实验室科 第23卷第2期2020年4月 CNI2-1352/N LABORATORY SCIENCE Vol 23 No. 2 Apr 2020 分子标定测温技术研究进展 焦明顺,陈苗苗',杨志刚2,胡晖3,金哲岩1 1.同济大学航空航夭与力学学院,上海2000;-2.上海地面交通工具风洞中心,上海 01804;3.美国爱荷华州立大学航空工程系,埃姆斯50011) 摘要:Hu和 Koochesfahani在2003年提出了一种基于磷光寿命的新型分子标定测温技术, 因其在测温领域所具有的优越性,近年来越来越广泛应用于流体温度的测量中。首先介绍了 分子标定测温技术的工作原理,然后阐述了分子标定测温技术在绕流流场、微通道、水滴结 冰,以及喷雾等研究方向上的具体应用,最后分析讨论了分子标定测温技术的优缺点以及待 解决的一些问题,并对其今后的发展进行了展望 关键词:温度测量;分子标定;磷光分子示踪剂;磷光寿命 中图分类号:G482文献标识码:Adoi:10.3969/isn.1672-4305.2020.02.001 Review of the progress of molecular tagging thermometry technique JIAO Mingshun, CHEN Miaomiao, YANG Zhigang, HU Hui, Jin Zheyan (1. School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092 China; 2. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Shanghai 201804, China; 3. Department of Aerospace Engineering, lowa State University, Ames IA 50011, USA) Abstract: In 2003, Hu and Koochesfahani developed a phosphorescence lifetime-based temperature measurement technique, namely Molecular Tagging Thermometry. It has drawn much attention in re- cent years due to its superiority in the field of thermometry. This review presents the operating princi- ples of Molecular Tagging Thermometry, summarizes the recent progress of Molecular Tagging Ther- mometry, and discusses the merits and demerits of this technique. Then, some unresolved issues of Molecular Tagging Thermometry are evaluated and some future studies are suggested Key words: thermometry; molecular tagging; phosphorescent triplex; phosphorescence lifetime 分子标定测温技术( Molecular tagging ther-感器的使用方式,通常分为接触法和非接触法 momery,简称MT)是h和 Koochesfahan于2003如图1所示。接触式测温方法在测量时需要与被测 年提出的一种基于磷光分子生命周期的激光诱导磷对象充分接触,主要包括热电偶和热电阻测温、光纤 光的新型测温技术口。它是利用某些磷光分子被测温、热噪声和声学测温等几大类;非接触式测温方 激光激发后发出寿命较长的磷光特性,基于磷光寿法不需要与被测对象接触,因此不会干扰温度场,但 命对温度的依懒性,从而进行温度测量的一种技术。是会受到被测介质物性参数的影响,主要包括辐射 当前,流体温度测量的方法有很多,根据温度传式测温、光谱法测温、激光干涉式测温以及声波测温 等方法,其中激光诱导磷光是激光测温中应用较为 收稿日期:2018-09-29修改日期:2018-12-19 广泛,也是最近几年研究最多的测温技术之一。 作者简介:焦明顺,硕士,主要研究方向为实验流体力学 热力型磷光材料发光特性中,与温度有关的主 要有两个参数:发光强度和光子寿命,在利用磷光材 通讯作者:金哲岩,博士,副教授研究方向为传热传质学实验流料进行测温时,可以事先标定好温度与发光强度、强 体力学。E-mail:zheyanjin@tongJi.eu.cn
ISSN1672-4305 CN12-1352 / N 实 验 室 科 学 LABORATORY SCIENCE 第 23 卷 第 2 期 2020 年 4 月 Vol. 23 No. 2 Apr. 2020 综 论 分子标定测温技术研究进展 焦明顺1 , 陈苗苗1 , 杨志刚2 , 胡 晖3 , 金哲岩1 (1. 同济大学 航空航天与力学学院, 上海 200092; 2. 上海地面交通工具风洞中心, 上海 201804; 3. 美国爱荷华州立大学 航空工程系, 埃姆斯 50011) 摘 要: Hu 和 Koochesfahani 在 2003 年提出了一种基于磷光寿命的新型分子标定测温技术, 因其在测温领域所具有的优越性, 近年来越来越广泛应用于流体温度的测量中。 首先介绍了 分子标定测温技术的工作原理, 然后阐述了分子标定测温技术在绕流流场、 微通道、 水滴结 冰, 以及喷雾等研究方向上的具体应用, 最后分析讨论了分子标定测温技术的优缺点以及待 解决的一些问题, 并对其今后的发展进行了展望。 关键词: 温度测量; 分子标定; 磷光分子示踪剂; 磷光寿命 中图分类号:G482 文献标识码:A doi:10. 3969 / j. issn. 1672-4305. 2020. 02. 001 Review of the progress of molecular tagging thermometry technique JIAO Mingshun 1 , CHEN Miaomiao 1 , YANG Zhigang 2 , HU Hui 3 , JIN Zheyan 1 (1. School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Shanghai 201804, China; 3. Department of Aerospace Engineering, Iowa State University, Ames IA 50011, USA) Abstract: In 2003, Hu and Koochesfahani developed a phosphorescence lifetime-based temperature measurement technique, namely Molecular Tagging Thermometry. It has drawn much attention in recent years due to its superiority in the field of thermometry. This review presents the operating principles of Molecular Tagging Thermometry, summarizes the recent progress of Molecular Tagging Thermometry, and discusses the merits and demerits of this technique. Then, some unresolved issues of Molecular Tagging Thermometry are evaluated and some future studies are suggested. Key words: thermometry; molecular tagging; phosphorescent triplex; phosphorescence lifetime 收稿日期:2018-09-29 修改日期:2018-12-19 作者简介:焦明顺,硕士,主要研究方向为实验流体力学。 E-mail:2456724483@ qq. com 通讯作者:金哲岩,博士,副教授,研究方向为传热传质学,实验流 体力学。 E-mail:zheyanjin@ tongji. edu. cn 分子标定测温技术 ( Molecular Tagging Thermometry,简称 MTT)是 Hu 和 Koochesfahani 于 2003 年提出的一种基于磷光分子生命周期的激光诱导磷 光的新型测温技术[1] 。 它是利用某些磷光分子被 激光激发后发出寿命较长的磷光特性,基于磷光寿 命对温度的依懒性,从而进行温度测量的一种技术。 当前,流体温度测量的方法有很多,根据温度传 感器的使用方式,通常分为接触法和非接触法[2] , 如图 1 所示。 接触式测温方法在测量时需要与被测 对象充分接触,主要包括热电偶和热电阻测温、光纤 测温、热噪声和声学测温等几大类;非接触式测温方 法不需要与被测对象接触,因此不会干扰温度场,但 是会受到被测介质物性参数的影响,主要包括辐射 式测温、光谱法测温、激光干涉式测温以及声波测温 等方法,其中激光诱导磷光是激光测温中应用较为 广泛,也是最近几年研究最多的测温技术之一。 热力型磷光材料发光特性中,与温度有关的主 要有两个参数:发光强度和光子寿命,在利用磷光材 料进行测温时,可以事先标定好温度与发光强度、强
温测量拉 的不均匀所产生的影响,且具有较高的温度灵敏度和 测量精度。因此,基于磷光寿命的分子标定测温技术 被多位学者应用在温度测量的研究中,从而为将此项 技术应用于其它领域积累了丰富的研究经验。 本文对该分子标定测量技术的原理及发展进行 了阐述,并着重介绍了分子标定测温技术在不同研 究领域的应用,通过对该技术优缺点以及目前待解 分子标定测温技木,MMr 决问题的分析,对其在今后的发展提出了展望 图1温度测量方法分类 1分子标定测温技术 度比值或寿命的关系,再通过插值的方式得到所测 在科学和工程领域中经常应用荧光和磷光分子 量的温度值。如图2所示,根据测温原理及模式的的光致发光现象来进行成像。荧光是指分子从激发 不同,激光诱导磷光测温技术有三种常用的测温模单线态转变为基态时,能量以光子的形式释放的过 式:直接强度法、双色法和寿命法。 且发生的概率很高,使得荧光发光寿命很短,处于纳 秒量级。而磷光是一个分子从三重态跃迁到基态时 直接强度法 释放能量的过程,由于这个过程在量子力学的跃迁选 择规则中被禁止的,所以磷光的寿命很长,可能为几 毫秒到几分钟。因此,利用磷光现象的分子标定测温 技术的应用范围更广泛,温度测量的灵敏度更高。 1.1分子标定测温技术原理 基于磷光分子寿命的分子标定测温技术与激光 诱导荧光(LF)的原理类似。磷光分子在吸收某种 特定波长的激光光子后,经历一系列振动弛豫和内 图2激光诱导磷光技术测温模式分类 转换后,发生能级的跃迁和隙间的窜越,从而发出磷 1)直接强度法测温是指直接利用磷光的发光光。然后基于磷光长时间衰减特性和对温度的敏感 强度与温度的关系测量温度 特性,利用同步器设置脉冲光源与CCD等化学记录 (2)双色法为利用发光强度比值与温度关系的元器件的时间延迟,记录时间延迟内的磷光光强衰 测量技术,可分为使用两种发光材料不同发光波长、减比值。最后通过图像的处理,来分析计算对应温 同种发光材料在不同发光波长和同种材料同种发光度场的信息。 波长三类。 Hu等人在其提出的基于磷光分子寿命的分 (3)寿命法是基于磷光的发光寿命与温度的关子标定测温技术中,介绍了这种测温技术的工作方 系进行温度测量的技术,在测温过程中,发光寿命的式:采用激光激发稀释溶液,并采用增强型相机对激 测量方法有三种:脉冲取样技术、时间相关单光子计光诱导的磷光连续两次拍摄,再将所得到的两幅图 数法和相调制法。其中,分子标定测温技术即为激像的磷光强度相比较,所得到的比值仅为磷光寿命 光诱导磷光测温技术下基于磷光发光寿命,利用脉和两幅图像拍摄时间延迟的函数,在将延迟时间人 冲取样法测量磷光寿命的测温技术。 为固定后,两幅图像磷光强度的比值即为磷光寿命 与一般测温技术,如热电偶测温和红外热像仪测的函数。由于磷光寿命与流体的温度相关,因此可 温相比,分子标定测温技术即不会破坏被测物体的热以用这种关系进行温度测量。 平衡状态,也不会对流体的相变过程产生干扰,同时 对于激光激发稀释溶液而言,由图像采集器所 又可以准确测量流体内部或固体表面不同位置处温获得的磷光强度(S)可以由下式表示 度在时间和空间上的分布情况。此外,与目前广泛使 S=AlCEΦ1-e-a (1) 用的激光诱导荧光技术( Laser- induced Fluorescence, 其中采集器在激光脉冲发出t0时间后开始采 IIF)相比,该技术能够有效消除由入射光强度在空间集并持续采集时间δt,A代表采集效率,为当地入 和时间上的变化造成的影响以及消除由磷光染色剂射激光强度,C为磷光染色剂的浓度,ε为吸收系
图 1 温度测量方法分类 度比值或寿命的关系,再通过插值的方式得到所测 量的温度值。 如图 2 所示,根据测温原理及模式的 不同,激光诱导磷光测温技术有三种常用的测温模 式:直接强度法、双色法和寿命法。 图 2 激光诱导磷光技术测温模式分类 (1)直接强度法测温是指直接利用磷光的发光 强度与温度的关系测量温度。 (2)双色法为利用发光强度比值与温度关系的 测量技术,可分为使用两种发光材料不同发光波长、 同种发光材料在不同发光波长和同种材料同种发光 波长三类。 (3)寿命法是基于磷光的发光寿命与温度的关 系进行温度测量的技术,在测温过程中,发光寿命的 测量方法有三种:脉冲取样技术、时间相关单光子计 数法和相调制法。 其中,分子标定测温技术即为激 光诱导磷光测温技术下基于磷光发光寿命,利用脉 冲取样法测量磷光寿命的测温技术。 与一般测温技术,如热电偶测温和红外热像仪测 温相比,分子标定测温技术即不会破坏被测物体的热 平衡状态,也不会对流体的相变过程产生干扰,同时, 又可以准确测量流体内部或固体表面不同位置处温 度在时间和空间上的分布情况。 此外,与目前广泛使 用的激光诱导荧光技术(Laser-induced Fluorescence, LIF)相比,该技术能够有效消除由入射光强度在空间 和时间上的变化造成的影响以及消除由磷光染色剂 的不均匀所产生的影响,且具有较高的温度灵敏度和 测量精度。 因此,基于磷光寿命的分子标定测温技术 被多位学者应用在温度测量的研究中,从而为将此项 技术应用于其它领域积累了丰富的研究经验。 本文对该分子标定测量技术的原理及发展进行 了阐述,并着重介绍了分子标定测温技术在不同研 究领域的应用,通过对该技术优缺点以及目前待解 决问题的分析,对其在今后的发展提出了展望。 1 分子标定测温技术 在科学和工程领域中经常应用荧光和磷光分子 的光致发光现象来进行成像。 荧光是指分子从激发 单线态转变为基态时,能量以光子的形式释放的过 程。 由于在量子力学中单个单线态的跃迁是允许的, 且发生的概率很高,使得荧光发光寿命很短,处于纳 秒量级。 而磷光是一个分子从三重态跃迁到基态时 释放能量的过程,由于这个过程在量子力学的跃迁选 择规则中被禁止的,所以磷光的寿命很长,可能为几 毫秒到几分钟。 因此,利用磷光现象的分子标定测温 技术的应用范围更广泛,温度测量的灵敏度更高。 1. 1 分子标定测温技术原理 基于磷光分子寿命的分子标定测温技术与激光 诱导荧光(LIF)的原理类似。 磷光分子在吸收某种 特定波长的激光光子后,经历一系列振动弛豫和内 转换后,发生能级的跃迁和隙间的窜越,从而发出磷 光。 然后基于磷光长时间衰减特性和对温度的敏感 特性,利用同步器设置脉冲光源与 CCD 等化学记录 元器件的时间延迟,记录时间延迟内的磷光光强衰 减比值。 最后通过图像的处理,来分析计算对应温 度场的信息。 Hu 等人[1]在其提出的基于磷光分子寿命的分 子标定测温技术中,介绍了这种测温技术的工作方 式:采用激光激发稀释溶液,并采用增强型相机对激 光诱导的磷光连续两次拍摄,再将所得到的两幅图 像的磷光强度相比较,所得到的比值仅为磷光寿命 和两幅图像拍摄时间延迟的函数,在将延迟时间人 为固定后,两幅图像磷光强度的比值即为磷光寿命 的函数。 由于磷光寿命与流体的温度相关,因此可 以用这种关系进行温度测量。 对于激光激发稀释溶液而言,由图像采集器所 获得的磷光强度(S)可以由下式表示: S = AIi Cε Φp 1 - e -δt/ τ ) e -t o / τ (1) 其中采集器在激光脉冲发出 t 0 时间后开始采 集并持续采集时间 δt,A 代表采集效率,Ii 为当地入 射激光强度,C 为磷光染色剂的浓度,ε 为吸收系 2
焦明顺,等:分子标定测温技术研究进展 3 数,而Φ是磷光量子产额。发光寿命是指发出光色磷光,一般可达几毫秒。研究表明,磷光强度和寿 的强度降到初始强度37%时所用的时间,此寿命通命会随着磷光示踪剂1-Brv·MB=CD·ROH溶液 常与温度相关。在测温过程中,温度的灵敏度可以中各个化合物浓度以及化合物的种类变化而变化,近 通过磷光强度随温度的变化率aS/7来表示。 年来,根据 Genrich等人的研究,最常用的磷光示 如图3所示,由激光激发的磷光在同一个激光激踪剂化学配方为:2×10M的MB-CD,饱和的1 发脉冲后的两个时间段内进行连续积分。第一幅图BrNp溶液(约为1×103M)以及0.6M的ROH 像是在激光脉冲激发t=t0时间后在b时间内所收 Thomson和 Maynes首次将1-BN·M- 集到的强度S1,而第二幅图像是在激光脉冲激发t=CD·ROH磷光示踪剂用于流体温度的测量,该方法 t+Δt后在δ时间内所收集到的强度S2。两幅图像是以磷光强度随温度变化为基础的。随后,Hu等 的磷光强度比值(R)可以很容易地由方程(1)得到:人利用该三重化合物作为示踪剂提出了基于 磷光分子生命周期的分子标定测温技术。 光数发脉冲 近年来,随着化学科学的迅猛发展,可作为示踌 剂的磷光材料的种类呈现多样化。目前应用中广泛 寿命= (S1/S2) 使用的磷光分子示踪剂通常由氧硫化物、钒酸盐或 者磷酸盐等作为载体,惨杂少量稀有元素材料制成。 1.3磷光寿命与温度 以化合物1-BrNp·MB-CD.ROH为例,图4 为该化合物的吸收和发射光谱,从中可以明显发现 图3基于磷光寿命的分子标定测温技术的时间表 在波峰280mm附近该化合物的吸收光谱范围是很 R=s/S,=e-r (2)窄的,波长超过325mm时化合物的吸收系数几乎为 由方程(2)可知,两幅图像的磷光强度比值仅零。因此,在进行温度测量时,经常会用到波长为 是磷光寿命T和两幅图像拍摄时间延迟△t的函数 308m的激元激光器或者波长为266mm的四倍频 其中时间延迟△t可以人为控制。对于给定的磷光d:YAG激光器激发磷光示踪剂1-BrNp:M- 物质和固定的△t,方程(2)定义了磷光强度比值CD·RO∥。在采用合适的激光激发后该示踪剂可 (R)与流体温度之间所存在的唯一的关系,因此可 以发射荧光和磷光,并且相对荧光来说,磷光发射出 以利用这种关系进行温度测量。 Phosphorescence 1.2磷光分子示踪剂 长期处于三重态的磷光分子示踪剂很容易受到 环境氧的影响而发生猝灭现象,这是因为基态氧也 是三重态的,它对激发三重态有着强烈的猝灭能力 a四cE卫cEotao 如不加以防护,将严重影响示踪剂的发光强度 因此选择合适的磷光示踪剂是分子标定测量中必不 可少的一环,同时也是研究初期所面临的最大难题 00300400 虽然早在20世纪50年代就已经发现了磷光对 Wavelength(nm) b)5000 温度的依赖性,但直到 Nocera等人提出了超分子状 T=320 Phosphore 态下的磷光分子示踪剂,克服磷光在氧气环境中易猝 T=19.7 灭的问题,人们才逐渐转移到磷光测温的研究中。 T=34℃ nocera等人发现,在混合了发光团,适量的酒精 以及环糊精后的水溶性超分子复合物具有较长的寿 2000 命,可作为磷光示踪剂,并且期间不发生猝灭现象。 随后, Nocera等人9提出可广泛使用的磷光示踪剂 1-Br·B-CD·ROH,这是由发光团(1-BrNp) 某一醇类(用ROH表示)以及糖醇基-β-环糊精(Mβ CD)的水溶液混合而成,从而产生具有长寿命的绿图4示踪剂1-BrNp·MB-CD·ROH的吸收和发射光谱
焦明顺,等:分子标定测温技术研究进展 数,而 Фp 是磷光量子产额。 发光寿命 τ 是指发出光 的强度降到初始强度 37 %时所用的时间,此寿命通 常与温度相关。 在测温过程中,温度的灵敏度可以 通过磷光强度随温度的变化率 ∂S / ∂T 来表示。 如图 3 所示,由激光激发的磷光在同一个激光激 发脉冲后的两个时间段内进行连续积分。 第一幅图 像是在激光脉冲激发 t = t 0 时间后在 δt 时间内所收 集到的强度 S1 ,而第二幅图像是在激光脉冲激发 t = t 0 +△t 后在 δt 时间内所收集到的强度 S2 。 两幅图像 的磷光强度比值(R)可以很容易地由方程(1)得到: 图 3 基于磷光寿命的分子标定测温技术的时间表 R = S2 / S1 = e -Δt/ τ (2) 由方程(2) 可知,两幅图像的磷光强度比值仅 是磷光寿命 τ 和两幅图像拍摄时间延迟△t 的函数, 其中时间延迟△t 可以人为控制。 对于给定的磷光 物质和固定的△t,方程(2) 定义了磷光强度比值 (R)与流体温度之间所存在的唯一的关系,因此可 以利用这种关系进行温度测量。 1. 2 磷光分子示踪剂 长期处于三重态的磷光分子示踪剂很容易受到 环境氧的影响而发生猝灭现象,这是因为基态氧也 是三重态的,它对激发三重态有着强烈的猝灭能力, 如不加以防护,将严重影响示踪剂的发光强度[3] 。 因此选择合适的磷光示踪剂是分子标定测量中必不 可少的一环,同时也是研究初期所面临的最大难题。 虽然早在 20 世纪 50 年代就已经发现了磷光对 温度的依赖性,但直到 Nocera 等人提出了超分子状 态下的磷光分子示踪剂,克服磷光在氧气环境中易猝 灭的问题,人们才逐渐转移到磷光测温的研究中。 Nocera 等人[4-6] 发现,在混合了发光团,适量的酒精 以及环糊精后的水溶性超分子复合物具有较长的寿 命,可作为磷光示踪剂,并且期间不发生猝灭现象。 随后,Nocera 等人[7-9]提出可广泛使用的磷光示踪剂 1 - BrNp·Mβ - CD·ROH ,这是由发光团(1-BrNp)、 某一醇类(用 ROH 表示)以及糖醇基-β-环糊精(Mβ -CD)的水溶液混合而成,从而产生具有长寿命的绿 色磷光,一般可达几毫秒。 研究表明,磷光强度和寿 命会随着磷光示踪剂 1 - BrNp·Mβ - CD·ROH 溶液 中各个化合物浓度以及化合物的种类变化而变化,近 年来,根据 Gendrich 等人[8] 的研究,最常用的磷光示 踪剂化学配方为:2×10 -4 M 的 Mβ-CD,饱和的 1- BrNp 溶液(约为 1×10 -5 M)以及 0. 06 M 的 ROH。 Thomson 和 Maynes [10]首次将 1 - BrNp·Mβ - CD·ROH 磷光示踪剂用于流体温度的测量,该方法 是以磷光强度随温度变化为基础的。 随后,Hu 等 人[1,11]利用该三重化合物作为示踪剂,提出了基于 磷光分子生命周期的分子标定测温技术。 近年来,随着化学科学的迅猛发展,可作为示踪 剂的磷光材料的种类呈现多样化。 目前应用中广泛 使用的磷光分子示踪剂通常由氧硫化物、钒酸盐或 者磷酸盐等作为载体,惨杂少量稀有元素材料制成。 1. 3 磷光寿命与温度 以化合物 1 - BrNp·Mβ - CD·ROH 为例,图 4 为该化合物的吸收和发射光谱,从中可以明显发现 在波峰 280 nm 附近该化合物的吸收光谱范围是很 窄的,波长超过 325 nm 时化合物的吸收系数几乎为 零。 因此,在进行温度测量时,经常会用到波长为 308 nm 的激元激光器或者波长为 266 nm 的四倍频 Nd:YAG 激光器激发磷光示踪剂 1 - BrNp·Mβ - CD·ROH 。 在采用合适的激光激发后,该示踪剂可 以发射荧光和磷光,并且相对荧光来说,磷光发射出 图 4 示踪剂 1 - BrNp·Mβ - CD·ROH 的吸收和发射光谱 3
4 现明显红移。由于较大的红移现象,磷光发射和吸 同时在基于磷光寿命的分子标定测温技术方 收光谱之间没有重叠区,磷光不会被再吸收。如图面,近年来众多学者对于该技术在流场分析、流体相 4(b)所示,该示踪剂的磷光发射强度对温度的敏感变、喷雾过程、燃烧过程分析以及表面温度监测等领 度很高,而荧光发射强度几乎与温度无关,同时,荧域的应用也展开了广泛的研究。 光寿命周期非常短,约为20ns,而磷光的寿命周期2.1绕流流场中的温度测量 可以在毫秒级别,并且该示踪剂的寿命周期与流 钝体绕流是自然界中常见的现象,并且在工程实 体的温度有很大关系,-1。 际中的应用非常广泛。圆柱是最常被研究的钝体,在 在激光脉冲的激发下,1-BrNp·MB-C 不同雷诺数下圆柱体尾迹区具有不同流动模式和尾 ROH示踪剂的寿命随温度的变化而显蓍变化涡脱落特性。在引入热效应后,由于粘滞现象,加热 (见图5)。从图中可以明显看出该示踪剂的寿命对圆柱体的尾流行为将变得复杂。H等人利用分 温度有很强的依懒性,当温度从1.0℃上升到子标定测温技术开展了理查森数(Bi=Cm/Re2)对加 40.0℃时,磷光示踪剂的寿命从约72ms降到1.2热圆柱绕流的尾流区温度分布影响的研究。在实验 n,相关温度灵敏度大约为在20℃时的每摄氏度中,环境温度和雷诺数保持不变,通过改变圆柱表面 50%,到在50℃时的每摄氏度20.0%,这明显高的温度来研究在不同理查森数Ri下(0-1.04)加热 于通常使用的荧光染色剂,罗丹明B。研究发圆柱的尾流区的温度分布及变化(如图6所示)。采 现,激光诱导荧光技术(LF)所用的罗丹明B的用分子标定测温技术(MT)对热诱导的流动结构进 温度灵敏度仅仅只有每摄氏度2.0%。 行了定性流动的可视化,并对加热圆柱周围的温度和 速度分布进行了同步定量测量。结果表明:分子标定 测温技术可以清晰地显示加热圆柱周围及尾流区域 的温度分布,很好展示了在加热圆柱后,由于热效应 所导致的尾流不稳定性现象。在此实验中,温度数据 的精确测量,尾流结构和尾迹涡脱落过程的可视化描 述都证明了此方法实施的可行性。 101520253035 Temperature(°C) 图5示踪剂1- BrNp MB-CD·ROH的磷光寿命与温度 的关系 2分子标定测温技术的应用 a)Ri=0.19 (b)Ri=0.31 随着磷光测温技术的迅猛发展,目前人们已经 实现了激光诱导磷光技术下各个测温模式在多领域 的应用(表1所示)。例如,在基于直接强度法的激 光诱导磷光测温技术方面,浙江大学的阳静采用 能够被532nm激光激发的ZnS:Eu磷光材料,利用 基于直接强度法的激光诱导磷光测温技术,对微流 体内的温度场进行了测量,开发了工业型磷光材料 (c)Ri=0.50 (d)Ri=1.04 ZnS:Eu的绝对磷光强度与温度的标定曲线,从而将 激光诱导磷光测温技术运用到微流体的测温中。在图6不同理查森数(B=G/RC)下利用分子标定测温技 双色法方面, Braubach等人在喷雾过程中利用该 术的瞬时结果 技术进行了液滴温度测量的研究、 Remie等人研2.2微流体中的温度测量 究了该技术在加热板表面的温度测量中的应用以及 由于微流体的微尺度特性,在微流体流动中温度 白书战等人明对发动机内部燃料浓度及温度分时常表现出与宏观流动相异的特征和规律。目前现有 布也进行了一系列的研究。 的测温技术大多基于常规尺度的流动开发而来,对于
现明显红移。 由于较大的红移现象,磷光发射和吸 收光谱之间没有重叠区,磷光不会被再吸收。 如图 4(b)所示,该示踪剂的磷光发射强度对温度的敏感 度很高,而荧光发射强度几乎与温度无关,同时,荧 光寿命周期非常短,约为 20 ns,而磷光的寿命周期 可以在毫秒级别[12] ,并且该示踪剂的寿命周期与流 体的温度有很大关系[1,11-13] 。 在激光脉冲的激发下, 1 - BrNp·Mβ - CD· ROH 示踪剂的寿命随温度的变化而显著变化[13] (见图 5)。 从图中可以明显看出该示踪剂的寿命对 温度有很强的依懒性, 当温度从 1. 0 ℃ 上升到 40. 0 ℃时,磷光示踪剂的寿命从约 7. 2 ms 降到 1. 2 ms,相关温度灵敏度大约为在 20℃ 时的每摄氏度 5. 0 %,到在 50℃ 时的每摄氏度 20. 0 %,这明显高 于通常使用的荧光染 色 剂, 罗 丹 明 B。 研 究 发 现[11] ,激光诱导荧光技术(LIF)所用的罗丹明 B 的 温度灵敏度仅仅只有每摄氏度 2. 0 %。 图 5 示踪剂 1 - BrNp·Mβ - CD·ROH 的磷光寿命与温度 的关系 2 分子标定测温技术的应用 随着磷光测温技术的迅猛发展,目前人们已经 实现了激光诱导磷光技术下各个测温模式在多领域 的应用(表 1 所示)。 例如,在基于直接强度法的激 光诱导磷光测温技术方面,浙江大学的阳静[14] 采用 能够被 532 nm 激光激发的 ZnS: Eu 磷光材料,利用 基于直接强度法的激光诱导磷光测温技术,对微流 体内的温度场进行了测量,开发了工业型磷光材料 ZnS:Eu 的绝对磷光强度与温度的标定曲线,从而将 激光诱导磷光测温技术运用到微流体的测温中。 在 双色法方面,Brubach 等人[15] 在喷雾过程中利用该 技术进行了液滴温度测量的研究、Remie 等人[16] 研 究了该技术在加热板表面的温度测量中的应用以及 白书战等人[17-19] 对发动机内部燃料浓度及温度分 布也进行了一系列的研究。 同时在基于磷光寿命的分子标定测温技术方 面,近年来众多学者对于该技术在流场分析、流体相 变、喷雾过程、燃烧过程分析以及表面温度监测等领 域的应用也展开了广泛的研究。 2. 1 绕流流场中的温度测量 钝体绕流是自然界中常见的现象,并且在工程实 际中的应用非常广泛。 圆柱是最常被研究的钝体,在 不同雷诺数下圆柱体尾迹区具有不同流动模式和尾 涡脱落特性。 在引入热效应后,由于粘滞现象,加热 圆柱体的尾流行为将变得复杂。 Hu 等人[20] 利用分 子标定测温技术开展了理查森数(Ri =Gr/ Re 2 )对加 热圆柱绕流的尾流区温度分布影响的研究。 在实验 中,环境温度和雷诺数保持不变,通过改变圆柱表面 的温度来研究在不同理查森数 Ri 下(0 ~ 1. 04)加热 圆柱的尾流区的温度分布及变化(如图 6 所示)。 采 用分子标定测温技术(MTT)对热诱导的流动结构进 行了定性流动的可视化,并对加热圆柱周围的温度和 速度分布进行了同步定量测量。 结果表明:分子标定 测温技术可以清晰地显示加热圆柱周围及尾流区域 的温度分布,很好展示了在加热圆柱后,由于热效应 所导致的尾流不稳定性现象。 在此实验中,温度数据 的精确测量,尾流结构和尾迹涡脱落过程的可视化描 述都证明了此方法实施的可行性。 (a)Ri = 0. 19 (b) Ri = 0. 31 (c)Ri = 0. 50 (d) Ri = 1. 04 图 6 不同理查森数(Ri = Gr/ Re 2 ) 下利用分子标定测温技 术的瞬时结果 2. 2 微流体中的温度测量 由于微流体的微尺度特性,在微流体流动中温度 时常表现出与宏观流动相异的特征和规律。 目前现有 的测温技术大多基于常规尺度的流动开发而来,对于 4
焦明顺,等:分子标定测温技术研究进展 5 微尺度流动中温度的测量不再适用,所以就需要发展标定测温技术因其非接触式测温,干扰小,精度高等优 适合微流体,并且不干扰流场的测温技术。由此,分子点常常被运用在微通道内微流体的温度测量中。 表1近年来针对激光诱导磷光测温技术的研究进展 研究作者 测温对象 测温范围磷光示踪剂 激光激发 HuH.eta.[.1,12. 1-BrNp. MB-CD 寿命法(脉冲取样技 热圆柱绕流 266nm的Nd:YAG激光 ROH 1-BrNp. MB-CD 寿命法(脉冲取样技 微通道热流动 24℃~40℃ 26im的Nd:YAG激光术) 5℃~20.1-BrNp.MB-CD. 水滴结冰 6m的Nd:YAC激光命法(脉冲取样技 Omrane a. et al [31] 6m的Nd:YAG激光 双色法(同种发光材 单个下落液滴 温~100℃Mg;FGeO6:Mn 料,不同发光波长) Omrane a. et al [32] 单个下落液滴(二 La, O, S: Eu 355m的Nd:YAG激光寿命法(脉冲取样技术 室温~433K 维测量) O,s: Eu 355m的Nd:YAG激光寿命法(脉冲取样技术) 寿命法(脉冲取样技 Omrane A. et al. [33) 悬浮液滴 19℃-27℃ 355m的Nd:YAG激光术) LiH.eta.[3-到 9. 4C " 19. I-BrNp. MB-CD 液滴碰撞、飞溅 266m的Nd:YAG激光命法(脉冲取样技 双色法(同种发光材 喷雾过程 296K~393 K Mg, GeO5.5F:Mn355mm的Nd:YAG激光 料,不同发光波长) Omrane A. et al. [37 火焰传播:单点测25℃-500℃ Mga FGeO:Mn266mn的Nd:YAG激光命法(脉冲取样技 Omrane a et al. [3 火焰传播:二维测 -45℃ Mgs FGeo:Mn26m的Nd:YAG激光寿命法(脉冲取样技 Omrane a. et al. [ 39 火焰传播:防火漆50℃~650℃Mg3FGeO4:Mn355mm的Nd:YAG激光寿命法(相调制法) 双色法(同种发光材 Omrane a. et al. [4o 燃烧室温度 室温-600℃ Mg FGeO4:Mn266m的Nd:YAG激光料,不同发光波长) Seyfried. et al. [41j 火焰稳定器温度室温~700℃CMg3FGeO4:Mn266mm的Nd:YAG激光寿命法(相调制法) Remie. et al. [42] 加热表面 400K- 750K YAG: Dv 35sm的Nd:YAG激光色法(同种发光材 料,不同发光波长) Alden M. et al. [43] 旋转表面 室温 Al10O2:Eu355m的Nd:YAG激光寿命法(脉冲取样技 白书战,等{ 发动机缸内气体常温~1500kYAG:Dy 35m的NYAG激光双色法(同种发光材 料,不同波长) Lum等人21-2利用该技术测量了微通道内由合物式的微通道壁面的电荷密度。而在基于磷 电渗作用所驱动的微流体的温度分布,从而量化了 在微通道内打开电场瞬间的电渗流(EOF)特性(如 图7所示)。虽然在此前也有学者利用激光诱导荧 光技术测量了相同情况下微尺度热流动的温度分 布-3,但是其结果不容乐观。这是因为微通道的 材料大多为聚合物,而激光诱导荧光技术(LIF)所 用示踪剂为热敏性染料罗丹明B,在实际测量中,聚 channe 合物式的微通道对于罗丹明B分子的吸收作用会 严重影响最终温度测量的准确性,同时也会改变聚 图7分子标定测温技术测量电渗流中的瞬时结果
焦明顺,等:分子标定测温技术研究进展 微尺度流动中温度的测量不再适用,所以就需要发展 适合微流体,并且不干扰流场的测温技术。 由此,分子 标定测温技术因其非接触式测温,干扰小,精度高等优 点常常被运用在微通道内微流体的温度测量中。 表 1 近年来针对激光诱导磷光测温技术的研究进展 研究作者 测温对象 测温范围 磷光示踪剂 激光激发 方法 Hu H, et al. [1,11,12,20] 热圆柱绕流 24℃ ~ 85℃ 1-BrNp. Mβ-CD. ROH 266nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法( 脉冲取样技 术) Lum C, et al. [21 - 22,27] 微通道热流动 24℃ ~ 40℃ 1-BrNp. Mβ-CD. ROH 266nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法( 脉冲取样技 术) Jin, et al. [13,28-30] 水滴结冰 - 5℃ ~ 20. 5℃ 1-BrNp. Mβ-CD. ROH 266nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法( 脉冲取样技 术) Omrane A, et al. [31] 单个下落液滴 室温~100℃ Mg4FGeO6 :Mn 266nm 的 Nd:YAG 激光 双色法( 同种发光材 料,不 同发光波长) Omrane A, et al. [32] 单个下落液滴(二 维测量) 室温~433K La2O2 S:Eu 355nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法(脉冲取样技术) La2O2 S:Eu 355nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法(脉冲取样技术) Omrane A, et al. [33] 悬浮液滴 19℃ ~ 27℃ La2O2 S:Eu 355nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法( 脉冲取样技 术) Li H, et al. [34 - 35] 液滴碰撞、飞溅 9. 4℃ ~ 19. 2℃ 1-BrNp. Mβ-CD. ROH 266nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法( 脉冲取样技 术) Brubach J, et al. [36] 喷雾过程 296K~ 393K Mg4GeO5. 5F:Mn 355nm 的 Nd:YAG 激光 双色法( 同种发光材 料,不同发光波长) Omrane A, et al. [37] 火焰传播:单点测 量 25℃ ~ 500℃ Mg4FGeO6 :Mn 266nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法( 脉冲取样技 术) Omrane A, et al. [38] 火焰传播:二维测 量 25℃ ~ 455℃ Mg4FGeO6 :Mn 266nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法( 脉冲取样技 术) Omrane A, et al. [39] 火焰传播:防火漆 50℃ ~ 650℃ Mg3FGeO4 : Mn 355nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法(相调制法) Omrane A, et al. [40] 燃烧室温度 室温~600℃ Mg4FGeO6 :Mn 266nm 的 Nd:YAG 激光 双色法( 同种发光材 料,不同发光波长) Seyfried, et al. [41] 火焰稳定器温度 室温~700℃ Mg3FGeO4 : Mn 266nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法(相调制法) Remie, et al. [42] 加热表面 400K~ 750K YAG:Dy 355nm 的 Nd:YAG 激光 双色法( 同种发光材 料,不同发光波长) Aldén M, et al. [43] 旋转表面 室温 BaMg2Al10O17 :Eu 355nm 的 Nd:YAG 激光 寿命法( 脉冲取样技 术) 白书战,等[17-19] 发动机缸内气体 常温~1500K YAG:Dy 355nm 的 Nd:YAG 激光 双色法( 同种发光材 料,不同波长) Lum 等人[21 - 22] 利用该技术测量了微通道内由 电渗作用所驱动的微流体的温度分布,从而量化了 在微通道内打开电场瞬间的电渗流(EOF)特性(如 图 7 所示)。 虽然在此前也有学者利用激光诱导荧 光技术测量了相同情况下微尺度热流动的温度分 布[23-25] ,但是其结果不容乐观。 这是因为微通道的 材料大多为聚合物,而激光诱导荧光技术( LIF) 所 用示踪剂为热敏性染料罗丹明 B,在实际测量中,聚 合物式的微通道对于罗丹明 B 分子的吸收作用会 严重影响最终温度测量的准确性,同时也会改变聚 合物式的微通道壁面的电荷密度[26] 。 而在基于磷 图 7 分子标定测温技术测量电渗流中的瞬时结果 5
光分子示踪剂的分子标定测温技术中使用的磷光示实验数据分析软件等。如图8所示,其测量结果清 踪剂1-Br№·MB-CD·ROH显电荷中性,并且对楚地展现了水滴内部的温度分布和相变过程。当小 如PDMS聚合物式的微通道壁面无任何干扰 水滴最初接触冷表面时,其形状为球冠状,液滴底部 随后,H等人1利用作为示踪剂的磷光分子的迅速冻结成冰,而液滴顶部仍然保持液态。随后,固 拉格朗日位移来估算速度场,利用磷光分子的寿命测-液分界面位置随时间逐步上升,液滴的形状也由 量了微流体的温度,从而实现了对微通道内电渗流作开始的球冠状逐步向橄榄种子状转变,最终变为锥 用与焦耳热现象的监控,并且对微通道内不稳定流动形的冰晶。由于水在结冰过程中释放潜热,液滴中 随时间和相变发展的流动现象进行了监测 未结冰部分的温度将逐渐上升,尽管水滴的体积随 2.3水滴结冰过程中的温度测量 着结冰过程的推进而增大,但其液固混合物的比重 在流体相变领域,如微尺度水滴结冰过程的温却随时间逐步降低,直至最终接近于冰的比重。与 度测量中,分子标定测量技术也具有优势,能够定量此同时,水滴结冰所需的时间会随着冷表面温度的 化硏究结冰过程中不稳定的传热、传质机理以及可降低而缩短。 视化展示相变过程中温度场的空间分布。这是因为2.4喷雾过程中的温度测量 该技术所采用的示踪剂为磷光分子,磷光分子不会 喷雾现象广泛存在于各种工业过程中,如喷墨 对水的结冰产生影响,同时该技术还可以准确获取打印、内燃机燃油喷射等。当高压系统将液体以液 水中未冻结部分的质量百分比和温度分布随时间的滴形式喷射进入环境时,这些液滴会经历下落、碰撞 变化。Jin等人则首次利用分子标定测温技术和飞溅等过程;或者是当液滴及其微小时,将以雾滴 对冷表面上水滴结冰过程进行了实验研究,并解决的形式悬浮于空气中。当环境温度较高时液滴又 了其中可能面临的一系列问题,如确定磷光混合剂将伴随热量的转移,发生雾化、蒸发等相变。由此, 的寿命和温度的关系曲线搭建实验平台,以及开发在喷雾过程中的温度测量在确定传热和蒸发率方面 起着重要的作用,随着分子标定测温技术的发展,其 在喷雾测温领域中的应用越来越广泛。 对于液滴碰撞以及飞溅过程中的温度测量,热 电偶等方法在此动态过程的温度捕捉中显然处于劣 势,L等人x-3通过研究证明了基于寿命的分子 (a)t=0.5s 标定测温技术在此领域实施的可行性。他们利用此 (b)t=5.0s 技术测量了不同大小和不同速度的液滴碰撞飞溅瞬 间的温度,测量的结果定量化描述了液滴飞溅过程 中温度变化以及温度分布的细节,加深了人们对实 际喷雾过程中液滴撞击及飞溅过程的热力学行为的 理解。图9为直径450μm的液滴以2.01m/s撞击 (c)t=20.0s 飞溅瞬间所获得的磷光强度分布图(图像上的黑色 (d)t=35.0 a水滴结冰过程中获取的磷光图片 标记表示飞溅液滴的中心),以及由磷光图像比值 所得到的飞溅瞬间液滴的温度分布图。分析可知 被测窗口内的飞沫液滴的瞬时温度分别为11.9℃、 12.6℃和11.6℃。然后将测得的温度数据与理论 分析的结果作比较,结果发现最终两者之间的误差 只有0.80℃,从而验证了分子标定测温技术在液滴 飞溅过程中温度测量的可行性。 3分子标定测温技术的局限性 最近,Ke等人对分子标定测量技术的测量 b处理后的水滴结冰过程中的温度分布 误差进行了分析,结果表明:在进行温度测量时,误 图8温度为-2℃的冷表面上水滴结冰过程的分子标定测差大约在0.1~0.3℃,并且优化测量误差要视具体 温技术测量结果 情况而定。同时,在实际操作中,影响分子标记测温
光分子示踪剂的分子标定测温技术中使用的磷光示 踪剂 1 - BrNp·Mβ - CD·ROH 显电荷中性,并且对 如 PDMS 聚合物式的微通道壁面无任何干扰。 随后,Hu 等人[27]利用作为示踪剂的磷光分子的 拉格朗日位移来估算速度场,利用磷光分子的寿命测 量了微流体的温度,从而实现了对微通道内电渗流作 用与焦耳热现象的监控,并且对微通道内不稳定流动 随时间和相变发展的流动现象进行了监测。 2. 3 水滴结冰过程中的温度测量 在流体相变领域,如微尺度水滴结冰过程的温 度测量中,分子标定测量技术也具有优势,能够定量 化研究结冰过程中不稳定的传热、传质机理以及可 视化展示相变过程中温度场的空间分布。 这是因为 该技术所采用的示踪剂为磷光分子,磷光分子不会 对水的结冰产生影响,同时该技术还可以准确获取 水中未冻结部分的质量百分比和温度分布随时间的 变化。 Jin 等人[13, 28-30] 首次利用分子标定测温技术 对冷表面上水滴结冰过程进行了实验研究,并解决 了其中可能面临的一系列问题,如确定磷光混合剂 的寿命和温度的关系曲线、搭建实验平台,以及开发 (a) t = 0. 5 s (b) t = 5. 0 s (c) t = 20. 0 s (d) t = 35. 0 s a 水滴结冰过程中获取的磷光图片 b 处理后的水滴结冰过程中的温度分布 图 8 温度为-2℃的冷表面上水滴结冰过程的分子标定测 温技术测量结果 实验数据分析软件等。 如图 8 所示,其测量结果清 楚地展现了水滴内部的温度分布和相变过程。 当小 水滴最初接触冷表面时,其形状为球冠状,液滴底部 迅速冻结成冰,而液滴顶部仍然保持液态。 随后,固 -液分界面位置随时间逐步上升,液滴的形状也由 开始的球冠状逐步向橄榄种子状转变,最终变为锥 形的冰晶。 由于水在结冰过程中释放潜热,液滴中 未结冰部分的温度将逐渐上升,尽管水滴的体积随 着结冰过程的推进而增大,但其液固混合物的比重 却随时间逐步降低,直至最终接近于冰的比重。 与 此同时,水滴结冰所需的时间会随着冷表面温度的 降低而缩短。 2. 4 喷雾过程中的温度测量 喷雾现象广泛存在于各种工业过程中,如喷墨 打印、内燃机燃油喷射等。 当高压系统将液体以液 滴形式喷射进入环境时,这些液滴会经历下落、碰撞 和飞溅等过程;或者是当液滴及其微小时,将以雾滴 的形式悬浮于空气中。 当环境温度较高时,液滴又 将伴随热量的转移,发生雾化、蒸发等相变。 由此, 在喷雾过程中的温度测量在确定传热和蒸发率方面 起着重要的作用,随着分子标定测温技术的发展,其 在喷雾测温领域中的应用越来越广泛。 对于液滴碰撞以及飞溅过程中的温度测量,热 电偶等方法在此动态过程的温度捕捉中显然处于劣 势,Li 等人[34 - 35] 通过研究证明了基于寿命的分子 标定测温技术在此领域实施的可行性。 他们利用此 技术测量了不同大小和不同速度的液滴碰撞飞溅瞬 间的温度,测量的结果定量化描述了液滴飞溅过程 中温度变化以及温度分布的细节,加深了人们对实 际喷雾过程中液滴撞击及飞溅过程的热力学行为的 理解。 图 9 为直径 450 μm 的液滴以 2. 01 m / s 撞击 飞溅瞬间所获得的磷光强度分布图(图像上的黑色 标记表示飞溅液滴的中心),以及由磷光图像比值 所得到的飞溅瞬间液滴的温度分布图。 分析可知, 被测窗口内的飞沫液滴的瞬时温度分别为 11. 9 ℃ 、 12. 6 ℃和 11. 6 ℃ 。 然后将测得的温度数据与理论 分析的结果作比较,结果发现最终两者之间的误差 只有 0. 80 ℃ ,从而验证了分子标定测温技术在液滴 飞溅过程中温度测量的可行性。 3 分子标定测温技术的局限性 最近,Ke 等人[44] 对分子标定测量技术的测量 误差进行了分析,结果表明:在进行温度测量时,误 差大约在 0. 1~0. 3 ℃ ,并且优化测量误差要视具体 情况而定。 同时,在实际操作中,影响分子标记测温 6
焦明顺,等:分子标定测温技术研究进展 7 及优越的流体相变测温性能使其对于流体凝固、蒸 发、雾化等过程的实施具有一定的可能性,从而可以 应用于如涡轮机或IC引擎中燃烧室的喷油器/雾化 器的液滴雾化和蒸发过程中温度的测量等。目前基 于磷光的分子标定测温技术主要集中在二维层面 所以在将来可以开展该技术在三维测温领域的 应用。 参考文献( References): [1 HU H, KOOCHESFAHANI MM. A novel technique for quantita- 图9不同尺寸、速度和温度的液滴飞溅过程 tive temperature mapping in liquid by measuring the lifetime of la- 的分子标定测温技术测量结 ser induced phosphorescence [J]. Journal of Visualization, 2003 6(2):143-153 技术准确性的因素主要有两个 [2]杨永军温度测量技术现状和发展概述[J].计测技术,200 (1)由相机拍摄的两个磷光图像的噪点水平对 (4):62-65 磷光寿命的测定影响很大; [3]吴世康,李述汤磷光电致发光器件研究中的若干问题[J].化 进展,2001,13(6):413-419 (2)如果第二张磷光图像的识别区域与第一张[4] PONCE A, WONG P A,WAYJ,ea. Intense phosph 磷光图像原始标记的区域之间存在误差,将导致寿 ence trigged by alcohol upon formation of a cyclodextrin ternary 命测定的不准确性。 plex [j]. Journal of Physical Chemistry, 1993, 97(42) 由此,测量误差的最小化、磷光图像噪点水平的 11137-11142. 最低化以及两张磷光图像标记区域的最大化重叠等 [5 MORTELLARO M A, NOCERA D G. A turn-on for optical sens- (26) 将是目前分子标定测量技术研究中亟待解决的关键 [6 HARTMANN W K, GRAY M H B, PONCE A, et al.Substrate 问题。 induced phosphorescence from cyclodextrinlumophore host-guest 4结语 apexes [J]. Inorganica Chimica Acta, 1996,243(1-2):239 目前,针对分子标定测温技术在流体测温方面7] KOOCHESFAHANI MM, COHNR K, GENDRICH C E,ta 的显著优点,研究人员在流场分析、流体相变、喷雾 Molecular tagging diagnostics for the study of kinematics and mix- 过程、表面温度检测、燃烧过程分析等领域中进行了 ng in liquid phase flows [c]. In: Proceedings of the Eighth In- ternational Symposium on Applications of Laser Techniques to Flu- 些研究,并取得了一定的成果,验证了分子标定测 ids Mechanics, Lisbon, 8-ll, July, 1996 温技术在这些领域实施应用的可行性。这些研究成[8] GENDRICH C P, KOOCHESF AHANI MM, NOCERA D G.Mo 果加深了我们对相关微物理知识的理解与认识,更 lecular tagging velocimetry and other novel application of a new 为分子标定测温技术在其他领域的推广应用奠定了 phosphorescent supramolecule [J]. Experiment in Fluids, 1997 定的基础。 23(5):361-372 [9 KOOCHEFAHANI MM, NOCERA D. Molecular tagging velocime- 本文介绍了分子标定测温技术的测量原理,对 try [D]. Handbook of Experimental Fluid Dynamics, Eds. J 其中磷光分子示踪剂以及磷光寿命与温度的关系进 Foss, C. Tropea and A. Yarin, Chapter 5.4, Springer-Verlag 行了分析,并且重点阐述了分子标定测温技术在测 2007 温领域应用的研究现状。从当前的研究进展来看,[10) THOMSON S L, MAYNES D. Spatially resolved temperature 对于目前分子标定测温技术本身所存在的局限性, measurement in a liquid using laser induced phosphorescence 有待于研究人员的进一步技术优化以减小测量误[1m0H,. KOOCHESFAHANI M,LMCM山d要h 差。同时,研究人员可以围绕分子标定测温技术继 momery with adjustable temperature sensitivity [J]. Experiment 续开展一些深入研究:首先,对于磷光分子示踪剂, in Fluids,2006,40(5):753-763 研究发现其磷光发光强度对溶液的pH值也有很强「12)-HUH, KOOCHESFAHANI M. Thermal effects on the wake of a 的依赖性,因此,该示踪剂也可用在关于温度和pH heated circular cylinder operating in mixed convection regime 值变化的化学和生物研究分析领域中。然后,可以 [ Journal of Fluid Mechanics, 2011(685): 235-270 [13] HU H, JIN Z. An leing Physics Study by using Lifetime-based 将分子标定测温技术在其他相关领域中进行推广应 Molecular Tagging Thermometry Technique [J]. International 用。例如,分子标定测温技术定量化的测量方式以 Journal of Multiphase Flow, 2010, 36(8): 672-681
焦明顺,等:分子标定测温技术研究进展 图 9 不同尺寸、速度和温度的液滴飞溅过程 的分子标定测温技术测量结果 技术准确性的因素主要有两个: (1)由相机拍摄的两个磷光图像的噪点水平对 磷光寿命的测定影响很大; (2)如果第二张磷光图像的识别区域与第一张 磷光图像原始标记的区域之间存在误差,将导致寿 命测定的不准确性。 由此,测量误差的最小化、磷光图像噪点水平的 最低化以及两张磷光图像标记区域的最大化重叠等 将是目前分子标定测量技术研究中亟待解决的关键 问题。 4 结语 目前,针对分子标定测温技术在流体测温方面 的显著优点,研究人员在流场分析、流体相变、喷雾 过程、表面温度检测、燃烧过程分析等领域中进行了 一些研究,并取得了一定的成果,验证了分子标定测 温技术在这些领域实施应用的可行性。 这些研究成 果加深了我们对相关微物理知识的理解与认识,更 为分子标定测温技术在其他领域的推广应用奠定了 一定的基础。 本文介绍了分子标定测温技术的测量原理,对 其中磷光分子示踪剂以及磷光寿命与温度的关系进 行了分析,并且重点阐述了分子标定测温技术在测 温领域应用的研究现状。 从当前的研究进展来看, 对于目前分子标定测温技术本身所存在的局限性, 有待于研究人员的进一步技术优化以减小测量误 差。 同时,研究人员可以围绕分子标定测温技术继 续开展一些深入研究:首先,对于磷光分子示踪剂, 研究发现其磷光发光强度对溶液的 pH 值也有很强 的依赖性,因此,该示踪剂也可用在关于温度和 pH 值变化的化学和生物研究分析领域中。 然后,可以 将分子标定测温技术在其他相关领域中进行推广应 用。 例如,分子标定测温技术定量化的测量方式以 及优越的流体相变测温性能使其对于流体凝固、蒸 发、雾化等过程的实施具有一定的可能性,从而可以 应用于如涡轮机或 IC 引擎中燃烧室的喷油器/ 雾化 器的液滴雾化和蒸发过程中温度的测量等。 目前基 于磷光的分子标定测温技术主要集中在二维层面, 所以在将来可以开展该技术在三维测温领域的 应用。 参考文献(References): [1] HU H, KOOCHESFAHANI MM. A novel technique for quantitative temperature mapping in liquid by measuring the lifetime of laser induced phosphorescence [J]. Journal of Visualization, 2003, 6 (2):143-153. [2] 杨永军. 温度测量技术现状和发展概述[ J]. 计测技术,2009 (4):62-65. [3] 吴世康,李述汤. 磷光电致发光器件研究中的若干问题[ J]. 化 学进展,2001,13(6):413-419. [4] PONCE A, WONG P A, WAY J J, et al. Intense phosphorescence trigged by alcohol upon formation of a cyclodextrin ternary complex [J]. Journal of Physical Chemistry, 1993, 97 ( 42): 11137-11142. [5] MORTELLARO M A, NOCERA D G. A turn-on for optical sensing [J]. Chemtech, 1996(26):17-23. [6] HARTMANN W K, GRAY M H B, PONCE A, et al. Substrate induced phosphorescence from cyclodextrinlumophore host - guest complexes [J]. Inorganica Chimica Acta, 1996, 243(1-2):239 -248. [7] KOOCHESFAHANI MM, COHN R K, GENDRICH C P, et al. Molecular tagging diagnostics for the study of kinematics and mixing in liquid phase flows [C]. In: Proceedings of the Eighth International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluids Mechanics, Lisbon, 8-11, July, 1996. [8] GENDRICH C P, KOOCHESFAHANI MM, NOCERA D G. Molecular tagging velocimetry and other novel application of a new phosphorescent supramolecule [J]. Experiment in Fluids, 1997, 23 (5): 361-372. [9] KOOCHEFAHANI MM, NOCERA D. Molecular tagging velocimetry [ D]. Handbook of Experimental Fluid Dynamics, Eds. J. Foss, C. Tropea and A. Yarin, Chapter 5. 4, Springer-Verlag, 2007. [10] THOMSON S L, MAYNES D. Spatially resolved temperature measurement in a liquid using laser induced phosphorescence [J]. Journal of Fluids Engineering, 2001,123(2):293-302. [11] HU H, KOOCHESFAHANI M, LUM C. Molecular tagging thermometry with adjustable temperature sensitivity [J]. Experiment in Fluids, 2006, 40 (5): 753-763. [12] HU H, KOOCHESFAHANI M. Thermal effects on the wake of a heated circular cylinder operating in mixed convection regime [J]. Journal of Fluid Mechanics, 2011(685):235-270. [13] HU H, JIN Z. An Icing Physics Study by using Lifetime-based Molecular Tagging Thermometry Technique [ J]. International Journal of Multiphase Flow, 2010, 36(8): 672-681. 7
8 14]阳静.微流体三维速度场和温度场测试方法研究[D [30] JIN Z, HU H. leing Process of Small Water Droplets Impinging 州:浙江大学,2015 onto a Frozen Cold Plate [J]. Joumal of Thermophysics and [15 BRUBACH J, PATT A, DREIZLER A. Spray thermometry using Heat transfer,2012,24(4):841-84 ermographic phosphors [J]. Applied Physics B, 2006, 83 [31] OMRANE A, JUHLIN G, OSSLER F, et al. Temperature meas- urements of single droplets by use of laser-induced phosphores- [16] Remie M, Samer G, Cremers M, et al. Heat-transfer distribu- cence [J]. Applied Optics, 2004, 43(17): 3523-3529 ion for an impinging laminar flame jet to a flat plate [J]. Inter- [32] OMRANE A, SARNER G, ALDEN M national Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, 51 (11 ging of single droplets and sprays using thermographic phosphors 12):3144-3152. [ Applied Physics B, 2004, 79(4): 431-434 [17]白书战.基于激光诱导光谱技术的发动机缸内燃料浓度和温[33] OMRANE A, SANTESSON V, ALDEN M,etal. Laser tech 度分布的试验研究[D]济南:山东大学,20 iques in acoustically levitated micro droplets [J]. Lab on a 18]白书战,赵华,李国祥激光诱导磷光测温技术在缸内温度测 Chip,2004,4(4):287-291 量中的应用[冂].燃烧科学与技术,2010,16(6):515-518 [34] LI H, CHEN F, HU H. Simultaneous Measurements of Droplet [19]白书战,李国祥.基于激光诱导磷光测试技术的发动机缸内 Size, Velocity and Temperature of In-flight" Droplets in a 燃烧温度测试[冂].红外与激光工程,2012,41(3):617-6 Spray Flow by using a Molecular Tagging Technique [20 HU H, KOOCHESFAHANI M. Molecular tagging velocimetry AlAA Science and Technology Forum and Exposition, 2015. and thermometry and its application to the wake of a heated cir- [35 LI H, CHEN F, HU H. Simultaneous Measurements of Droplet cular cylinder [J]. Measurement Science and Technology Size, Velocity and Temperature of"In-flight" Droplets in a 2006,17(17):1269-1281 Spray Flow by using a Molecular Tagging Technique [J].Ex- [21 LUM C, HU H, KOOCHESFAHANI MM. Simultaneous velocity periments in Fluids, 2015, 56(10): 1-14 and temperature measurements in electroosmotically driven flow [36] BRUBACH J, PATT A, DREIZLER A. Spray thermometry using in a microchannel using molecular tagging velocimetry and ther- thermographic phosphors [J]. Applied Physics B, 2006, 83 momery [C]. In: Proceedings of the 57th Annual Meeting of (4):499-502. APS Division of Fluid Dynamics. Seattle, Washington, 21-23 [37] OMRANE A, GORANSSON U, OSSLER F, et al. Su November. 2004. perature measurement of flame spread using thermographic phos [22 LUM C. An Experimental Study of Pressure andElectroosmotical ors[J]. Fire Safety Science, 2002(7): 141-152. ly-Driven Flows in Micro- channels with Surface Modifications [38] OMRANE A, OSSLER F, ALDEN M. Two-dimensional sur- [R]. Doctoral Dissertation, Michigan State University face temperature measurements of buming materials [J].Pro- [23] ROSS D, GAITAN M, LOCASCIO L E. Temperature measure. ceedings of the Combustion Institute, 2002, 29(2): 2653 ment in microfluidic systems using a temperature-dependent flu- 2659 orescent dye [J]. Analytical Chemistry, 2001, 73(17): 4117- [39] ANE A. 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