生的散射即稱瑞利散射。瑞利散射的頻率響應(yīng)高于任一目前基于激光的其他測量方法。瑞利散射強(qiáng)度可表示為
’(% +" +"
.
" % & )* ( +) * ( +)
,--,--
式中/—
—聚光系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)
% —
—入射激光強(qiáng)度；
———聚光立體角；
&———反射到探測中激光束段的長度；
0———試驗壓力；
(% —
—阿伏伽德羅常數(shù)，12 %33%45 6 7%31分子數(shù)（89:;<=）；
)—
—通用氣體常數(shù)；
*———絕對溫度。
（3）湍流火焰中瑞利散射測量
圖 > ?@ ?>示出共型湍流火焰試驗器。這是一臺引風(fēng)式風(fēng)洞，在試驗段上游軸對稱噴射燃料，試驗段為全窗式，橫截面為矩形，7A%B;CA%B;，長 3%%B;。燃料噴嘴內(nèi)徑為 %2 5AB;，燃料混合物（氫氣中含 %2 33;<=的氬）整體速度為 754; 8 "，共流空氣速度為 >2 5; 8 "，射流雷諾數(shù) ),為 34%%%。其光路人口用于多種激光診斷，設(shè)備保持固定，而整個燃燒通道可以在三個方向上改變。應(yīng)用該設(shè)備可以進(jìn)行下述試驗：
在等瑞利橫截面下，測量湍流燃燒溫度，即是瑞利散射強(qiáng)度的變化影響燃?xì)鉁囟鹊淖兓瑥亩鴾y出沿火焰中心線幾個不同軸向位置的火焰概率溫度分布。
在等溫條件下，測量摩爾比，即是瑞利散射強(qiáng)度的變化是由于有效瑞利微元橫截面的變化引起的摩爾比的變化產(chǎn)生的。
%在等 " D 8 ;D下，測量密度，此種情況下，燃料、氧化劑和產(chǎn)物每一個都具有相同的 " D 8 ;ED值，" D為微元橫截面積，;D為燃料、氧化劑或燃燒產(chǎn)物的分子量。
32湍流火焰的拉曼散射測量
（7）拉曼散射
當(dāng)一頻率為 -%的單色光入射到透明的氣體、液體或固體介質(zhì)上，除了可以觀察到原來頻率 -%的光外，還可以觀測到頻率為 --% F-)的新的光信號，這種頻率發(fā)生改變的光散射稱之為拉曼散射，它是以印度科學(xué)家拉曼（ 2 G2 )H;HI）命名的。
拉曼頻移八通常與分子的轉(zhuǎn)動能級、振動能級和電子能級之間的躍遷相聯(lián)系。新頻率。的譜線構(gòu)成拉曼光譜。散射光的頻率小于入射光頻率（ -"-% ?-)）稱為斯托克斯光，相 •77J1•
圖 > ?@ ?>/用于多種激光診斷的湍流燃燒試驗器
反，當(dāng)散射光頻率大于入射光頻率（ " %&）稱為反斯托克斯光。
當(dāng)頻率為 的單色輻射入射到分子中產(chǎn)生頻率為的感應(yīng)振蕩偶極子，然后這些振蕩偶極子再被頻率 ’&的分子振動調(diào)制形成 (&的新振蕩偶極子。拉曼散射就是由這些頻率為 (&的感應(yīng)振蕩偶極子引起的。
根據(jù)能量轉(zhuǎn)移原理，頻率 的入射光可以看作具有能量為 )的光子，當(dāng)該光子與分子碰撞時，一種情況是前述的彈性碰撞，光子與分子無能量交換，光子僅改變運(yùn)動方向，這即是瑞利散射；另一是非彈性碰撞，這時不僅光子運(yùn)動方向改變，而且光子與分子有能量交換，使光子能量也發(fā)生改變，如果分子原來處于低能級 *+的狀態(tài)，非彈性碰撞的結(jié)果，使分子從光子那兒獲得一部分能量，而躍遷到正 ,，這時光子的頻率為 "，即是斯托克斯線，它為
*, -* +
-
式中 .)———普朗克常數(shù)。" )如果分子原來處于高能級 *,狀態(tài)，那么非彈性碰撞結(jié)果將使分子由高能級 *,躍遷到低能級 *+狀態(tài)，光子獲得能量 *, -*+，從而使光子頻率變?yōu)?"，即反斯托克斯頻率，則
*, -* +
/ -
)斯托克斯頻率和反斯托克斯頻率與入射光頻率之差 (稱為拉曼頻移，斯托克斯線和反斯托克斯線的拉曼頻移相等： ( -" / - （ * -* +）’)常溫下處于低能級 *+狀態(tài)的分子數(shù)要比處于高能級,*,狀態(tài)的分子數(shù)多得多，因此，斯托克斯線總比反斯托克斯線強(qiáng)，這也是自發(fā)拉曼散射總是主要研究斯托克斯散射的緣故。
在燃燒過程研究中，雙原子分子的拉曼光譜是十分重要的，這是因為在空氣中或燃燒系統(tǒng)中 01和 ,是主要成分，而且這些同核雙原子分子由于其結(jié)構(gòu)的對稱性，它們沒有固定的偶極矩，因此它們沒有紅外光譜。通過了解燃燒系統(tǒng)中拉曼光譜的變化來研究燃燒室中溫度和濃度的變化。
一個雙原子分子的拉曼頻移是由轉(zhuǎn)動頻率或振動頻率，或它們兩者的締合決定的。通常振動—轉(zhuǎn)動拉曼光譜更適合于火焰測量，因為相對地消除了不同成分光譜的重疊。自發(fā)拉曼光譜儀的突出優(yōu)點(diǎn)是光電倍增管的累積負(fù)荷 23與激光器能量 24和成分濃度 03呈線性關(guān)系，即
23 5324 03（36）式中，比例常數(shù) 53取決于振動拉曼橫截面積、波長和聚光效率，并且通過標(biāo)定確定。在室溫和常壓下由燃?xì)鈽悠返恼駝?mdash;轉(zhuǎn)動拉曼散射進(jìn)行標(biāo)定；帶寬因子 3
（ 6）計及了與溫度相關(guān)的分子在其所允許量子態(tài)下的分布， （36）包括光譜位置、形狀、光譜儀帶寬和激光器帶寬諸因素的影響。對于 0 、和 7 可以計算出 3。對于像 7 （ 6）的
，（ 6）8的三原子分子， 3計算值可用性較小。因此,，標(biāo),定后,，要測量成分濃度就必須同時測,量激光器脈沖能量、拉曼信號和溫度。若引入守恒標(biāo)量 "，代表燃料和產(chǎn)物濃度的代數(shù)和，為一反應(yīng)標(biāo)量，即《與化學(xué)反應(yīng)過程無關(guān)，在化學(xué)反應(yīng)中 "是守恒的， "的變化僅僅是由于湍流和分子輸運(yùn)產(chǎn)生的。在發(fā)動機(jī)噴 •++:9•
管中產(chǎn)生的原子局部瞬態(tài)濃度除以總原子濃度的值就是一個守恒標(biāo)量，在噴管中，該值為 ，在自由空氣流中為 "。其中（是由測量氮的拉曼信號確定的。貧燃料時，建立 "關(guān)系；富燃料時 %&’ ( )&，可建立 )& "關(guān)系。
（&）測量結(jié)果
標(biāo)量 &、)&"、)&、 ( %和 *的平均值隨原子混合比 +的變化。根據(jù)這些原子混合比應(yīng)用數(shù)據(jù)換算程序可以求得總?cè)細(xì)饷芏群蜏囟入S徑向距離的變化。 ,-速度—標(biāo)量的聯(lián)合測量湍流流動的輸運(yùn)速率比非湍流中產(chǎn)生的分子輸運(yùn)速率大幾個數(shù)量級。這些較高的輸
運(yùn)速率是速度脈動量（./，0/，/，）間的相互關(guān)系和速度與標(biāo)量脈動量 1/、密度 /或各成分濃度脈動量間關(guān)系共同作用的結(jié)果。
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