以及LDV測速儀，只能提供流場中某一點的信息。另外，探頭的存在對流動會產生某種程度的影響。流動顯示技術的發展突飛猛進，方法多種多樣，總結起來，大體上可分為三類：第一類包括在流動流體中添加外來可視物的所有方法，如在液體中加入染料、在空氣中加入煙和蒸汽、作用粒子或氫氣泡示蹤測量速度等；第二類為藉助於流體密度變化的光學顯示，如光偏轉顯示法、干涉法等；第三類為附加熱和能量的流動顯示，是第一、二類方法的結合，如火花示蹤技術、雷射誘導螢光技術等。
雷射誘導螢光(laser-induced.uorescence，LIF)技術是一種新的流動顯示和流動測量方法，不僅可以定性揭示流動的內部結構，而且與圖像處理技術結合起來，可以進行濃度場、溫度場、壓力場以及速度場的定量測量[2.26]。該技術自20世紀70年代中期用於剪下層的混合流動顯示開始發展起來，已經歷了從氣體到水體，從定性到定量，從線測量到面測量等發展過程，逐步得到改進和完善。例如，多種雷射染料用於水體的流動顯示，根據誘導螢光對酸度(pH)的敏感用於化學反應流動中進行顯示，在超音速氣體流動研究中加入碘蒸氣或NO氣體可提高流動顯示的可視性等，結合雷射片光技術的發展，已廣泛套用於旋渦分離流、化學反應流、混合流和湍流基礎研究中，有效地揭示了流動的三維結構。特別是80年代以來，由於光敏元件特別是高解析度、高靈敏度的CCD(charge-coupleddevice)面陣攝像技術的異軍突起和圖像處理技術的飛速發展，使LIF技術能進行定量測量，並且測量精度不斷提高。如火焰燃燒中的溫度場測量、燃燒氣體濃度場以及非燃燒氣體的密度場和速度場的測量，所有這些都成為可能，並正進一步深入和發展。很明顯，LIF技術已成為揭示複雜流動現象和定量測量中最重要的手段之一，發展前景較為廣闊。
在水環境研究中，常遇到的一個難題是，三維濃度場(溫度場)和非恆定條件下濃度場(溫度場)的測量。過去，傳統的量測方法是點測量，這對於非恆定流動甚至周期性流動來說，往往不能獲得場的同步信息。1990年，王立新 利用示蹤染料顏色深淺與濃度的線性關係，用照相記錄結合數字圖像處理技術測量了潮汐流動中的濃度場。這種方法作為一種解決非恆定濃度場測量難題的嘗試來講具有積極的意義，但還存在著一些不足之處。一是精度低，這是因為影響測量誤差的因素較多，如膠片的性能、照片的拍攝與沖洗質量、照片數位化時背景的光強不均勻性、比色計的透光性等；二是該測量結果既不是二維的，也不是三維的，而是光線穿過顏色水體在相機底片上留下的準二維圖像(pseudo-two-dimensionalimage)，就像我們拍攝的天空中雲彩的照片一樣。在溫度場的測量中，利用熱紅外感溫原理來測量水體表面溫度，嚴格說也是準二維的。因此，實驗室內非恆定濃度場和三維濃度場的測量還遠沒有得到根本的解決。
平面LIF(planarlaser-induced.uorescene)技術，簡稱PLIF，是利用片光源作為激發光照射測量水體，激發水體中的螢光物質產生螢光，根據螢光光強與螢光物質濃度或溫度的線性關係，可以獲得二維濃度場或溫度場。
PLIF技術在水體污染物質推移擴散、液體混合過程和火焰燃燒等方面都得到了套用。本書主要針對水體流動過程中濃度場(溫度場)的測量研究，模擬水體中的污染物質擴散輸移和冷卻水的排放，對氣體、火焰燃燒過程，其螢光發生機理略有不同，但其LIF技術大同小異，關鍵技術和測量過程基本相同或相似。本書具有重要參考價值。
1.1 螢光現象
螢光(.uorescence)現象，早在16世紀就被西班牙的內科醫生和植物學家Monardes發現。17世紀，Boyle和Newton等著名科學家再次觀察到螢光，並且給予了更詳細的描述。1852年，Stokes發現螢光的波長比入射光的波長稍微長些，並且提出了“螢光”這個術語。Stokes還對螢光強度和濃度之間的關係進行了研究，描述了在高濃度時以及外來物質存在時的螢光猝滅現象。20世紀螢光現象得到了廣泛的研究和重視。如今，螢光分析方法已成為一種重要且有效的光譜化學分析手段[27.29]。每種物質分子中都具有一系列緊密相隔的能級，稱為電子能級。當物質分子吸收特徵頻率的光子以後，由基態躍遷至第一或第二激發態中各個不
圖1-1吸收光譜和螢光光譜能級躍遷示意
由螢光產生的過程可見，螢光的產生是由第一電子激發態的最低能級開始的，與螢光物質分子被激發到哪一能級無關。因此，分子螢光發射光譜的形狀與激發光的波長無關。
由於激發和發射之間存在著一定的能量損失，因此在溶液螢光光譜中存在著斯托克斯(Stokes)位移。也就是說，螢光的波長總是大於激發光的波長。後文中我們會看到，根據這一點可以利用截止濾光片將激發光和螢光分離，只檢測螢光信號，從而獲得示蹤物質濃度並提高測量精度。
產生螢光的一個必要條件是，該物質的分子要具有一定的吸收結構，去吸收激發光的能量；另一個條件是，吸收了激發光能量之後的分子必須具有高的螢光效率。螢光效率用所發出螢光的量子數和所吸收激發光的量子數的比值來計算，其高低和物質的內部結構有關，螢光多發生在具有π電子共軛體系的分子中。
從以上的簡介中可以知道，在流動測量中，我們可以通過選取合適螢光物質，並用適當波長的光源去照射它，誘發出螢光，通過測量螢光強度，獲得流動的圖像和濃度場。從螢光產生的外部條件講，需要有激發光光源。雷射是誘導螢光的理想光源，它具有方向性好、能量高度集中、光子通量大、單色性好等諸多優點。雷射的發展對螢光光譜分析產生了深刻的影響。
螢光的壽命和量子產率，是螢光物質的兩個重要發光參數。螢光的壽命定義為返回基態之前分子耽擱在激發態的平均時間，或者說，處於激發態的分子數目衰減到原來的1/e所經歷的時間。螢光的量子產率是指螢光物質吸光後所發射的螢光的光子數與所吸收的激發光的光子數之比。
為了利用LIF技術進行流動顯示和測量，我們來討論一下環境因素對螢光光譜和螢光強度的影響。
(1)流體(溶劑)的影響。螢光物質溶解在不同的流體(溶劑)中，對螢光光譜和螢光強度會產生影響。本書討論的流體為日常生活和實驗的水體，大部分來自自來水廠。一般情況下，在選定的激發光照射下，水體本身不會出現螢光。水體溶入螢光物質後，在激發光的照射下，水體出現螢光，測量螢光強度可獲得螢光物質濃度。如果由於循環用水出現螢光本底，在實驗數據的處理中應予扣除，但本底值不宜太高，否則會影響測量精度。如果在溶解了螢光物質的水體中加入酸或鹼等溶劑，那么螢光光譜和螢光強度通常會發生變化。根據螢光物質的螢光光譜和螢光強度受溶劑極性影響的性質，我們可以通過選擇加入恰當的溶劑，改變螢光光譜和螢光強度，從而得到特殊的流動顯示和測量效果。
(2)溫度的影響。在螢光光譜分析中，溫度對於螢光強度有著顯著的影響。通常，隨著溫度的降低，螢光物質溶液的螢光量子產率和螢光強度將增大。例如，螢光素鈉的乙醇溶液，在0℃以下，溫度每降低10℃，螢光量子產率約增加3%，冷卻至.80.C時，螢光量子產率接近100%。日常水體實驗的溫度條件主要受自然溫差的影響，實驗期間的變溫通常很小，因此，一般情況下，可以不考慮溫度的影響。但是，利用溫度對螢光強度的影響，我們可以選擇對溫度敏感的螢光物質，進行溫度場的測量，這在水環境模擬實驗中有著廣泛的套用前景。比如，在水環境中，我們通常需要在實驗室模擬電廠溫熱水(冷卻水)排入自然水體的過程，測量水體溫度場。
(3)pH的影響。假如螢光物質是一種弱酸或弱鹼，溶液的pH改變將對螢光強度產生很大的影響。大多數含有酸性或鹼性基團的芳香族化合物的螢光光譜，對於溶劑的pH和氫鍵能力是非常敏感的，主要原因是pH變化影響了螢光基團的電荷狀態。當pH改變時，配位比也可能改變，從而影響金屬離子有機配位體螢光配合物的螢光發射。因此，在螢光分析中要注意控制溶液的pH。
(4)螢光的熄滅。它是指螢光物質分子與溶劑分子或其他溶質分子的相互作用引起螢光強度降低的現象。當螢光物質的濃度較高時，會產生螢光強度飽和以及自熄滅現象。因此，我們採用LIF技術測量流動參量時，需要精心選取螢光溶液的濃度，使測量參量(濃度場或溫度場)線上性變化的範圍內，以簡化測量校正並提高測量精度。
1.2 LIF 技術測量濃度場和溫度場原理5
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1.2 LIF 技術測量濃度場和溫度場原理
1.2.1 LIF 技術測量濃度場原理
在測量流體中加入少量螢光物質，用適當波長的雷射照射測量流體，就會出現螢光，圖1-2是螢光素鈉的激發–發射光譜。如圖1-3所示，假設每秒每平方厘米上光強度為I0的入射光，照射到一個吸光截面積為Sa的盛有螢光物質的液池。入射光穿過y處的一層很薄的液層Δy，若該薄層所吸收的光能量為ΔI，所發射的螢光強度為F，則
F=ΦΔI(1-1)
式中，Φ為螢光效率，又稱為螢光量子產率，表示物質發射螢光的能力，主要取決於螢光物質化學結構，是指螢光物質吸光後所發射的螢光的光子數與所吸收的激發光的光子數之比，通常小於1。
圖1-2螢光素鈉溶液譜圖 圖1-3液池的雷射誘導螢光示意實線—激發譜；虛線—發射譜根據朗伯–比爾(Lambert-Beer)定律可知，在進入該薄層之前入射光的強度為SaI0exp. . ε .y C(r)dr. (ε為吸光係數；C(r)為液池中螢光物質的濃度)，而通
0 .y+Δy
過薄層Δy之後的光強度為SaI0exp. . εC(r)dr.。因此，被薄層吸收的光
0
能量為
.. .y .. .y+Δy..
ΔI=SaI0exp. ε 0 C(r)dr. exp . ε 0 C(r)dr
. .y ... .y+Δy..
=SaI0exp. ε 0 C(r)dr1. exp . ε y C(r)dr
由於ε .yy+ΔyC(r)dr數值很小，上式“{} ”部分可寫成εC(y)Δy，所以上式可
寫成. .y .
ΔI=SaI0ΔyεC(y)exp. εC(r)dr(1-2)
0
記K=SaΔyI0，將式(1-2)代入式(1-1)有
. .y .
F=KΦεC(y)exp. εC(r)dr(1-3)
0
式中，入射光強度I0、吸光截面積Sa和薄層厚度Δy是在實驗過程中可人為控制和選定的；K可以看成常數；吸光係數ε值的大小取決於吸光物質的性質、入射光波長、溶液溫度和溶劑性質等，與溶液濃度大小和液層厚度無關。
設H0=KΦε=ΦεSaΔyI0，則
. .y .
F=H0C(y)exp. εC(r)dr(1-4)
0
式中，參數H0為綜合螢光參數，表示螢光效率Φ、吸光係數ε和片光的綜合影
響；C(y)是指y處的溶液濃度；exp. . ε .0 y C(y)dr. 表示雷射光束到達y處以前
的衰減，隨著y的增大，這一項並不小。
在LIF技術中，液池中任一點的螢光強度F與濃度和路徑的關係可用式(1-4)表示。對於我們研究的流動水體，選擇恰當的雷射光源和螢光物質，當參數H0為常數，即螢光效率Φ、吸光係數ε和片光在實驗過程中不變時，利用數學圖像採集系統獲得了液池內螢光強度的分布，利用式(1-4)進行校正，就可得到液池內的濃度場，這就是LIF技術測量濃度場的理論根據。
取y =0 時的螢光強度為參考值，則
F0=H0C(0)(1-5)
故有. .y .
F = F0 exp . εC(r)dr(1-6)
0
若濃度為常數C，則F=F0exp(.εCy) (1-7)
1.2 7
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圖1-4液體中螢光素鈉的螢光強度隨濃度變化
1.2.2 LIF 技術測量溫度場原理
如前所述，有一類螢光物質，如羅丹明B，對溫度的變化十分敏感，隨著溫度的增加，它們的螢光效率Φ或吸光係數ε顯著減低。因此，我們可以選擇此類物質作為溫度敏感的螢光示蹤物質，用於溫度場測量。
如圖1-5所示，是羅丹明B在不同溫度下的激發–發射光譜。可以看出，隨著溫度增加，螢光受到抑制，強度顯著降低。用波長為532nm、強度為100mJ、片光厚度為0.5mm的綠色雷射作為激發光，將濃度為47.5× 10.3ppm(47.5μg/L)的螢光物質羅丹明B加熱到80℃，置於50mm×50mm×200mm的方形有機玻璃容器內進行冷卻，獲得螢光強度隨溫度的變化，如圖1-6所示。可以發現，羅丹明B的螢光強度隨溫度呈線性變化。
設參數H=H(T)=.k1T+k2，保持實驗過程中液池螢光物質的濃度C不變，則式(1-4)變成
F =(.k1T+k2)Cexp(.εCy) (1-8)
式中，T為溫度；k1、k2為常數；C為濃度；y為雷射通過的液池厚度。
圖1-6羅丹明B的螢光強度隨溫度線性變化
在濃度不變的條件下，式(1-8)反映了液池中任一點的螢光強度F與溫度和路徑的關係，利用該公式可以獲得溫度場，這就是LIF技術測量溫度場的原理。
1.3 LIF技術初期套用
LIF技術測量濃度場自20世紀70年代以來一直很活躍。在火焰流動方面，Crosley測量了火焰中的物質濃度和火焰溫度。Dyer和Crosley 利用PLIF技術測量了火焰的OH濃度場，並指出片光光強不均勻性明顯，光強峰值是平均值的1.5倍之多，但未能進行校正。Kychako.等[15,16]進行了燃燒氣體的OH濃度測量，片光光強不均勻通過編制的軟體進行校正。沿光程方向由於吸收較小，螢光強度的沿程變化可以忽略，故未進行校正。Cruyningen、Lozano和Hanson等以雙乙醯(biacetyl)為示蹤物，波長為351nm的雷射通過稜柱鏡形成50cm寬、600μm
1.3 LIF技術初期套用9
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厚的片光，研究了氣體紊動射流的濃度場，簡單介紹了修正PLIF圖像的程式和方法，並給出了最後處理出來的紊動射流濃度的瞬時、時均、脈動和耗散圖像。另外，法國的Desgroux等 用雙光束系統測量了高壓情況下火焰的OH濃度。
水體測量使用LIF技術，最早是1977年Dewey、Owen和Liu等進行的開創性工作。以後，Johnson和Bennett、Daham和Dimotakis等進行濃度場的定量測量。Koochesfahani和Dimotakis 將LIF和高速、實時圖像採集技術結合起來進行水體混合剪下層的濃度場測量，發現了一些與氣體不同的特性。試驗中使用美國相干公司(CoherentInc.)生產的3W(瓦)Ar+ 雷射器所發射的雷射光束(laserbeam)，未採用片光(athinsheetoflaser)，屬於一維測量，試驗結果進行了光束衰減校正。為防止散射光的影響，使用橙黃色(orange)濾光片。Dimotakis是加州理工學院的教授，Koochesfahani和Daham都是他的學生，他們發表了一系列關於LIF技術的論文。Walker和Tiederman 對有聚合物注入的紊動明渠流動進行一維時均和脈動濃度的測量並進行了校正。Brungart 等對紊流邊界層中小孔注入物質的濃度進行了一維修正測量，試驗結果與前人試驗值吻合較好。
耶魯大學的Prasad和Sreenivasan 利用PLIF技術獲得的瞬時圖像測量湍流分維，取得了一系列有影響的成果。其中，他們對獲得的湍流圖像進行了校正。其校正方法是：先獲取一幅均勻濃度的螢光圖像，然後再進行射流測量，利用下式獲得校正圖像，即射流圖像. 噪聲
校正圖像= 均勻濃度圖像. 噪聲(1-9)
顯然，這種校正方法同時考慮了片光光強不均勻和片光沿光程的衰減，但獲得的校正圖像的濃度場只是相對量，而不是絕對量。
康奈爾大學的Chen和Jirka 為了模擬淺水中圓柱尾流的污染混合，利用PLIF技術進行了濃度場測量。但未見對片光不均勻和片光沿程衰減進行校正的報導。北京航空航天大學的申功炘等[23,24]開展了PLIF技術空間流動顯示及測量水體中射流濃度場的研究，這是中國較早開展PLIF技術在水體中套用的成果，但沒有對片光不均勻和片光沿光程的衰減進行校正。
在液體中套用LIF技術測量濃度場已經有了一些嘗試，並取得了一些成果。存在的不足和難點主要是：很多工作還停留在一維測量及其校正上。一些採用片光進行平面二維測量的，未同時考慮片光光強分布的不均勻和沿程的衰減。
在LIF技術測量濃度場系統中，螢光圖像的採集系統是影響測量精度的主要因素。過去，採集螢光主要用光電二極體面陣攝像機(photodiodearraycamera)和光導攝像管攝像機(vidiconcamera)。使用這兩種攝像機常需要對圖像進行增強，以便減少攝像機噪聲和有效地檢測弱螢光信號。因此，攝像機的空間解析度和動態範圍需要提高。Paul等 進行了嘗試，他們基於低溫冷卻CCD技術獲得了一套高解析度和大動態範圍的攝像系統。
雖然LIF技術測量濃度場已經取得了一些成果，但很少有人對螢光強度的影響因素進行詳細而全面的分析，少量文獻注意到了螢光的飽和問題。Walker 對緩衝溶液(bu.ersolution)中螢光素鈉的螢光特性進行了研究，分析了雷射功率、濃度、pH、溫度對螢光強度的影響，但沒有與數字圖像處理技術結合起來。試驗中，緩衝溶液pH為9，屬鹼性。由於通常的流動試驗是用普通自來水運行，不是蒸餾水，更不是鹼性緩衝溶液。因此，與數字圖像處理技術結合起來，研究普通自來水中螢光物質的螢光特性更具有意義。
北京航空航天大學申功炘等較早開展了PLIF技術空間流動顯示及測量水體中射流濃度場的研究，但沒有對片光不均勻和片光沿光程的衰減進行校正。本書作者黃真理1989～1993年在清華大學攻讀博士學位期間，開展了PLIF技術測量濃度場的研究，對PLIF技術的光學系統、圖像採集系統和圖像處理系統進行了比較全面的探討，建立了一套可以用於實驗室水槽的PLIF技術測量三維濃度場的硬體和軟體系統，提出了二維數字校正技術，解決了片光源的不均勻問題，首次獲得了恆定環境下的流動三維濃度場。同時，作者還結合分形理論開展了湍流分維測量和湍流機理研究，取得豐富成果[33.41]。以後，我國學者在此基礎上主要開展套用研究，在測量技術方面，尚沒有根本性的改進，也沒有形成完善、方便和實用的測量裝備。
平面雷射誘導螢光(PLIF)技術屬於雷射光譜學診斷技術，是實驗室環境下非介入式的、能實時獲得二維甚至三維空間分布信息的實驗技術，是一種新的流動顯示和流動測量方法。這種技術不僅可以定性揭示流動的內部結構，而且與圖像處理技術結合起來，可以進行濃度場、溫度場、壓力場以及速度場的定量測量，對解決當前火電和核電工程中的溫排水測量和水利工程中的模擬污染物測量，對開展湍流基礎研究和流體力學(水力學)教學演示具有重要價值。同時，在火焰燃燒、過程工程和化學工程領域也得到廣泛套用。
本書作者剛開始接觸PLIF技術時，圖像處理技術在流體力學和水力學中的套用方興未艾，國外學者也正好從一維測量轉向二維測量，並試圖套用這一新技術開展湍流基礎研究和工程套用。在湍流基礎研究方面，主要是利用分形理論和子波變換測量湍流分維和分析湍流瞬時圖像，發現湍流結構的新規律。在工程套用方面，主要是用於解決諸如污水排放、溫熱水排放的實驗室模擬測量等方面具有工程套用背景的實驗研究。本書作者在國內較早從事PLIF技術測量水體濃度場，套用PLIF技術在湍流基礎研究和工程套用兩個方面都開展了相應工作。因此，為方便寫作，本書重點介紹作者在PLIF技術的研發和套用方面取得的系統性初步成果，並以此為主線，全面介紹PLIF技術在水體測量中的發展和套用，以及未來的前景和方向。
在科學研究中，如果能夠直觀地對由某一物理過程產生的或與它相關聯的圖像進行觀察研究，那么，對該物理現象的理解就會更為深入。流體力學、水力學的學科發展，得益於流動顯示(觀察)技術的進步。當我們考察一個流體力學過程，如流動的分離時，這一點更為明顯。通過觀察流動圖像，人們可以得到流動整個發展過程的概念。為了辨認流體的運動，必須提供一套使流動可視化的技術，這種技術稱為流動顯示技術。在流體力學的發展過程中，層流和湍流概念的提出，激波現象、邊界層、猝發現象以及湍流邊界層中大渦結構的發現等，都藉助於流動顯示技術，它對了解流體力學問題起著十分重要的作用。然而，除了演示性外，隨著計算機和圖像處理技術的發展，許多流動顯示技術更重要的作用是能夠從所獲得的流動圖像推導出定量的數據，這種技術能夠在流動不受干擾的情況下提供整個流動的定量信息。相反，單一的流動測量儀器，如某些壓力、溫度或電導探頭以及LDV測速儀，只能提供流場中某一點的信息。另外，探頭的存在對流動會產生某種程度的影響。流動顯示技術的發展突飛猛進，方法多種多樣，總結起來，大體上可分為三類：第一類包括在流動流體中添加外來可視物的所有方法，如在液體中加入染料、在空氣中加入煙和蒸汽、作用粒子或氫氣泡示蹤測量速度等；第二類為藉助於流體密度變化的光學顯示，如光偏轉顯示法、干涉法等；第三類為附加熱和能量的流動顯示，是第一、二類方法的結合，如火花示蹤技術、雷射誘導螢光技術等。
雷射誘導螢光(laser-induced.uorescence，LIF)技術是一種新的流動顯示和流動測量方法，不僅可以定性揭示流動的內部結構，而且與圖像處理技術結合起來，可以進行濃度場、溫度場、壓力場以及速度場的定量測量[2.26]。該技術自20世紀70年代中期用於剪下層的混合流動顯示開始發展起來，已經歷了從氣體到水體，從定性到定量，從線測量到面測量等發展過程，逐步得到改進和完善。例如，多種雷射染料用於水體的流動顯示，根據誘導螢光對酸度(pH)的敏感用於化學反應流動中進行顯示，在超音速氣體流動研究中加入碘蒸氣或NO氣體可提高流動顯示的可視性等，結合雷射片光技術的發展，已廣泛套用於旋渦分離流、化學反應流、混合流和湍流基礎研究中，有效地揭示了流動的三維結構。特別是80年代以來，由於光敏元件特別是高解析度、高靈敏度的CCD(charge-coupleddevice)面陣攝像技術的異軍突起和圖像處理技術的飛速發展，使LIF技術能進行定量測量，並且測量精度不斷提高。如火焰燃燒中的溫度場測量、燃燒氣體濃度場以及非燃燒氣體的密度場和速度場的測量，所有這些都成為可能，並正進一步深入和發展。很明顯，LIF技術已成為揭示複雜流動現象和定量測量中最重要的手段之一，發展前景較為廣闊。
在水環境研究中，常遇到的一個難題是，三維濃度場(溫度場)和非恆定條件下濃度場(溫度場)的測量。過去，傳統的量測方法是點測量，這對於非恆定流動甚至周期性流動來說，往往不能獲得場的同步信息。1990年，王立新 利用示蹤染料顏色深淺與濃度的線性關係，用照相記錄結合數字圖像處理技術測量了潮汐流動中的濃度場。這種方法作為一種解決非恆定濃度場測量難題的嘗試來講具有積極的意義，但還存在著一些不足之處。一是精度低，這是因為影響測量誤差的因素較多，如膠片的性能、照片的拍攝與沖洗質量、照片數位化時背景的光強不均勻性、比色計的透光性等；二是該測量結果既不是二維的，也不是三維的，而是光線穿過顏色水體在相機底片上留下的準二維圖像(pseudo-two-dimensionalimage)，就像我們拍攝的天空中雲彩的照片一樣。在溫度場的測量中，利用熱紅外感溫原理來測量水體表面溫度，嚴格說也是準二維的。因此，實驗室內非恆定濃度場和三維濃度場的測量還遠沒有得到根本的解決。
平面LIF(planarlaser-induced.uorescene)技術，簡稱PLIF，是利用片光源作為激發光照射測量水體，激發水體中的螢光物質產生螢光，根據螢光光強與螢光物質濃度或溫度的線性關係，可以獲得二維濃度場或溫度場。
PLIF技術在水體污染物質推移擴散、液體混合過程和火焰燃燒等方面都得到了套用。本書主要針對水體流動過程中濃度場(溫度場)的測量研究，模擬水體中的污染物質擴散輸移和冷卻水的排放，對氣體、火焰燃燒過程，其螢光發生機理略有不同，但其LIF技術大同小異，關鍵技術和測量過程基本相同或相似。本書具有重要參考價值。
1.1 螢光現象
螢光(.uorescence)現象，早在16世紀就被西班牙的內科醫生和植物學家Monardes發現。17世紀，Boyle和Newton等著名科學家再次觀察到螢光，並且給予了更詳細的描述。1852年，Stokes發現螢光的波長比入射光的波長稍微長些，並且提出了“螢光”這個術語。Stokes還對螢光強度和濃度之間的關係進行了研究，描述了在高濃度時以及外來物質存在時的螢光猝滅現象。20世紀螢光現象得到了廣泛的研究和重視。如今，螢光分析方法已成為一種重要且有效的光譜化學分析手段[27.29]。每種物質分子中都具有一系列緊密相隔的能級，稱為電子能級。當物質分子吸收特徵頻率的光子以後，由基態躍遷至第一或第二激發態中各個不
圖1-1吸收光譜和螢光光譜能級躍遷示意
由螢光產生的過程可見，螢光的產生是由第一電子激發態的最低能級開始的，與螢光物質分子被激發到哪一能級無關。因此，分子螢光發射光譜的形狀與激發光的波長無關。
由於激發和發射之間存在著一定的能量損失，因此在溶液螢光光譜中存在著斯托克斯(Stokes)位移。也就是說，螢光的波長總是大於激發光的波長。後文中我們會看到，根據這一點可以利用截止濾光片將激發光和螢光分離，只檢測螢光信號，從而獲得示蹤物質濃度並提高測量精度。
產生螢光的一個必要條件是，該物質的分子要具有一定的吸收結構，去吸收激發光的能量；另一個條件是，吸收了激發光能量之後的分子必須具有高的螢光效率。螢光效率用所發出螢光的量子數和所吸收激發光的量子數的比值來計算，其高低和物質的內部結構有關，螢光多發生在具有π電子共軛體系的分子中。
從以上的簡介中可以知道，在流動測量中，我們可以通過選取合適螢光物質，並用適當波長的光源去照射它，誘發出螢光，通過測量螢光強度，獲得流動的圖像和濃度場。從螢光產生的外部條件講，需要有激發光光源。雷射是誘導螢光的理想光源，它具有方向性好、能量高度集中、光子通量大、單色性好等諸多優點。雷射的發展對螢光光譜分析產生了深刻的影響。
螢光的壽命和量子產率，是螢光物質的兩個重要發光參數。螢光的壽命定義為返回基態之前分子耽擱在激發態的平均時間，或者說，處於激發態的分子數目衰減到原來的1/e所經歷的時間。螢光的量子產率是指螢光物質吸光後所發射的螢光的光子數與所吸收的激發光的光子數之比。
為了利用LIF技術進行流動顯示和測量，我們來討論一下環境因素對螢光光譜和螢光強度的影響。
(1)流體(溶劑)的影響。螢光物質溶解在不同的流體(溶劑)中，對螢光光譜和螢光強度會產生影響。本書討論的流體為日常生活和實驗的水體，大部分來自自來水廠。一般情況下，在選定的激發光照射下，水體本身不會出現螢光。水體溶入螢光物質後，在激發光的照射下，水體出現螢光，測量螢光強度可獲得螢光物質濃度。如果由於循環用水出現螢光本底，在實驗數據的處理中應予扣除，但本底值不宜太高，否則會影響測量精度。如果在溶解了螢光物質的水體中加入酸或鹼等溶劑，那么螢光光譜和螢光強度通常會發生變化。根據螢光物質的螢光光譜和螢光強度受溶劑極性影響的性質，我們可以通過選擇加入恰當的溶劑，改變螢光光譜和螢光強度，從而得到特殊的流動顯示和測量效果。
(2)溫度的影響。在螢光光譜分析中，溫度對於螢光強度有著顯著的影響。通常，隨著溫度的降低，螢光物質溶液的螢光量子產率和螢光強度將增大。例如，螢光素鈉的乙醇溶液，在0℃以下，溫度每降低10℃，螢光量子產率約增加3%，冷卻至.80.C時，螢光量子產率接近100%。日常水體實驗的溫度條件主要受自然溫差的影響，實驗期間的變溫通常很小，因此，一般情況下，可以不考慮溫度的影響。但是，利用溫度對螢光強度的影響，我們可以選擇對溫度敏感的螢光物質，進行溫度場的測量，這在水環境模擬實驗中有著廣泛的套用前景。比如，在水環境中，我們通常需要在實驗室模擬電廠溫熱水(冷卻水)排入自然水體的過程，測量水體溫度場。
(3)pH的影響。假如螢光物質是一種弱酸或弱鹼，溶液的pH改變將對螢光強度產生很大的影響。大多數含有酸性或鹼性基團的芳香族化合物的螢光光譜，對於溶劑的pH和氫鍵能力是非常敏感的，主要原因是pH變化影響了螢光基團的電荷狀態。當pH改變時，配位比也可能改變，從而影響金屬離子有機配位體螢光配合物的螢光發射。因此，在螢光分析中要注意控制溶液的pH。
(4)螢光的熄滅。它是指螢光物質分子與溶劑分子或其他溶質分子的相互作用引起螢光強度降低的現象。當螢光物質的濃度較高時，會產生螢光強度飽和以及自熄滅現象。因此，我們採用LIF技術測量流動參量時，需要精心選取螢光溶液的濃度，使測量參量(濃度場或溫度場)線上性變化的範圍內，以簡化測量校正並提高測量精度。
1.2 LIF 技術測量濃度場和溫度場原理5
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1.2 LIF 技術測量濃度場和溫度場原理
1.2.1 LIF 技術測量濃度場原理
在測量流體中加入少量螢光物質，用適當波長的雷射照射測量流體，就會出現螢光，圖1-2是螢光素鈉的激發–發射光譜。如圖1-3所示，假設每秒每平方厘米上光強度為I0的入射光，照射到一個吸光截面積為Sa的盛有螢光物質的液池。入射光穿過y處的一層很薄的液層Δy，若該薄層所吸收的光能量為ΔI，所發射的螢光強度為F，則
F=ΦΔI(1-1)
式中，Φ為螢光效率，又稱為螢光量子產率，表示物質發射螢光的能力，主要取決於螢光物質化學結構，是指螢光物質吸光後所發射的螢光的光子數與所吸收的激發光的光子數之比，通常小於1。
圖1-2螢光素鈉溶液譜圖 圖1-3液池的雷射誘導螢光示意實線—激發譜；虛線—發射譜根據朗伯–比爾(Lambert-Beer)定律可知，在進入該薄層之前入射光的強度為SaI0exp. . ε .y C(r)dr. (ε為吸光係數；C(r)為液池中螢光物質的濃度)，而通
0 .y+Δy
過薄層Δy之後的光強度為SaI0exp. . εC(r)dr.。因此，被薄層吸收的光
0
能量為
.. .y .. .y+Δy..
ΔI=SaI0exp. ε 0 C(r)dr. exp . ε 0 C(r)dr
. .y ... .y+Δy..
=SaI0exp. ε 0 C(r)dr1. exp . ε y C(r)dr
由於ε .yy+ΔyC(r)dr數值很小，上式“{} ”部分可寫成εC(y)Δy，所以上式可
寫成. .y .
ΔI=SaI0ΔyεC(y)exp. εC(r)dr(1-2)
0
記K=SaΔyI0，將式(1-2)代入式(1-1)有
. .y .
F=KΦεC(y)exp. εC(r)dr(1-3)
0
式中，入射光強度I0、吸光截面積Sa和薄層厚度Δy是在實驗過程中可人為控制和選定的；K可以看成常數；吸光係數ε值的大小取決於吸光物質的性質、入射光波長、溶液溫度和溶劑性質等，與溶液濃度大小和液層厚度無關。
設H0=KΦε=ΦεSaΔyI0，則
. .y .
F=H0C(y)exp. εC(r)dr(1-4)
0
式中，參數H0為綜合螢光參數，表示螢光效率Φ、吸光係數ε和片光的綜合影
響；C(y)是指y處的溶液濃度；exp. . ε .0 y C(y)dr. 表示雷射光束到達y處以前
的衰減，隨著y的增大，這一項並不小。
在LIF技術中，液池中任一點的螢光強度F與濃度和路徑的關係可用式(1-4)表示。對於我們研究的流動水體，選擇恰當的雷射光源和螢光物質，當參數H0為常數，即螢光效率Φ、吸光係數ε和片光在實驗過程中不變時，利用數學圖像採集系統獲得了液池內螢光強度的分布，利用式(1-4)進行校正，就可得到液池內的濃度場，這就是LIF技術測量濃度場的理論根據。
取y =0 時的螢光強度為參考值，則
F0=H0C(0)(1-5)
故有. .y .
F = F0 exp . εC(r)dr(1-6)
0
若濃度為常數C，則F=F0exp(.εCy) (1-7)
1.2 7
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圖1-4液體中螢光素鈉的螢光強度隨濃度變化
1.2.2 LIF 技術測量溫度場原理
如前所述，有一類螢光物質，如羅丹明B，對溫度的變化十分敏感，隨著溫度的增加，它們的螢光效率Φ或吸光係數ε顯著減低。因此，我們可以選擇此類物質作為溫度敏感的螢光示蹤物質，用於溫度場測量。
如圖1-5所示，是羅丹明B在不同溫度下的激發–發射光譜。可以看出，隨著溫度增加，螢光受到抑制，強度顯著降低。用波長為532nm、強度為100mJ、片光厚度為0.5mm的綠色雷射作為激發光，將濃度為47.5× 10.3ppm(47.5μg/L)的螢光物質羅丹明B加熱到80℃，置於50mm×50mm×200mm的方形有機玻璃容器內進行冷卻，獲得螢光強度隨溫度的變化，如圖1-6所示。可以發現，羅丹明B的螢光強度隨溫度呈線性變化。
設參數H=H(T)=.k1T+k2，保持實驗過程中液池螢光物質的濃度C不變，則式(1-4)變成
F =(.k1T+k2)Cexp(.εCy) (1-8)
式中，T為溫度；k1、k2為常數；C為濃度；y為雷射通過的液池厚度。
圖1-6羅丹明B的螢光強度隨溫度線性變化
在濃度不變的條件下，式(1-8)反映了液池中任一點的螢光強度F與溫度和路徑的關係，利用該公式可以獲得溫度場，這就是LIF技術測量溫度場的原理。
1.3 LIF技術初期套用
LIF技術測量濃度場自20世紀70年代以來一直很活躍。在火焰流動方面，Crosley測量了火焰中的物質濃度和火焰溫度。Dyer和Crosley 利用PLIF技術測量了火焰的OH濃度場，並指出片光光強不均勻性明顯，光強峰值是平均值的1.5倍之多，但未能進行校正。Kychako.等[15,16]進行了燃燒氣體的OH濃度測量，片光光強不均勻通過編制的軟體進行校正。沿光程方向由於吸收較小，螢光強度的沿程變化可以忽略，故未進行校正。Cruyningen、Lozano和Hanson等以雙乙醯(biacetyl)為示蹤物，波長為351nm的雷射通過稜柱鏡形成50cm寬、600μm
1.3 LIF技術初期套用9
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厚的片光，研究了氣體紊動射流的濃度場，簡單介紹了修正PLIF圖像的程式和方法，並給出了最後處理出來的紊動射流濃度的瞬時、時均、脈動和耗散圖像。另外，法國的Desgroux等 用雙光束系統測量了高壓情況下火焰的OH濃度。
水體測量使用LIF技術，最早是1977年Dewey、Owen和Liu等進行的開創性工作。以後，Johnson和Bennett、Daham和Dimotakis等進行濃度場的定量測量。Koochesfahani和Dimotakis 將LIF和高速、實時圖像採集技術結合起來進行水體混合剪下層的濃度場測量，發現了一些與氣體不同的特性。試驗中使用美國相干公司(CoherentInc.)生產的3W(瓦)Ar+ 雷射器所發射的雷射光束(laserbeam)，未採用片光(athinsheetoflaser)，屬於一維測量，試驗結果進行了光束衰減校正。為防止散射光的影響，使用橙黃色(orange)濾光片。Dimotakis是加州理工學院的教授，Koochesfahani和Daham都是他的學生，他們發表了一系列關於LIF技術的論文。Walker和Tiederman 對有聚合物注入的紊動明渠流動進行一維時均和脈動濃度的測量並進行了校正。Brungart 等對紊流邊界層中小孔注入物質的濃度進行了一維修正測量，試驗結果與前人試驗值吻合較好。
耶魯大學的Prasad和Sreenivasan 利用PLIF技術獲得的瞬時圖像測量湍流分維，取得了一系列有影響的成果。其中，他們對獲得的湍流圖像進行了校正。其校正方法是：先獲取一幅均勻濃度的螢光圖像，然後再進行射流測量，利用下式獲得校正圖像，即射流圖像. 噪聲
校正圖像= 均勻濃度圖像. 噪聲(1-9)
顯然，這種校正方法同時考慮了片光光強不均勻和片光沿光程的衰減，但獲得的校正圖像的濃度場只是相對量，而不是絕對量。
康奈爾大學的Chen和Jirka 為了模擬淺水中圓柱尾流的污染混合，利用PLIF技術進行了濃度場測量。但未見對片光不均勻和片光沿程衰減進行校正的報導。北京航空航天大學的申功炘等[23,24]開展了PLIF技術空間流動顯示及測量水體中射流濃度場的研究，這是中國較早開展PLIF技術在水體中套用的成果，但沒有對片光不均勻和片光沿光程的衰減進行校正。
在液體中套用LIF技術測量濃度場已經有了一些嘗試，並取得了一些成果。存在的不足和難點主要是：很多工作還停留在一維測量及其校正上。一些採用片光進行平面二維測量的，未同時考慮片光光強分布的不均勻和沿程的衰減。
在LIF技術測量濃度場系統中，螢光圖像的採集系統是影響測量精度的主要因素。過去，採集螢光主要用光電二極體面陣攝像機(photodiodearraycamera)和光導攝像管攝像機(vidiconcamera)。使用這兩種攝像機常需要對圖像進行增強，以便減少攝像機噪聲和有效地檢測弱螢光信號。因此，攝像機的空間解析度和動態範圍需要提高。Paul等 進行了嘗試，他們基於低溫冷卻CCD技術獲得了一套高解析度和大動態範圍的攝像系統。
雖然LIF技術測量濃度場已經取得了一些成果，但很少有人對螢光強度的影響因素進行詳細而全面的分析，少量文獻注意到了螢光的飽和問題。Walker 對緩衝溶液(bu.ersolution)中螢光素鈉的螢光特性進行了研究，分析了雷射功率、濃度、pH、溫度對螢光強度的影響，但沒有與數字圖像處理技術結合起來。試驗中，緩衝溶液pH為9，屬鹼性。由於通常的流動試驗是用普通自來水運行，不是蒸餾水，更不是鹼性緩衝溶液。因此，與數字圖像處理技術結合起來，研究普通自來水中螢光物質的螢光特性更具有意義。
北京航空航天大學申功炘等較早開展了PLIF技術空間流動顯示及測量水體中射流濃度場的研究，但沒有對片光不均勻和片光沿光程的衰減進行校正。本書作者黃真理1989～1993年在清華大學攻讀博士學位期間，開展了PLIF技術測量濃度場的研究，對PLIF技術的光學系統、圖像採集系統和圖像處理系統進行了比較全面的探討，建立了一套可以用於實驗室水槽的PLIF技術測量三維濃度場的硬體和軟體系統，提出了二維數字校正技術，解決了片光源的不均勻問題，首次獲得了恆定環境下的流動三維濃度場。同時，作者還結合分形理論開展了湍流分維測量和湍流機理研究，取得豐富成果[33.41]。以後，我國學者在此基礎上主要開展套用研究，在測量技術方面，尚沒有根本性的改進，也沒有形成完善、方便和實用的測量裝備。
平面雷射誘導螢光(PLIF)技術屬於雷射光譜學診斷技術，是實驗室環境下非介入式的、能實時獲得二維甚至三維空間分布信息的實驗技術，是一種新的流動顯示和流動測量方法。這種技術不僅可以定性揭示流動的內部結構，而且與圖像處理技術結合起來，可以進行濃度場、溫度場、壓力場以及速度場的定量測量，對解決當前火電和核電工程中的溫排水測量和水利工程中的模擬污染物測量，對開展湍流基礎研究和流體力學(水力學)教學演示具有重要價值。同時，在火焰燃燒、過程工程和化學工程領域也得到廣泛套用。
本書作者剛開始接觸PLIF技術時，圖像處理技術在流體力學和水力學中的套用方興未艾，國外學者也正好從一維測量轉向二維測量，並試圖套用這一新技術開展湍流基礎研究和工程套用。在湍流基礎研究方面，主要是利用分形理論和子波變換測量湍流分維和分析湍流瞬時圖像，發現湍流結構的新規律。在工程套用方面，主要是用於解決諸如污水排放、溫熱水排放的實驗室模擬測量等方面具有工程套用背景的實驗研究。本書作者在國內較早從事PLIF技術測量水體濃度場，套用PLIF技術在湍流基礎研究和工程套用兩個方面都開展了相應工作。因此，為方便寫作，本書重點介紹作者在PLIF技術的研發和套用方面取得的系統性初步成果，並以此為主線，全面介紹PLIF技術在水體測量中的發展和套用，以及未來的前景和方向。
