在超過5馬赫的飛行條件下，高超音速飛行器會遇到極端的熱環境[1]，[2]，因此有效的熱防護系統對其發展至關重要[3]。再生冷卻作為一種主動冷卻技術被廣泛用于保護發動機中的高溫部件，如燃燒室壁。在再生冷卻過程中，車載的高吸熱烴類燃料通過超臨界壓力下的對流熱傳遞來冷卻高溫部件。在此過程中，烴類燃料提供了物理熱沉，并通過吸熱熱解反應釋放化學熱沉，同時生成較小的分子熱解產物，從而提高燃燒性能[4]，[5]。然而，在冷卻通道內吸收熱量并升溫后，烴類燃料會發生焦化并在通道表面沉積，這會影響熱傳遞性能。焦炭的形態參數，如其厚度和表面粗糙度，是影響烴類燃料流動和熱傳遞特性的關鍵因素[6]，[7]。因此，研究焦炭的厚度和粗糙度對于準確預測再生冷卻系統的性能至關重要。
在再生冷卻通道中，烴類燃料的焦化主要通過以下方式影響流動和熱傳遞：它縮小了流動通道并增加了流動阻力[8]；它增加了熱阻，導致熱傳遞性能下降[9]，[10]；并且它增加了壁面粗糙度，這增強了近壁湍流動能，從而可能改善熱傳遞[7]，[11]。然而，關于焦炭厚度和粗糙度的研究仍然有限，現有研究主要依賴于間接分析方法。在數值研究中，陶等人[12]和馮等人[13]在計算流體動力學模擬中使用了焦化反應動力學模型來計算焦炭質量，然后利用焦炭密度和孔隙率等參數估算焦炭厚度。他們采用了動態網格技術來考慮焦炭厚度隨時間的變化。盡管如此，這些模型沒有考慮焦炭表面粗糙度及其對熱傳遞的影響。在實驗研究中，劉等人[6]引入了一種液壓阻力方法，通過測量進出口之間的壓降來間接估算烴類燃料焦化過程中的焦炭厚度。然而，這種方法只能粗略評估整體焦化情況，無法捕捉焦炭的軸向分布。此外，它也沒有考慮焦炭表面粗糙度對流動阻力的影響。此外，烴類燃料沿管道的熱物理性質的變化也可能引入進一步的偏差。
這些間接方法存在較大的誤差。因此，直接測量焦炭厚度和粗糙度（即焦炭表面的形態）是必要的。表面測量方法可以分為接觸式和非接觸式方法。
接觸式方法，如探針輪廓測量法，使用細探針在表面上掃描并記錄其垂直位移以捕獲地形信息[14]，[15]。這些方法具有出色的重復性和計量可追溯性，通常被用作驗證非接觸式測量方法的參考標準[16]，[17]。然而，探針的物理接觸不可避免地會干擾流場和反應表面，使其不適合在運行中的冷卻通道內進行原位在線監測。
非接觸式測量方法無需物理接觸即可間接獲取表面信息，主要基于聲學或光學原理。這些方法具有顯著的優勢，包括無損檢測和能夠在運行條件下進行原位在線測量。
研究人員開發了基于聲學的測量技術，如超聲導波和聲學沖擊方法[18]，[19]，通過分析接收信號的時間偏移和幅度衰減來檢測管道污染[20]。然而，這些方法的分辨率通常有限，只能可靠地測量毫米級或更大的沉積物。它們無法準確表征微米級沉積物或捕捉形態變化。因此，這些方法不適合測量再生冷卻通道中的焦炭厚度和表面粗糙度。
基于光學的方法通常在微米甚至納米級別提供高分辨率，并具有非接觸操作和快速響應等優點，因此被廣泛用于測量表面形態。常見的技術包括激光消光法、激光干涉法、相移干涉顯微鏡（PSI）、白光干涉法、光切片法和彩色共聚焦顯微鏡。
激光消光法基于激光光強度在穿過透明介質時減弱的原理，厚度是根據光強度衰減的程度來計算的。例如，Utaka等人[21]使用這種方法測量了微通道中的液膜厚度，測量范圍為2–30 μm。然而，其有限的測量范圍使其不適用于涉及毫米級通道的應用。
相比之下，基于光學干涉的方法提供了更寬的測量范圍。激光干涉法通過分析從其表面反射的激光干涉圖像來確定透明物體的厚度。Chen等人[22]使用激光干涉法測量了方形微通道中的液膜厚度，有效捕獲了0.1–10 μm范圍內的動態變化。同樣，Maliackal等人[23]開發了一種基于激光干涉法的系統，用于同時測量薄膜厚度和界面溫度。Sun等人[24]使用白光干涉法測量了水表面的透明油膜厚度，最大可測量厚度約為250 μm，分辨率為1.25 μm。PSI廣泛用于測量半導體器件的表面，具有納米級精度[25]。Villalobos-Mendoza等人[26]使用PSI測量了納米級薄膜臺階。然而，在高溫下，烴類燃料的密度波動增加會導致光散射增強，從而使基于干涉的方法失效。
光切片法能夠高效準確地測量表面形態[27]。然而，當應用于多層透明介質時，會出現折射位移、多次反射和焦點模糊等問題，使其無法有效測量通道內的焦炭形態。
彩色共聚焦方法基于光學色散現象，不同波長的光在不同的軸向位置聚焦。通過分析反射光的聚焦波長來確定被測表面的軸向位置。彩色共聚焦位移傳感器體積小、重量輕，適用于各種場景下的原位測量。Chen等人[28]使用這種方法測量了厚度為260 μm的連續滾動光學薄膜。Bai等人[29]提出了一種基于彩色共聚焦原理的新方法來測量薄膜厚度和光譜反射率，在應用于二氧化硅薄膜時實現了納米級精度。此外，這種方法已被用于各種加工場所的表面形態測量[30]，[31]，[32]，從而提高了加工精度。彩色共聚焦方法具有強大的穿透能力、抗散射光干擾的能力以及對測量材料光學性質的最小敏感性。然而，超臨界烴類燃料的密度波動和流動及熱傳遞的不穩定性給焦炭形態的測量帶來了挑戰。
總之，現有關于超臨界烴類燃料熱解產生的焦炭厚度和粗糙度的數值和實驗研究主要依賴于間接方法，這些方法無法直接表征焦炭粗糙度。據我們所知，文獻中尚未報道在如此極端操作條件下對焦炭厚度和粗糙度的原位測量。
本研究提出了一種基于彩色共聚焦技術的原位、在線測量方法，用于表征超臨界烴類燃料熱解過程中形成的焦炭表面形態。使用超臨界正癸烷作為工作流體，通過將彩色共聚焦位移傳感器與數控（NC）位移平臺集成來測量通道內的焦炭厚度和粗糙度。通過流體折射率校正和對系統振蕩的不確定性分析（由熱物理性質的劇烈變化引起）來校準該方法的準確性。通過使用常溫空氣和超臨界熱解燃料進行比較測量來驗證方法的有效性。通過多次測量的相關性分析確認了重復性。最終，成功表征了超臨界正癸烷熱解過程中形成的焦炭的表面形態，揭示了焦炭厚度和表面粗糙度的動態演變。
