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