红外分子标记测速法.pdf

文章编号：1672-9897(2023)05-0041-08doi：10.11729/syltlx20230036红外分子标记测速法胡臻1，宋子豪2，王巍添1，朱宁1，超星1,*1.清华大学能源与动力工程系，北京1000842.清华大学航天航空学院，北京100084摘要：分子标记测速法（MTV）和粒子成像测速法（PIV）常被用于流动显示和流场成像测量，但在示踪粒子跟随性差、示踪粒子分布不均匀时，示踪粒子的引入会给 PIV 带来速度测量系统误差，而不需引入示踪粒子的 MTV 因荧光寿命长度限制，主要应用在高速和超声速流动测量中。为了发展无需示踪粒子、可适用于低速气流场的二维流速成像方法，本文介绍了一种基于激光诱导红外荧光的新型分子标记测速法，并在二氧化碳气体轴对称湍流射流中进行了速度测量与验证。在红外分子标记测速法中，通过红外脉冲激光选择性激发气体小分子的共振振动能级跃迁实现分子的标记，随后通过红外相机对不同时刻下跟随流场流动的激发态分子记录其发射荧光分布，进而处理得到流动速度场信息。通过考虑分子振动能量传递过程模型、有限荧光寿命、横向速度分量和分子扩散运动对荧光分布的影响，实现从荧光分布图像定量获取速度场分布。将该方法应用于 551m/s 速度的二氧化碳湍流射流中，得到了射流轴向速度的径向分布，速度测量的相对不确定度优于 8%，径向空间分辨率达到 107m，且该速度分布与湍流射流理论结果及前人实验测量结果符合较好。利用该方法分辨了射流在不同轴向位置的径向速度分布，观察到了射流从势核区到充分发展区的演变。利用该方法可以获得低速气流场的高分辨瞬时速度成像，后续通过提高红外激光的脉冲功率、激发效率和重复频率，可以进一步提高该方法的测量精度、空间分辨率和时间分辨率，从而有潜力在近壁面流动、微尺度流动和大梯度流动等粒子示踪不适合用场景中提供定量流场测量的有效途径。关键词：分子标记测速法；轴对称湍流气相射流；红外激光诱导荧光；低速气流场速度成像中图分类号：O433文献标识码：AInfrared molecular tagging velocimetryHU Zhen1，SONG Zihao2，WANG Weitian1，ZHU Ning1，CHAO Xing1,*1.Department of Energy and Power Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China2.School of Aerospace Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,ChinaAbstract:MolecularTaggingVelocimetry(MTV)andParticleImagingVelocimetry(PIV)areoftenusedforflowvisualizationandvelocityfieldimaging.However,therequirementfortracerparticlescanbringsystematicerrorstothevelocitymeasurementofPIVmethodwhenthetracerparticleshavepoorfollowabilityandunevendistribution.InthecaseofMTV,althoughparticleseedingisnotrequired,thefinitefluorescencelifetimeofthetracermoleculestypicallyconstrainsitsuseonlyinhigh-speedandsupersonicflows.Todevelopavelocityfieldimagingmethodwithnorequirementsoftracerparticlesandsuitableforlow-speedflows,anovelMTVmethodbasedoninfrared(IR)laser-inducedfluorescenceisdevelopedandverifiedinaxisymmetricturbulentjetofcarbondioxide.Resonantvibrationaltransitionofthesmallgasmoleculeisselectivelyexcitedbyaninfraredpulsedlasertoachievemoleculartagging,andthefluorescencedistributionsoftheexcitedmoleculesatdifferentinstantsarethenimagedbyaninfraredcamera,fromwhichthevelocitydistributionsarededuced.Theeffectsofthemolecularvibrationalenergytransferprocessmodel,finitefluorescencelifetime,lateralvelocitycomponentandmoleculardiffusionmotionon收稿日期：2023-03-17；修回日期：2023-06-27；录用日期：2023-07-11基金项目：国家自然科学基金项目（51976105）；航空发动机及燃气轮机基础研究项目（J2019-III-0018-0062）；国家重点研发计划项目（2022YFB4003902）*通信作者E-mail：引用格式：胡臻,宋子豪,王巍添,等.红外分子标记测速法 J.实验流体力学,2023,37(5):41-48.HUZ,SONGZH,WANGWT,etal.InfraredmoleculartaggingvelocimetryJ.JournalofExperimentsinFluidMechanics,2023,37(5):41-48.第37卷第5期实验流体力学Vol.37，No.52023年10月Journal of Experiments in Fluid MechanicsOct.，2023thefluorescencedistributionareanalyzedtoimprovetheaccuracyofthevelocitymeasurement.The proposed method has been successfully verified in carbon dioxide turbulent jets withvelocitiesrangingfrom5m/sto51m/s,andtheradialdistributionoftheaxialvelocityinthemainregionofthejetismeasured.Theradialspatialresolutioncanreach107microns,andthevelocitydistributionisconsistentwiththetheoreticalcalculationofturbulentjetsandpreviousexperimentalresults.Therelativeuncertaintyofvelocitymeasurementisbetterthan8%.Thismethodcanbeusedtoobtainhigh-resolutioninstantaneousvelocityimagingoflow-speedflowfield.Subsequently,byimprovingthepulsepower,excitationefficiencyandrepetitionfrequencyoftheinfraredlaser,themeasurementaccuracy,spatialresolutionandtemporalresolutionofthismethodcanbefurtherimproved.Therefore,theproposedmethodbearsgreatpotentialtoprovideaquantitativevelocityfieldimagingmethodinthenear-wallflow,micro-scaleflowandlargegradientflowwhereitisdifficulttointroducetracerparticles.Keywords:moleculartaggingvelocimetry;axisymmetricturbulentgaseousjet;infraredlaser-inducedfluorescence;velocityimagingoflow-speedgasflow 0 引言实验流体力学作为流体科学发展的方向之一，对理论流体力学和计算流体力学起到了物理现象预测和实验数据支撑的作用，是研究和理解复杂流动物理的关键工具。随着理论物理模型和数值计算方法的发展，流动问题的计算结果所包含的信息越来越丰富，从而对流体实验方法的测量精度、时间分辨率和空间分辨率等性能提出了更高的要求。传统的接触式流体测量方法，如皮托管和热线风速仪等，因为成本低、使用简单、响应快速等优点受到实验流体力学研究者的广泛青睐。然而，受测量原理的限制，这些接触式方法在测量时需要将物理探头侵入到待测流场中，这往往会给流场带来干扰，从而影响测量结果的准确性，且在多空间点同时测量时往往需要布置更多的探点，从而进一步增大了测量的系统误差。因此，发展具有非侵入式、高时空分辨、单次多点同时测量、速度与标量同时测量等特性的流场测量方法，是拓展流体测量方法应用范围、研究复杂流动现象的重要需求。近年来，许多基于光学与激光的新型流体速度测量方法得到了广泛的理论和实验研究，旨在实现多空间维度、多尺度湍流结构所主导的复杂流动中的非侵入性测量1-3。激光多普勒测速4（Laser Do-ppler Velocimetry,LDV）和可调谐二极管激光吸收光 谱 测 速 法5（Tunable Diode Laser AbsorptionSpectrometry,TDLAS）基于运动产生的多普勒频移来进行速度测量，主要用于单点测速，难以在复杂流场中实现流动可视化。基于示踪粒子位移的测速方法，如分子标记测速法6（Molecular Tagging Veloci-metry,MTV）、粒子图像测速法7（Particle ImagingVelocimetry,PIV）和粒子跟踪测速法8,9（ParticleTagging Velocimetry,PTV）等，通过跟踪示踪分子或粒子在不同时刻的位移，可以实现二维甚至三维的流动速度成像。不同于 PIV 和 PTV 中示踪粒子的标记依赖于粒子通过光散射形成的图像，MTV 中示踪分子的位置一般通过激光选择性激发流场中的共振分子及随之受激发分子的自发辐射确定，这导致 MTV 方法具有 2 个特点：一是不需要引入示踪粒子而利用分子示踪，减少了强涡或层流边界层中的示踪粒子分布不均匀性10、气相和加速流体中示踪粒子的重力诱导速度和速度滞后11-13等由于示踪粒子引入导致的测量系统误差，同时避免了测量时示踪粒子对测试设施的污染及壁面反射的强光信号污染；二是其捕捉到的信号光为激光诱导发光，除了信号光强的空间分布信息外，激光诱导发光还包含了丰富的激发分子光谱信息，从而可以在速度测量的同时对流场中的温度、压力和浓度等标量信息实现具有空间分布的成像测量14。鉴于 MTV 方法在流动显示测量中的诸多优势，基于不同示踪分子和标记方案的多种 MTV 方法被用于各种特性的流场中，如羟基标记测速法15、NO 标记测速法16等。在这些标记方法中，分子被激光激发至电子激发态并随后向下能级自发辐射产生电子态荧光信号，由于电子态荧光寿命短，这些标记测速法多用于高速和超声速流动测量。而在低速流动中，寻找一种寿命长的激光诱导发光过程十分重要。一种途径是寻找自发辐射系数更小、发光效率42实验流体力学http:/更低但发光寿命大大延长的磷光分子，如磷光超分子17或联乙酰分子18等。但这些磷光分子大多具有毒性，从而限制了其在实际环境中的应用。另一途径是利用瞬时功率更高的飞秒激光实现多光子非线性 激 发 过 程，如 利 用 飞 秒 激 光 电 子 激 发 标 记（FLEET）对测量气流中的氮气分子进行标记19，或利用激光诱导拉曼电子激发标记（RELIEF）对测量气流中的氧气分子进行标记20，从而获得寿命更长的荧光信号。但是目前此类方法仍受设备复杂、非线性激发和荧光效率低等因素的限制。因此，寻找一种无毒无害、设备布置简单、能适用于低速气流场以替代 PIV 并提高流场成像精度的方法很有必要。本文设计了一种只需单激光器激发和单相机收集的新型 MTV 激发和分子标记方案，利用波长为 2 m 的红外脉冲激光光源选择性激发气相流动中二氧化碳（CO2）分子的振动态跃迁，并利用红外相机收集激发 CO2分子荧光，追踪标记分子随流场的运动。另外，对目前红外 MTV 的测量指标进行了评价，并分析了影响此方法时空分辨率和测量精度的主要因素及改善方向。最后在轴对称喷嘴射流中，利用此方法测量了空间分辨的一维速度径向分布，验证了此方法用于速度测量的可行性。1 理论基础 1.1 红外 MTV 测速原理uxxu传统 MTV 通常通过“写入信号，读取信号”2 步进行速度测量。其中“写入信号”常采用紫外光或可见激光，对应于激发示踪分子的高能电子态，其荧光寿命通常为纳秒量级。由于选择的速度测量原理为=/t，因此可见大小的 与极短时间 t 对应很高的流速，即传统 MTV 在气体流场中常用于超声速量级流速的测量。而本文介绍的红外 MTV 采用 CO2分子的振转光谱作为示踪荧光，对应于微秒量级的荧光寿命，极大降低了速度探测极限，可满足低流速边界层测量条件。本文选用波长 2 m 的脉冲激光将处于振动基态（v1=v2=v3=0）的 CO2分子激发至某一振动激发态（v1=2，v2=0，v3=1），其中 vi表示分子的振动模式 i 对应的振动量子数。处于振动激发态的分子会通过自发辐射和碰撞淬灭过程向下能级跃迁，如图 1 所示，其中蓝色箭头表示激光激发过程，红色箭头表示荧光过程，黑色箭头表示淬灭过程。实验中通过在相机内布置窄带带通滤波片，使4.26 m 波长附近的自发辐射（v3=1）光被收集，滤掉激光散射和红外热背景辐射。由于图 1 中 3 个上能级跃迁得到的荧光波长相近（即红色箭头对应能量），且本文主要利用荧光的强度空间分布信息进行速度测量，所以不需要分析荧光的各能级贡献和详细光谱结构。值得注意的是，后续如进行温度、压力等标量场测量，应进一步考虑这些不同上能级的荧光贡献和差别。跃迁能量激发态v1=2，v3=1v1=1，v3=1v1=1，v3=0v1=2，v3=0v1=0，v3=1激光激发分子基态图 1 红外 MTV 中振动能量跃迁过程示意图Fig.1 A schematic diagram of vibrational energy transition in infraredMTVMTV 测量中不同时刻（t0t2）的荧光分布图像如图 2 所示，分析不同时刻的示踪分子位移可以处理得到速度。与 PTV 不同，MTV 无法做到对示踪分子的实时追踪，故分析标记位移可以利用图像中心位置识别算法或不同时刻图像最大相关算法。在本文中，由于荧光强度本身较弱，主要噪声来源为相机散粒噪声（即激光散射和红外热背景辐射），使用最大相关算法等方法计算得到的速度与直接采用荧光强度拟合方法相比几乎不存在优势，因此速度测量采用中心位置识别算法。t0 xyzt1t25432荧光强度10图 2 不同时刻的 CO2荧光分布随流体运动的变化Fig.2 The evolution of CO2 fluorescence distribution with fluidmotion at different times为了寻找表征荧光强度分布及演化的函数形式，并准确地确定强度分布中心，假设荧光强度与CO2分子浓度成正比，考虑分子扩散影响和激发态向下能级跃迁，轴对称射流中的激发态 CO2分子浓第 5 期胡臻等：红外分子标记测速法43度 C 的控制方程可表示为：Ct=uCx+D(2Cx2+2Cz2)C（1）u式中：D 为 CO2分子扩散系数，为激发态 CO2寿命，为射流轴向速度分量，x、y、z 方向如图 2 所示。值得注意的是，y 方向荧光分子浓度梯度远小于x 和 z 方向，因此其二阶偏导在式 1 中略去。初始时刻的激发态 CO2空间分布与激光光束强度在垂直激光传播方向的分布一致，为高斯分布：C(x,z,t0)12w20exp(x x0)2+(z z0)22w20（2）w0 x0z0t0s式中：为激光束腰尺寸，和为激光在测量位置的初始坐标，为初始时刻。考虑对垂直图像方向（即 z 方向）的荧光强度进行积分，由式（1）和（2）可以解出荧光信号强度 的分布为：s C exp(t t0)2w20expx xc(t)22w20（3）xc(t)u这表明考虑了扩散和荧光寿命等因素的影响后，荧光强度分布仍为近似的高斯分布，不过其强度随时间的变化会受到荧光衰减的影响。本文利用高斯函数拟合，得到不同时刻的荧光分布中心位置，然后再处理得到轴向速度。1.2 轴对称圆形喷嘴射流的速度径向分布轴对称射流作为少数几种可以被分析和求解控制方程的流动类型之一，其流动结构被广泛地研究21-22。虽然射流的湍流特性和传递仍在被研究，但射流时均轴向速度的径向分布已经在理论和实验上得到了深入的研究并取得了成熟的结果。除了理论成熟、研究充分外，轴对称射流的另一个特点是在充分发展后其时均轴向速度的径向分布具有自相似性，即速度分布特性与雷诺数 Re 和喷口结构无关。这一点对于一个验证方法的实验工况十分有利，因为这会减少流量和雷诺数控制不均匀带来的误差。因此，我们选择使用轴对称射流这一经典流动作为标准参考，对本文发展的红外 MTV 方法进行验证。Abramovich23和 Rajaratnam24等总结了多种雷诺数、喷嘴结构和不同下游截面位置射流速度分布的实验数据和理论结果：在喷嘴下游较近的截面，射流仍处于发展和过渡阶段，此时在射流的中心区域会存在一个恒定的速度最大值，且该区域的尺寸随着截面距喷口距离增加而变小；在喷嘴下游较远的截面，射流得到充分发展且时均轴向速度的径向分布具有自相似性。Goertler 和 Reichardt 从理论和实验将自相似分布规律描述为24：uuc=1(1+0.1252)2（4）=r/xcsrxcsuc式中：无量纲长度，其中 为测量点与射流中心的径向距离，为测量截面与喷口平面的距离，为实验确定参数（取 18.5）；为截面内最大轴向速度。2 实验与装置红外分子标记测速法的实验验证装置如图 3 所示。使 用 定 制 的 掺 钕 钇 铝 石 榴 石（Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet,Nd:YAG）激光器泵浦的光参量振荡（Optical Parametric Oscillator,OPO）激光系统产生标记 CO2分子所需的红外激光。1 个 Nd:YAG 激光器的 1.064 m 波长光子通过非线性晶体后会产生 2 个波长分别在 2 和 2.35 m附近的低频光子，其中 2 m 波长激光输出被用来激发 CO2分子的 2v1+v3的组合振动态。该激光系统的运行重复频率为 20 Hz，2 m 波长单脉冲激光的能量可达 9 mJ。使用焦距为+200 mm 的氟化钙球凸透镜来调整激光准直，使激光束腰聚焦在测量区域，以提高功率密度和空间分辨率。红外相机（FastM200,Telops Inc.）内置汞镉碲（Mercury CadmiumTelluride,MCT）红 外 传 感 器，相 应 波 长 范 围 为2.55.3 m，用来对激发态 CO2分子发射的 4.26 m荧光进行成像。该相机可以在 200 Hz 的帧率下进行 640 512 的全帧尺寸成像，具有 16 位输出动态CO2气池能量计射流喷嘴红外脉冲激光器中红外相机球面凸透镜图 3 红外 MTV 测量实验装置与射流喷嘴装置Fig.3 The experimental setup of infrared MTV and jet nozzle44实验流体力学http:/范围。本文通过增加像距以实现更高的空间分辨率。红 外 相 机 内 部 装 有 窄 带 带 通 光 学 滤 波 器（Spectrogon Inc，中心波长 4.26 m，透射窗口半宽0.105 m），以减少激光散射和红外热背景辐射，保证足够宽的光谱窗口使荧光信号信噪比最优。实验中使用的激发光与相机时序如图 4 所示。相机在激发光脉冲 10 s 后触发，即延迟时间为10 s，相机的曝光时间为 10 s，即覆盖激发光后的1020 s。050100150200Time/s250300350400Laser outCamera trig inFluorescence图 4 激发光、相机时序图与曝光窗口示意图Fig.4 Sequence diagram of excitation light and camera,andexposure window diagramd0=1 500实验中 CO2射流通过一个直径 m的圆形喷嘴产生，使用的 CO2气体纯度为 99.9%。气体流量由质量流量计控制，且每次测量前利用皂膜流量计对质量流量计进行标定。喷嘴的水平位置由一个二维精密位移台调节，以确保射流中心与测量光束重合；喷嘴截面和测量截面之间的相对高度由一个高度平移台控制，控制精度可达 80 m。3 结果与讨论 3.1 CO2分子吸收截面测量与成像系统空间标定根据 BeerLambert 定律，当激光与分子跃迁共振时，吸光度 A 与分子光谱参数之间的关系可表示为：A=ln(ItI0)=XnL（5）It/I0n式中：透射光强 It和入射光强 I0的比值表示光透射率，为分子在激光波长处的吸收截面，X 为分子的相对体积分数，为分子数密度，L 为吸收光程。由于该实验系统中使用的固定波长激光器无法进行谱线扫描，所以利用已知环境和吸收光程的气L=18.45n=2.56 1019=4.4541022体吸收池中 CO2与 N2气体的透射光强比来确定吸收截面，如图 5 所示。本次实验中 cm，molecule/cm3，测得目前激光波长下 CO2分子吸收截面 cm2/molecule，可实现良好的荧光图像捕捉。9.0It,CO2It,N28.58.07.57.005001 000采样点2 0001 500激光透射光强/mJ图 5 激光通过 N2和 CO2气体池后的透射光强Fig.5 Transmitted laser intensity through N2 and CO2 gas cell位于红外相机焦平面处的标定尺在相机中的成像如图 6 所示，标定可得实验中红外相机成像放大倍率为 10.71 微米/像素。通过 10100 m 直径的系列金属丝加热成像，估计出在安置带通滤波片后的红外相机在本次测量中空间分辨率为 4.05 像素（即 43.34 m）。501001004 mm200300400500600150200250y/像素x/像素300350400450500图 6 红外相机成像尺度标定Fig.6 Image calibration of infrared camera 3.2 不同高度截面的轴向速度径向分布测量为了验证红外 MTV 在微小尺度流场中的高空间分辨速度成像能力，实验在喷嘴直径 1500 m、雷诺数 2500 的射流中进行。测量得到的标记 CO2分子随射流运动的位移如图 7 所示，其中标记的初始位置以蓝色方点表示，18 s 后的标记位置以红色圆点表示。可以看出，随着测量位置向射流下游移动，可以被标记和处理的 CO2分子在径向上逐渐变宽，第 5 期胡臻等：红外分子标记测速法45这是由于在射流中的 CO2受扩散和滞止环境空气的卷吸影响，进而导致 CO2的径向分布范围随着射流向下游发展而变大。随着测量位置向下游移动，跟随射流移动的标记分子分布变化更加平缓，且在喷嘴下游 16 mm 处，射流中心标记分子的位移也明显减小，即射流中心最大速度降低。图 7 中相邻两测量点对应的距离为图像中 1 像素的大小（即 10.71 m），但红外 MTV 的测量空间分辨率还受相机实际空间分辨率的影响。250240230250240230（a）喷嘴下游 2 mm（b）喷嘴下游 10 mm（c）喷嘴下游 16 mm轴向位置/像素轴向位置/像素轴向位置/像素250240230150200250300350400450150200250300350400450150200250300350400450径向位置/像素径向位置/像素径向位置/像素图 7 Re=2500 射流中不同轴向位置的红外 MTV 标记位置测量Fig.7 Infrared MTV marked position measurement at different axialpositions in jet at Re=2500结合图 7 中的结果，处理得到 3 个轴向位置（喷嘴下游 2、10、16 mm）的速度分布如图 8 所示：3 种工况测得的速度分布对称，且在最靠近喷嘴的下游2 mm 工况，射流中心位置存在射流势核区，其中轴向速度恒定，约为 13.2 m/s；在下游 10 mm 工况中，射流中心速度与下游 2 mm 工况相同，仍保留部分势核区但分布半径变小，势核区外的速度随半径增大而减小的趋势变缓；在下游 16 mm 工况中，势核区消失，射流中心最大速度变为 10.5 m/s 且速度在径向的梯度更小。以上结果与轴对称射流的理论定性描述相符合23。15105021012径向位置/mm轴向速度/(ms1)下游 2 mm下游 10 mm下游 16 mm图 8 Re=2500 射流中不同轴向位置的轴向速度径向分布测量结果Fig.8 Measured radial distribution of axial velocity at different axialpositions in jet at Re=2500 3.3 轴向速度径向分布自相似性验证xcs/r0=24为了进一步定量验证红外 MTV 用于速度场测量的可行性，并进一步评估该方法的特征指标，后续测量选择在湍流轴对称射流的自相似区进行。自相似区内的无量纲速度分布独立于喷嘴结构、雷诺数大小等因素，有成熟的理论和广泛的实验结果可以对照。在射流喷嘴下游 18 mm 位置（，r0为喷嘴半径），Re=10000、20000、30000 的 3 种工况下，速度测量结果如图 9 所示。采用 10 像素的平滑窗口对数据进行平滑处理，等效测量空间分辨率为 107 m。1.00.80.60.40.20010203040502.01.51.00.5（a）不同雷诺数工况归一化轴向速度分布与理论结果对比（b）不同雷诺数工况射流中心最大轴向速度与测量不确定度00.51.01.52.0无量纲径向位置 r/d0归一化轴向速度uc/(ms1)理论结果Re=10 000Re=20 000Re=30 00000.51.018.319 07.201 5%34.568 85.813%50.502 46.046 4%1.52.02.53.0Re/(104)线性拟合 uc=0.001 609Re+2.28测量值图 9 不同雷诺数工况射流在自相似区的轴向速度测量结果及理论结果25对比Fig.9 Comparison of measured and theoretical results25 of axialvelocity distribution at self-similar zone of jet flow,underdifferent Reynolds number conditions46实验流体力学http:/ucR2=1从图 9 中可以看到，无量纲轴向速度分布与雷诺数无关，且与式（4）得到的速度分布结果符合较好。3 种工况的射流中心最大轴向速度与雷诺数呈线性相关且相关度，实验中测量点最大轴向速度为 50.5 m/s。3 种工况下所有空间位置的速度测量结果不确定度都优于 8%，表明了红外 MTV良好的定量性。4 结论本文基于 CO2分子的红外激光诱导荧光过程，搭建了一种能够应用于低速气流场的红外分子标记测速法，突破了基于荧光的分子标记测速法应用于低速气流场时存在的限制。本文分析了 CO2激光诱导荧光过程的跃迁过程和吸收跃迁效率、标记中心处理方法、分子扩散等因素对标记中心确定的影响，在轴对称射流的不同轴向位置开展了轴向速度的径向分布测量，并利用湍流射流自相似区的速度分布测量结果定量地验证了红外 MTV 用于速度测量的可行性。结论如下：=4.454 10221）实验利用的 2 m 红外脉冲激光的 CO2分子吸收截面 cm2/molecule，可实现良好的荧光图像捕捉。实验系统中的主要噪声来源为激光散射和红外热背景辐射（即相机散粒噪声），通过在相机内安装带通滤波片可以有效地抑制噪声。2）本文中实现了红外 MTV 在微小尺度流动中的空间分辨测量，测量的射流由一个直径 1500 m的圆形喷嘴产生，测量的速度范围为 551 m/s。本次测量中红外 MTV 的等效空间分辨率为 107 m，时间分辨率为 0.05 s，速度测量不确定度优于 8%。xcs/r0=243）在射流轴向速度分布测量中，随着研究的轴向截面向下游发展，轴向速度分布的变化主要为势核区缩小、消失，以及轴向速度的径向梯度减小；在射流喷嘴下游位置，Re=1000030000的湍流射流都已发展到自相似区，无量纲轴向速度与理论预测相符合。参考文献：杨富荣,陈力,闫博,等.干涉瑞利散射测速技术在跨超声速风洞的湍流度测试应用研究J.实验流体力学,2018,32(3):8286.YANG F R,CHEN L,YAN B,et al.Measurement ofturbulence velocity fluctuations in transonic wind tunnelusingInterferometricRayleighScatteringdiagnostictechniqueJ.Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2018,32(3):8286.doi：10.11729/syltlx201701031李晓辉,王宏伟,黄湛,等.层析粒子图像测速技术研究进展J.实验流体力学,2021,35(1):8696.LIXH,WANGHW,HUANGZ,etal.Researchadvancesof tomographic particle image velocimetryJ.Journal ofExperimentsinFluidMechanics,2021,35(1):8696.doi：10.11729/syltlx201901602吴戈,李韵,万明罡,等.平面激光诱导荧光技术在超声速燃烧火焰结构可视化中的应用J.实验流体力学,2020,34(3):7077.WU G,LI Y,WAN M G,et al.Visualization of flamestructureinsupersoniccombustionbyPlanarLaserInducedFluorescencetechniqueJ.JournalofExperimentsinFluidMechanics,2020,34(3):7077.doi：10.11729/syltlx201901683OJO A O,FOND B,VAN WACHEM B G M,et al.ThermographiclaserDopplervelocimetryJ.OpticsLetters,2015,40(20):47594762.doi：10.1364/ol.40.0047594GUCL,ZOUX,ZUOZ,etal.Dopplervelocimeterbasedondual-combabsorptionspectroscopyJ.PhotonicsResearch,2020,8(12):18951903.doi：10.1364/prj.3988765LI F B,ZHANG H B,BAI B F.A review of moleculartaggingmeasurementtechniqueJ.Measurement,2021,171:108790.doi：10.1016/j.measurement.2020.1087906WANGHP,YANGZX,LIBL,etal.Predictingthenear-wallvelocityofwallturbulenceusinganeuralnetworkforparticle image velocimetryJ.Physics of Fluids,2020,32(11):115105.doi：10.1063/5.00237867许德辰,张悦,刘欣乐,等.基于粒子追踪测速的壁面摩擦应力测量J.实验流体力学,2022,36(2):131138.XUDC,ZHANGY,LIUXL,etal.Measurementofwall-shear stress via micro-particle tracking velocimetryJ.Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2022,36(2):131138.doi：10.11729/syltlx202101568TIEN W H,DABIRI D,HOVE J R.Color-coded three-dimensionalmicroparticletrackingvelocimetryandapplicationtomicrobackward-facingstepflowsJ.ExperimentsinFluids,2014,55(3):1684.doi：10.1007/s00348-014-1684-x9RAFFELM,WILLERTCE,SCARANOF,etal.Particleimage velocimetry:a practical guideM.Array Cham:Springer,2018.10RAGNID,SCHRIJERF,VANOUDHEUSDENBW,etal.ParticletracerresponseacrossshocksmeasuredbyPIVJ.ExperimentsinFluids,2011,50(1):5364.doi：10.1007/s00348-010-0892-211SAMIMYM,LELESK.MotionofparticleswithinertiainacompressiblefreeshearlayerJ.PhysicsofFluidsA:FluidDynamics,1991,3(8):19151923.doi：10.1063/1.85792112MOLEZZI M J,DUTTON J C.Application of particleimage velocimetry in high-speed separated flowsJ.AIAAJournal,1993,31(3):438446.doi：10.2514/3.1134913PANF,SNCHEZ-GONZLEZR,MCILVOYMH,etal.14第 5 期胡臻等：红外分子标记测速法47Simultaneous three-dimensional velocimetry and thermo-metryingaseousflowsusingthestereoscopicvibrationall