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| 編輯推薦： |
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平面激光诱导荧光Planar Laser-Induced Fluorescence，简称PLIF技术属于激光光谱学诊断技术，是一种新的流动显示和流动测量方法，是非介入式的、能实时获得二维甚至三维空间分布信息的实验方法。不仅可以定性揭示流动的内部结构，而且与图象处理技术结合起来，可以进行浓度场、温度场、压力场以及速度场的定量测量。对解决当前火电和核电工程中的温排水测量和水利工程中的模拟污染物测量，对开展湍流基础研究和流体力学（水力学）教学演示具有重要价值。同时，在火焰燃烧、过程工程和化学工程领域也得到广泛应用。《激光诱导荧光技术——在水体标量场测量中的应用》是国内第一本PLIF技术测量浓度场的学术专著。
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| 內容簡介： |
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《激光诱导荧光技术——在水体标量场测量中的应用》是关于平面激光诱导荧光planar laser-induced fluorescence，PLIF 技术方面的学术专著。《激光诱导荧光技术——在水体标量场测量中的应用》介绍了PLIF 技术测量流动参量的基本原理，建立了一套PLIF 技术测量浓度场系统，对测量系统的影响因素进行了全面分析，提出了二维数字校正理论和方法。在此基础上，《激光诱导荧光技术——在水体标量场测量中的应用》将PLIF 技术测量浓度场的理论和方法应用于自由紊动射流测量、紊动射流的分维测量和工程应用领域常见的横流环境中的射流测量，介绍了作者取得的一系列初步研究成果，同时，对PLIF 技术在火焰燃烧、高速气动力学、传热传质、环境水力学等领域的应用和LIF 技术测量设备的发展进行了述评和展望，提出了3DLIF 技术测量三维浓度场和温度场的关键技术。最后，介绍了研发3DLIF 技术测量三维浓度场和温度场设备的技术方案。
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| 關於作者： |
黄真理，1966 年10 月生。1993年毕业于清华大学水利系，获工学博士学位。1993 年以来，在国务院三峡工程建设委员会办公室从事技术与管理工作。2002 年2 月至2012 年8 月，任国务院三峡工程建设委员会办公室水库管理司副司长，研究员。2012 年8 月至今，任国家能源局、水利部国家水电可持续发展研究中心中国水利水电科学研究院水电
可持续发展研究中心主任，教授级高级工程师。在国内外学术刊物和会议发表论文60 余篇，著作和技术报告10 余部。作为主要完成人，曾获2005 年国家科技进步奖二等奖1996 年国家教委科技进步奖三等奖，1998 年教育部科技进步奖二等奖，2005 年教育部提名国家科技进步奖一等奖，2008 年国家广播电影电视总局科技创新奖一等奖。
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| 目錄：
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符号表第1章绪论................................................................... 1
1.1 荧光现象............................................................... 2
1.2 LIF 技术测量浓度场和温度场原理..................................... 5
1.2.1 LIF 技术测量浓度场原理............................................ 5
1.2.2 LIF 技术测量温度场原理............................................ 7
1.3 LIF 技术初期应用......................................................8
参考文献................................................................... 11
第2章PLIF技术测量浓度场系统...........................................14
2.1 激光器的选择......................................................... 14
2.2 荧光物质的选择及其光谱分析........................................ 16
2.2.1 荧光物质的选择................................................... 16
2.2.2 荧光素钠的激发和发射光谱分析.................................... 17
2.2.3 荧光素钠的紫外分析............................................... 19
2.2.4 截止滤光片的选择及其透光分析.................................... 20
2.3 PLIF 技术的光学、图像采集和图像处理系统......................... 22
2.3.1 光学系统......................................................... 22
2.3.2 图像采集系统..................................................... 24
2.3.3 图像处理系统..................................................... 24
2.4 荧光强度的影响因素分析............................................. 26
2.4.1 浓度对荧光强度的影响.............................................26
2.4.2 激光功率对荧光强度的影响........................................ 27
2.4.3 温度对荧光强度的影响.............................................28
2.4.4 pH 对荧光强度的影响............................................. 29
2.4.5 截止滤光片对荧光强度的影响...................................... 29
2.5 二维数字校正理论和方法............................................. 30
2.5.1 二维荧光强度分布................................................. 30
2.5.2参数Hm和f的确定.............................................. 32
2.5.3参数ε和α的确定................................................ 32
2.5.4 二维数字校正方法................................................. 34
参考文献................................................................... 35
第3章PLIF技术测量自由紊动射流........................................ 36
3.1 射流时均浓度和瞬时浓度............................................. 37
3.2 射流脉动浓度和能谱.................................................. 39
3.3 射流浓度分布特征.................................................... 41
3.4获得高质量PLIF图像的要点......................................... 43
参考文献................................................................... 44
第4章PLIF技术测量横流中的紊动射流................................... 45
4.1 横流中垂向纯射流的流动特征........................................ 45
4.1.1静止水域中“浅水”概念及隆起高度的计算...........................45
4.1.2 有横流时流动转变条件的确定...................................... 50
4.1.3有横流时的“浅水”概念........................................... 54
4.1.4 小结............................................................. 55
4.2 PLIF 试验和测量装置.................................................55
4.2.1 水槽和模拟污染物排放系统........................................ 55
4.2.2 PLIF 系统的布置..................................................57
4.3 污染源浓度的选择.................................................... 58
4.4 测量工况的基本参数及浓度测量结果................................. 58
4.4.1 工况I ............................................................ 59
4.4.2工况II........................................................... 64
4.4.3工况III.......................................................... 67
4.4.4工况IV.......................................................... 67
4.4.5 工况V .......................................................... 69
4.5 浓度分布特征分析.................................................... 75
4.5.1 时均浓度与瞬时浓度的比较........................................ 75
4.5.2 马蹄形结构、分叉现象和尾涡....................................... 75
4.5.3 单孔射流边界和中心线.............................................76
4.5.4 单孔射流轴线..................................................... 78
4.6 小结...................................................................80
参考文献................................................................... 80
第5章PLIF技术在湍流机理研究的应用................................... 83
5.1 引言...................................................................83
5.1.1 分形与分维概念................................................... 84
5.1.2 分形理论的意义及其在流体力学中的应用............................ 87
5.2 分维测量方法及测量软件的检验...................................... 92
5.2.1 分维测量方法..................................................... 92
5.2.2 测量软件的检验................................................... 94
5.2.3 分维测量的不确定性问题...........................................96
5.3 紊动射流的分维测量及分析........................................... 97
5.3.1 射流分维尺度的上、下临界点....................................... 99
5.3.2射流分维D沿程的变化.......................................... 100
5.3.3射流分维D随CC0的变化...................................... 100
5.3.4 完全发展湍流的分维..............................................102
5.3.5 问题讨论........................................................ 103
5.3.6 湍流分形特征的评价..............................................105
5.4 小结和展望.......................................................... 106
参考文献.................................................................. 108
第6章PLIF技术的现状及展望............................................ 111
6.1 PLIF 技术的现状和发展............................................. 111
6.1.1从LIF技术到3DLIF技术........................................111
6.1.2 传统激光器和片光源技术......................................... 112
6.1.3 片光源扫描方式.................................................. 117
6.1.4 激光波长与荧光物质的匹配....................................... 118
6.1.5 PLIF 的校正技术................................................ 122
6.1.6 PLIF 技术测量速度场............................................ 122
6.2 PLIF 技术在流体测量中的广泛应用................................. 125
6.2.1 火焰燃烧........................................................ 125
6.2.2 高速气动力学.................................................... 128
6.2.3 传热传质........................................................ 129
6.2.4 环境水力学...................................................... 130
6.3 PLIF 技术测量设备的现状...........................................132
6.4 3DLIF 三维测量设备研发的重要性.................................. 134
6.4.1 3DLIF 技术对科学研究的重要性...................................135
6.4.2 对促进国家经济社会发展的作用................................... 136
6.4.3 3DLIF 技术对工程建设的作用.....................................137
6.5 3DLIF 三维测量设备研发的关键技术................................ 138
6.5.1 总体设计与系统集成技术......................................... 138
6.5.2 大尺寸矩形均匀片光源技术....................................... 138
6.5.3 扫描运动平台设计和制造技术..................................... 140
6.5.4 图像同步高速采集与存储技术..................................... 141
6.5.5 标定和校正以及三维重构技术..................................... 142
6.6 与国外同类设备的比较.............................................. 143
参考文献.................................................................. 144
第7章3DLIF技术测量三维浓度场和温度场设备研发的技术方案......... 155
7.1 总体技术方案........................................................ 155
7.1.1 总体框架........................................................ 155
7.1.2 需求分析........................................................ 157
7.1.3 技术路线........................................................ 158
7.1.4 技术难点........................................................ 159
7.1.53DLIF技术测量浓度场温度场研发设备总体技术指标............. 160
7.2 激光器和片光源分系统.............................................. 160
7.2.1 大尺寸矩形均匀片光源关键技术................................... 160
7.2.2 大尺寸矩形均匀片光源解决方案................................... 162
7.3 扫描运动平台分系统................................................. 166
7.3.1 片光源扫描平台.................................................. 167
7.3.2 相机运动平台.................................................... 169
7.4 图像采集和存储分系统.............................................. 169
7.4.1 高速图像采集系统................................................169
7.4.2 高速图像存储系统................................................171
7.4.3 UPS 不间断电源................................................. 173
7.4.4 软件开发........................................................ 173
7.5 同步控制分系统......................................................173
7.6 计算机和图像处理软件分系统....................................... 180
7.6.1 系统检测和参数采集..............................................180
7.6.2 图像采集........................................................ 181
7.6.3 图像处理........................................................ 183
7.6.4三维浓度温度场重建...........................................185
7.7 标定与校正分系统................................................... 193
7.7.1标定校正装置................................................. 194
7.7.2 校正软件........................................................ 197
7.8 系统集成.............................................................202
7.8.1 系统集成技术路线................................................202
7.8.2 单元集成........................................................ 203
7.8.3 总体集成与调试.................................................. 206
7.8.4 系统总体技术指标和各分系统主要技术指标.........................207
参考文献.................................................................. 209
索引........................................................................... 210
后记........................................................................... 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 ScanningMoving 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
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| 內容試閱：
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第1 章绪论
在科学研究中，如果能够直观地对由某一物理过程产生的或与它相关联的图像进行观察研究，那么，对该物理现象的理解就会更为深入。流体力学、水力学的学科发展，得益于流动显示观察技术的进步。当我们考察一个流体力学过程，如流动的分离时，这一点更为明显。通过观察流动图像，人们可以得到流动整个发展过程的概念。为了辨认流体的运动，必须提供一套使流动可视化的技术，这种技术称为流动显示技术。在流体力学的发展过程中，层流和湍流概念的提出，激波现象、边界层、猝发现象以及湍流边界层中大涡结构的发现等，都借助于流动显示技术，它对了解流体力学问题起着十分重要的作用。然而，除了演示性外，随着计算机和图像处理技术的发展，许多流动显示技术更重要的作用是能够从所获得的流动图像推导出定量的数据，这种技术能够在流动不受干扰的情况下提供整个流动的定量信息。相反，单一的流动测量仪器，如某些压力、温度或电导探头以及LDV测速仪，只能提供流场中某一点的信息。另外，探头的存在对流动会产生某种程度的影响。流动显示技术的发展突飞猛进，方法多种多样，总结起来，大体上可分为三类[1]：第一类包括在流动流体中添加外来可视物的所有方法，如在液体中加入染料、在空气中加入烟和蒸汽、作用粒子或氢气泡示踪测量速度等；第二类为借助于流体密度变化的光学显示，如光偏转显示法、干涉法等；第三类为附加热和能量的流动显示，是第一、二类方法的结合，如火花示踪技术、激光诱导荧光技术等。
激光诱导荧光laser-induced.uorescence，LIF技术是一种新的流动显示和流动测量方法，不仅可以定性揭示流动的内部结构，而且与图像处理技术结合起来，可以进行浓度场、温度场、压力场以及速度场的定量测量[2.26]。该技术自20世纪70年代中期用于剪切层的混合流动显示开始发展起来，已经历了从气体到水体，从定性到定量，从线测量到面测量等发展过程，逐步得到改进和完善。例如，多种激光染料用于水体的流动显示，根据诱导荧光对酸度pH的敏感用于化学反应流动中进行显示，在超音速气体流动研究中加入碘蒸气或NO气体可提高流动显示的可视性等，结合激光片光技术的发展，已广泛应用于旋涡分离流、化学反应流、混合流和湍流基础研究中，有效地揭示了流动的三维结构。特别是80年代以来，由于光敏元件特别是高分辨率、高灵敏度的CCDcharge-coupleddevic
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