文|明述沣

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定量富扁平层流预混C中乙炔的摩尔分数使用了中红外偏振光谱的空气火焰。这句话中包含了以下几个关键词和概念：

定量富扁平层流预混C：指的是一种预混燃烧系统，其中富含乙炔作为燃料，并且其气流在燃烧室中以特定的层流方式流动。定量富扁平层流预混C通常是用于实验室研究和燃烧过程分析。

实验设置

实验设置分为三个部分，分别是激光系统，用于在3.1μm左右的光谱区域产生红外辐射，McKenna燃烧器用于产生预混C2H4/空气烟灰火焰，以及带信号检测的激光诊断系统。图1显示了这项工作中使用的设置示意图。

不同HAB下的气体温度由直径为75μm的无涂层Pt/Pt-R热电偶（Omega）测量。根据热辐射损失法对测量值进行校正。选择细线热电偶以最小化电导率和辐射效应以及结处的其他催化效应。

扁平预混C2H4/空气火焰在水冷麦肯纳燃烧器中产生，该燃烧器具有直径为 60 毫米的多孔板。在HAB = 80 mm的高度处使用直径为21-mm的钢板来稳定火焰。为保证气体的均匀混合，C的混合物2H4空气通过 10 m 特氟龙管从质量流量计输送到燃烧器。

C的总流量2H4空气控制在 5 L/min。此外，氮气被控制在1 L/min的流速下，并用作共同流动以保护火焰。以1毫米的分辨率垂直遍历燃烧器，以在不同的HAB下进行测量。

注入晶种Nd：YAG激光器（Quantel，YG980）的二次谐波工作波长为532 nm，用于泵浦可调谐染料激光器（Quantel，TDL90），该激光器与从Luxottica/Exciton购买的激光染料LDS 798和LDS 765的混合物一起运行。然后将染料激光器的输出与一部分Nd：YAG基波红外1064 nm光束在与铌酸锂（LiNbO）的混合单元中混合。3） 水晶。

在第一个CaF中，632.8 nm的HeNe激光器与红外光束进一步重叠2分束器 （BS1） 用于可视化红外光束路径并便于对准。通过第二个分束器（BS2）后，~4%的红外光束被反射并用作探头光束，而剩余的透射红外光束用作泵浦光束。

泵和探头光束聚焦 f = 500 mm 和 f = 750 mm CaF2镜头，分别。在泵浦光束的路径中放置四分之一波板以产生圆极化，从而增强C的P和R分支2H2检波。

将燃烧器放置在探头光束路径中的两个交叉红外偏振器（YVO4）之间。探头光束与强泵浦光束在燃烧器中心的检测体积处交叉，交叉角约为5○.通过检测体积后，泵浦光束被束流转储阻挡，而探头光束使用 f = 750 mm CaF 平行出现2镜头 （L3），然后聚焦 f = 100 mm CaF2透镜（L4）到液氮冷却铟锑化物（InSb）检测器（滨松光子学，P5968-060）。

此外，为了监测输入激光功率，使用分束器（BS4）将~10%的探针光束反射到放大的红外探测器。被Nd：YAG激光器触发后，激光功率信号和C的IRPS信号2H2可以同时收集并存储在 1 GHz 示波器中，以避免与输入功率波动相关的误差。

化学动力学模型

使用Chemkin-Pro软件包中的预混层流燃烧器稳定火焰模型模拟了稀薄条件下的火焰。选择南加州大学（USC）开发的机理进行化学动力学分析，以模拟C的摩尔分数2H2.这项工作中使用的机理是“H2/CO/C1-C4化合物“，包含784个反应，包括乙烯燃烧的综合反应模型。

最大格网点数为 250，以提供与格网无关的结果，并将此模型的其他求解器参数设置为默认值。Chemkin模拟是通过施加测量的温度曲线进行的，Φ = 1.3和1.5。开姆金模型用于校准模拟的C2H2摩尔分数，χC2H2，从实验IRPS信号中得到定量校准因子。

然后，通过校准因子将烟灰火焰的IRPS强度校准到其摩尔分数。C的摩尔分数2H2作为燃烧器上方高度的函数，在不同的烟灰火焰条件下得到了很好的解析。

结果和讨论

图2显示了IRPS信号强度对泵浦激光功率的依赖性。通过使用不同的中性密度滤光片改变泵浦激光功率并使用2.5%乙炔和N的混合物来测量依赖性2.在这项工作中，3.1 μm中红外光束的最大激光能量为1.5 mJ，这有助于1.44 mJ的最大泵浦激光能量。

C的实测和模拟IRPS光谱的典型例子2H2在Φ = 2.1和HAB = 5 mm的火焰中收集。用于模拟 C 的光谱2H2，从HITRAN数据库中提取线的位置和强度参数，并用洛伦兹函数表征线剖面。将测量的光谱与模拟光谱进行比较，以确定过渡线的位置。

根据图。在火焰条件下，由于强度高，背景噪声干扰小，标出一条强振动过渡P（19）线作为本作品的候选线。如方程中所述。（1）和（2），一些具有小吸收截面的弱跃迁，σ，可能无法使用不饱和IRPS检测到，其中泵能量不够高。

为了获得P（19）线的高分辨率IRPS信号，在3248.3至3248.8 cm的窄光谱范围内进行了低速波长扫描−1.图4显示了在19 mm、2 mm和3 mm的HAB下，Φ = 5.7的P（10）线在火焰中的IRPS扫描。扫描波长间隔为 0.00167 cm−1在两次连续测量之间。

（b）至（c）虽然IRPS强度随着有害藻华的增加而降低，但不同有害藻华的信号线宽非常相似。在火焰条件下，由于碰撞展宽和多普勒展宽，线宽与温度和压力有关。

泵浦束散射对IRPS信号的影响与抽吸相比，抽气的背景水平提高了 15%。由于探针光束的能量远低于泵浦光束，散射光主要由泵浦光束贡献，进而导致背景水平的提高。虽然可以通过增加探头光束和泵浦光束之间的交叉角来减少泵浦散射，但是，由于检测体积较小，较大的交叉角可能会导致IRPS信号较弱。

因此，实验中使用的交叉角为5°，以实现相对较少的泵浦散射，但足够的IRPS信号强度。另一方面，与IRPS信号相比，背景电平的波动仅为最大IRPS强度的1%。因此，在这项工作中可以忽略泵浦散射的影响。

为了能够在火焰条件下校准IRPS信号强度，C的摩尔分数2H2通过改变 Φ = 1.3 和 1.5 中的 HAB 而变化。对于这两个Φ，Chemkin有望产生可靠的结果和C的摩尔分数2H2足够高，可用于校准。

实验 IRPS 强度的平方根与模拟 C 摩尔分数的函数关系2H2对于 Φ = 1.3 和 1.5 火焰条件：将不同HAB下的实验信号与图中的Chemkin模型进行了比较。（a）和（c）条，并提出良好协议。

提出两种方法，即积分IRPS强度和最大IRPS强度。积分IRPS强度是通过对整个波长上的信号强度求和来表示的，而最大IRPS强度是通过对中心波长图中的线拟合6（b）和（d）显示了校准公式。两种方法都产生一致的趋势，但是，最大 IRPS 强度显示出较大的方差。

根据方程。（1）和（2）的IRPS强度与所研究物种的摩尔分数的平方成正比。因此，两个量通过单个校准因子连接。基于简单的线性拟合，校准因子 C1，对于最大行数为 2.48 × 10–3.线路积分校准系数，C2，是 C 的 1.45 倍1.线积分法和线最大值的置信水平和R平方值分别为95%和0.977和0.939。

由于积分IRPS强度在实验结果和建模结果之间具有较好的一致性，因此选择它来推断C2H2在随后的测量中，烟灰火焰的IRPS强度的摩尔分数，即Φ = 1.7，2.1和2.3。

另一方面，使用积分IRPS强度和最大IRPS强度进行校准之间的差异是由线宽的影响引起的，线宽随着温度的升高而减小。值得一提的是，虽然最大IRPS强度没有考虑线宽的影响，但其标定仍然可以通过R平方值相对较高的线性方程很好地拟合。

C的摩尔分数2H2作为 Φ = 1.7、2.1 和 2.3 的烟灰火焰的燃烧器表面上方高度的函数。该 C2H2每个数据点的摩尔分数根据相应的线积分校准因子C 进行校准2.HAB从3 mm升高到10 mm进行空间分辨测量。误差线是根据三次重复测量计算的。

由于富含燃料的火焰可以促进C的形成2H2， 更多 C2H2在火焰中检测到的物质具有较高的当量比。从图。7、第一次观察到C2H2摩尔分数出现在3 mm的HAB处，测量值分别为2003 ppm，2217 ppm和2495 ppm，Φ = 1.7，2.1和2.3。

摩尔分数随着HAB的增加而增加，分别达到最大值2296 ppm、2807 ppm和3478 ppm，Φ = 1.7、2.1和2.3。根据背景水平和图的斜率。6（b），检测限（LoD）计算为35±5 ppm。

此外，C峰摩尔分数的位置2H2也随火焰条件而变化。当当量比从1.7增加到2.3时，C的峰值摩尔分数2H2从 4-5 毫米的 HAB 偏移。另一方面，当增加HAB时，C2H2可能由向上形成的多环芳烃和烟灰做出贡献。观察到摩尔分数在HAB处达到~8 mm的平台区域。

此摩尔分数曲线类似于 C 中的结果2H4Otti 等人报告的 Φ 从 1.77 到 2.37 的空气火焰 ，其中富含燃料的火焰表现出更大的峰值摩尔分数 C2H2摩尔分数随着HAB的增加而衰减，直到~7毫米。

另一方面，将缩放的 IRPS 结果与 Φ = 1.7、2.1 和 2.3 的 Chemkin 模拟结果进行了比较。与实测结果相比，模拟结果具有更高的C峰摩尔分数2H2它的位置也转移到更高的HAB。当增加等效比率时，这种差异变得更加明显。

Φ = 2.3时，C的模拟峰摩尔分数2H2其位置分别比测量结果高约 750 ppm 和 2 mm。测量值和计算值之间的明显差异χC2H2值很明显，在丰富的火焰条件下应用Chemkin的局限性，因为在此Chemkin模型中无法预测烟尘的形成。作为 C2H2在烟灰形成过程中消耗，C的摩尔分数较高2H2在模拟结果中进行了预测，特别是在高度舒缓的条件下。

对于短有效脉冲长度，估计为 4 纳秒，以 C 为单位的动力学碰撞次数2H2-N2和 C2H2-一氧化碳2系统分别小于 5 和小于 1。换句话说，分子碰撞以N为主2，并且可能不需要事先了解混合物馏分。

虽然摩尔分数为N的2随着有害藻华的增加而降低，而一氧化碳2具有相反的趋势，N的摩尔分数2比一氧化碳高20倍以上2，这使得碰撞展宽系数γC2H2−主导总碰撞展宽系数γC2H2−x因此，根据图8（c），值γC2H2−x周围 0.074 厘米−1自动取款机−1对于两种火焰，这与N 的碰撞展宽系数非常相似。

HAB = 3 mm时的气体温度被确定为1400±30 K。由于 LoD 被评估为比记录的最低 C 小 ~ 60 倍2H2摩尔分数，我们可以得出结论，产生C2H2受 1400 ± 30 K 的临界气体温度的影响。C的摩尔分数2H2达到最高火焰温度时增加到最大值。例如，在 Φ = 2.3 时，C 的摩尔分数2H2发现在~1500±30K的火焰温度下达到最大值。

烟尘体积分数随C的衰减趋势而显著增加2H2摩尔分数。它证实了C的作用2H2在烟尘的形成和烟尘形成的起始温度为~1500±30K。这与Algoraini等人最近的研究非常吻合，他们报告了低压C下的烟尘起始温度。2H4/空气预混火焰为 1465 ± 66 K。有趣的是，临界烟尘起始温度与气体温度相同。

乙炔在火焰中起着重要的作用，但对其进行定量测量并不容易。研究人员使用了一种叫做中红外偏振光谱（IRPS）的技术来测量乙炔的摩尔分数。通过这个技术，他们能够精确地检测到火焰中乙炔的存在和浓度。

在不同的火焰条件下，乙炔的摩尔分数会有所不同。在含有更高等效比的火焰中，乙炔的摩尔分数更高。这项研究的结果可以帮助我们更好地了解火焰的燃烧过程，以及乙炔对环境和健康的影响。IRPS技术还可以用于测量其他重要物质，如氨和羟基自由基，在火焰中的存在和浓度。这项研究展示了IRPS技术在火焰环境中的潜在应用价值。