基于光谱测量的燃烧诊断技术_庄逢辰
基于差分吸收光谱法的燃煤锅炉烟气浓度反演算法
第27卷第11期中国电机工程学报V ol.27 No.11 Apr. 20072007年4月Proceedings of the CSEE ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2007) 11-0006-05 中图分类号：X511 文献标识码：A 学科分类号：470⋅99基于差分吸收光谱法的燃煤锅炉烟气浓度反演算法汤光华1，许传龙1，孔明2，王式民1(1．东南大学教育部洁净煤发电及燃烧技术重点实验室，江苏省南京市 210096；2．中国计量学院计量技术工程学院，浙江省杭州市 310018)Inversion Algorithm Study on Concentration Measurement of Flue Gas From Coal-fired Boiler Based on Differential Optical Absorption SpectroscopyTANG Guang-hua1, XU Chuan-long1, KONG Ming2, WANG Shi-min1(1. Key Laboratory of Coal Power Generation and Combustion Technology, Ministry of Education, Southeast Universtiy,Nanjing 210096, Jiangsu Province, China; 2. College of Metrological Technology and Engineering, China Jiliang University,Hangzhou 310018, Zhejiang Province, China)ABSTRACT: Based on differential optical absorption spectroscopy(DOAS), an improved inversion algorithm of gas concentration is studied according to the differential absorption structure of being measured object at the selected wavelength region. Noise and scattering of multiple particles are considered together with the interference of other gases in the algorithm. Numerical simulation is carried out for a gas and a mixture of several kinds of gas at the given light path length respectively and also for gas with the same concentration at different light path length. Results are shown that the algorithm has good performance of antinoise and anti-jamming and the errors of concentration inversion results are basically within 1 percent. Simultaneously, the comparisons of inversion results are given for the gas with extremely high or low(mg/m3) concentration at different light path length.KEY WORDS: differential optical absorption spectroscopy; concentration inversion; antinoise; anti-jamming; scattering of multiple particles; numerical simulation摘要：根据被测对象在所选波段具有差分吸收结构的光谱特性，研究了一种改进的基于差分吸收光谱法(DOAS)的气体浓度反演算法。
基于红外光谱研究沥青燃烧机理和有害气体成分分析
安 全性被越来越 多的国内外研 究者所关注 。 目前 ，国内外对于沥青材料 的火灾 安全性研究 多集 中于 通 过添加各种阻燃剂 降低 沥青 材料 的可燃性和抑制烟气释放
研究利用 Ｒ ｓｍｏ ｎ 气体 分析 仪 和定碳 炉 搭建 起 固定 ｏｅ ｕｔ
２０ ０ ９ ￣５０℃ ， 质量损 失约 ８ 。但该试 验在惰 性气 体 （ ） ０ Ｎ２
环境下进行 ，其反应 气氛与火灾真实环境 相去 甚远 ， 究结 研
果 尚不 足 以揭 示 沥 青 的燃 烧 机 理 。Ｘ Ｌ 朝采 用 Ｔ － Ｔ Ｒ联 ｕ“ ＧＦ Ｉ
用分析技术研究 了沥青及其胶浆材料在空气气氛下 的燃烧反
段， 并详 细分析 了各 反应 阶段 的气态产 物 、以及 氢氧化镁 阻
燃剂对沥青材料挥发组分释放 的影响 。但上述研究成 果均为
及 烷烃类易燃气 体 ，而 且 由于沥 青 中含 有氮 、硫 等元 素邙 ， ］
还 将产生 Ｎ０、 ０ 、 Ｏ等危及人 身安 全 的有毒 烟气 。这些 Ｓ２ Ｃ 毒烟的危害甚至超过 了火灾本身 ，资料 表明 ， 灾中 ８ 的 火 ５
收稿 日期：２ １—２２ ，修订 日期 ：２ １—５２ ０ ２０ —０ ０ ２０ ～６ 基 金项 目：国家 自然科 学 基 金项 目 （ １ ５０ ２ １ ７ ３ １ ，中国博 士后 科 学基 金 项 目（ ０ ９ ４ １ ７ ） ６ １ ４ ０ ，５ ０ ８ ３ ） ２ ０ ０ ５ ４ １ 和浙 江 省 自然科 学基 金 重点 项 目
４ ．中国计量学院光学与 电子科技学院 ，浙江 杭州
３ ０ １ １０８
摘 要
利用 Ｒ ｓｍｏ ｎ 气体分析仪 和定碳 炉搭建起固定床燃 烧反应试 验平 台，通过红外光 谱分析技术 定 ｏｅ ｕ ｔ
分子过滤瑞利散射技术测量火焰温度和密度_王晟
第20卷第12期强激光与粒子束Vol.20,No.12 2008年12月H IGH POWER LASER AND PART ICLE BEAM S Dec.,2008文章编号:1001-4322(2008)12-2001-05分子过滤瑞利散射技术测量火焰温度和密度*王晟,刘晶儒,胡志云,张振荣,张立荣,叶景峰,赵新艳,黄梅生(西北核技术研究所,西安710024)摘要:为了解决瑞利散射光易受米散射和背景杂散光干扰的问题,发展了结合窄线宽激光器、分子过滤器以及像增强器等技术的分子过滤瑞利散射技术。
在图像诊断的基础上,依据测量的碘蒸气吸收光谱曲线,对CH4/air预混火焰进行了诊断,获得了密度场和温度场分布。
距炉面15mm火焰中心区域处,分子过滤瑞利散射(F RS)技术测量的温度为1827K?84K,密度为0.19kg/m3,其测温结果与CAR S法的测温结果基本吻合。
最后分析了FRS技术测温不确定度。
实验表明F RS技术具有较高的信噪比,可以定量测量温度和密度信息,有望应用于超音速燃烧流场、紊流场等复杂流场的诊断。
关键词:分子过滤瑞利散射;激光燃烧诊断;碘蒸气过滤器;温度;密度中图分类号:T N249文献标志码:A激光燃烧诊断技术[1-2]是适应现代高温燃烧流场和气凝两相复杂流动研究的需要而发展起来的一门新技术。
该技术具有非接触式、在线测量、分辨率高和可视化等优点,广泛应用于民用内燃机燃烧过程、航空航天火箭发动机燃烧机理等领域。
瑞利散射(Rayleigh scattering,简称RS)技术[3-4]是激光燃烧诊断技术的一个重要分支,它是基于流场本身分子弹性散射的光学测量燃烧流场参数方法,但瑞利散射信号容易受米散射和杂散光的干扰。
分子过滤瑞利散射(molecular filtered Ray leig h scattering,简称FRS)技术[5]是在RS技术的基础上,结合可调谐、窄线宽激光器和分子过滤器,能够有效地过滤米散射。
基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和发展
Vol. 41 ,No. 2,pp379-387February , 2021第41卷，第2期2021 年2 月光谱学与光谱分析SpectroscopyandSpectralAnalysis 基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和发展李少华x 赵洪霞x 温 晨x 丁志群x 王敬蕊x 程培红121.宁波工程学院电信学院，浙江宁波3152112.浙江大学硅材料国家重点实验室，浙江杭州310027摘 要 高灵敏度的单粒子检测技术是纳米粒子在生物医学、化学、光电子等领域应用的前提条件#常见的单粒子检测技术主要包括基于粒子的荧光、拉曼、散射和吸收等信号而发展起来的光学显微成像及光谱技 术#其中！拉曼光谱和荧光光谱技术主要适用于一些具有拉曼活性的分子/粒子或可发光的荧光分子或粒 子，然而即使对于荧光效率高的有机染料分子和半导体纳米粒子，固有的光漂白和blinking 现象也对单粒子探测形成了挑战#散射光谱测量是应用于单粒子检测的另外一种方法，从理论上讲，由于瑞利散射随着尺寸的减小而呈六次方减弱的趋势！在细胞或生物组织内！小尺寸粒子的散射信号很难从背景散射噪声中分离出来#众所周知！介质吸收激发光后会引起介质内的折射率变化！进而在光加热区附近出现折射率的梯度分布!称为光热效应(photothermal effect) #基于粒子光热效应的光学显微成像和光谱测量技术具有信号灵敏 度高、无背景散射、原位和免标记等优点，在单粒子检测领域展现了良好的应用潜力#综述了近年来基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和研究发展，首先介绍了光热效应的测量原理；接着分别讨论 了光热透镜测量技术、微分干涉相差测量技术和光热外差测量技术的实验装置，比较了各种测量技术的信噪比、灵敏度、分辨率等特点！并且介绍这些测量技术在单粒子检测中的应用研究进展；接着！论述了近年 来研究人员在提高光热显微测量的信噪比、改善动态测量性能以及在红外波段拓展等方面的最新研究成果'最后！简单总结了光热测量技术在单粒子检测领域所面临的挑战#关键词 单粒子检测；光热显微镜；光热效应中图分类号：0657.3 文献标识码：RDOI ： 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2021)02-0379-09引言由于具有小尺寸效应、表面效应以及量子效应，纳米粒子在光、电、热等方面均表现出优异的特性！被广泛应用于 生物、电子、光学、医学等领域)14*#受其尺寸限制！单粒子 的简单灵敏的检测方法对其应用来讲是至关重要的#目前！单粒子的光学检测方法普遍采用SERS 和激光诱导荧光信号等测量方法)59*#但是!这类检测主要局限在具有SERS 活性的粒子或可发光的荧光分子或粒子#并且，即使对于发光性 能较好的有机染料分子和半导体纳米粒子！固有的光漂白和blinking 现象也对单粒子探测形成了挑战#光散射测量是应用于超细粒子的显微成像和检测的另外一种方法，但从理论 上讲，受液体背景下瑞利散射截面所限，最小的探测尺寸大约为80 nm #文献已有报道!在表面等离子共振频率的暗场收稿日期：2019-12-26,修订日期：2020-03-17基金项目：国家自然科学基金项目(1605097)浙江省公益技术研究计划项目(LGC20F050001)资助作者简介：李少华，1998年生，宁波工程学院电信学院硕士研究生e-mail : 3067528894@* 通讯作者e-mail ： ********************照明下结合微分干涉对比技术和视频增强技术可探测到直径小于40 nm 金属粒子)10*#然而!由于瑞利散射随着尺寸的减小而呈六次方减弱的趋势，在细胞或散射组织内，小尺寸粒子的散射信号很难从背景散射噪声中分离出来#众所周知，介质吸收电磁波后！部分或者全部激发能会转化为热能#20世纪70-80年代!研究人员基于这种能量 的弛豫机制发展了基于光热效应的光谱技术)1116*。
国家自然科学基金2014_E0604燃烧学
25 2015-01 至2017-12 25 2015-01 至2017-12 83 2015-01 至2018-12 10 2015-01 至2015-12 25 2015-01 至2017-12 85 2015-01 至2018-12 100 2015-01 至2017-12 80 2015-01 至2018-12 80 2015-01 至2018-12 83 2015-01 至2018-12
80 2015-01 至2018-12 25 2015-01 至2017-12 90 2015-01 至2018-12 25 2015-01 至2017-12 92 2015-01 至2018-12 25 2015-01 至2017-12 25 2015-01 至2017-12 50 2015-01 至2018-12 25 2015-01 至2017-12 82 2015-01 至2018-12
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基于TDLAS技术的燃烧室出口温度场测量
基于TDLAS技术的燃烧室出口温度场测量戴斌;阮俊;许振宇;李俊松;阚瑞峰;姚路【摘要】为验证可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,在航空发动机燃烧室燃烧流场测量领域的适用性,以自主设计的高温升模型燃烧室为研究对象,结合多光路正交布网的测量方法,对燃烧室出口的燃气温度进行测量,并利用层析算法实现测量截面的二维分布重建,同时采用固定的温度探针进行测量与对比验证.结果表明,采用TDLAS结合层析重建的方法,基本能获得具有时间分辨的燃烧室出口温度分布的主要特征,可以区分高温区和低温区,但单线测量和场分布重建精度还有待于进一步提高.进一步优化该系统,可用于航空发动机燃烧室出口温度和组分浓度分布测量.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2015(028)004【总页数】8页(P49-56)【关键词】可调谐二极管吸收光谱(TDLAS);航空发动机;燃烧室;出口温度场;多光路正交;试验验证;二维重建【作者】戴斌;阮俊;许振宇;李俊松;阚瑞峰;姚路【作者单位】中国燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国科学院安徽光学精密机械研究所,合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所,合肥230031;中国燃气涡轮研究院,四川江油621703;中国科学院安徽光学精密机械研究所,合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所,合肥230031【正文语种】中文【中图分类】V231.2;TK311可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）测量技术，是一种新兴的基于激光吸收光谱分析的燃烧诊断技术［1-2］，可实现高温、高流速环境下的多流场参数测量。
相比传统的探针式接触测温法，TDLAS具有不干扰待测流场、灵敏度高、谱分辨率高、响应时间快、动态测量范围宽、多参量同时测量等优点。
近年来，TDLAS技术在燃烧流场诊断上的应用研究日益受到重视，内容涵盖了从实验室高温光谱参数研究到燃烧环境现场测量诊断的各个层面。
用于燃烧场诊断的分子滤波瑞利散射技术(英文)
第19卷 第2期2011年2月光学精密工程Optics and P recision EngineeringVo l.19 N o.2 F eb.2011收稿日期:2010 10 08;修订日期:2010 10 30.基金项目:国家重点实验室基金资助项目(SK LL IM 0905)文章编号 1004 924X(2011)02 0445 07用于燃烧场诊断的分子滤波瑞利散射技术王 晟,刘晶儒,胡志云,张振荣,叶景峰,张立荣(西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西西安710024)摘要:为了测量燃烧场的热力学性质,研究了分子滤波瑞利散射技术。
分子滤波瑞利散射技术采用窄线宽激光器、分子滤波器和像增强CCD 相机,通过分子吸收凹陷检测激光片照射流场产生散射光的频谱,抑制背景杂散光和米散射,解析流场热力学信息。
建立了分子滤波瑞利散射诊断系统和分子滤波器,根据测得的滤波图像和碘蒸气吸收光谱,获得了甲烷-空气预混火焰的温度场和密度场。
测量结果显示,距离标定燃烧炉表面15mm 处火焰的密度为0.19kg /m 3,温度为(1827 84)K ,与CAR S 法测是结果基本吻合,测温不确定度为8%。
分子滤波瑞利散射技术还成功应用于水雾和高速喷流结构的诊断,获得了激光作用区的湍流结构。
实验表明,分子滤波瑞利散射技术能够测量燃烧场温度和密度,并能用于流场可视化。
关 键 词:中图分类号:O 657 文献标识码:A doi:10.3788/OP E.20111902.0445Development of filtered Rayleigh scatteringfor combustion diagnostic applicationWANG Sheng ,LIU Jing ru,H U Zhi y un,ZH ANG Zhen rong,YE Jing feng,ZH AN G Li rong(N or thw est I nstitute of N uclear Technology ,State K ey L aboratory of L aserI nteraction w ith M atter ,X i an 710024,China)Abstract:A molecular Filtered Ray leig h Scattering (FRS )diag no stic system w as dem onstrated to measure ther modynam ic pr operties in co mbustio n env ir onm ents.The diag no stics system w as com posed of a narrow line w idth laser,a molecular/atomic absorption filter and a collection device such as ICCD.T he absor ption filter w as used to m odify the spectra of the Rayleigh scattering signal from the flo w field illum inated by a laser sheet fro m a N d:YAG pulsed laser.The laser w as tuned to an absorp tion line of io dine vapor co ntained in the filter.T his caused M ie scattering and backgr ound scattering fro m solid par ticles and str ong absorptio n on the surface w hile m uch o f Doppler broadened Rayleigh scattering w as tr ansmitted thr oug h the filter.The therm ody namic par am eters w ere deduced fro m the measured transmission o f the m olecular Ray leigh scattering.The FRS diag no stic system and the io dine filter cell w ere described.On the basis of diagnosing FRS image and measuring io dine vapor ab sorptio n spectrum ,the 2D temperature and density fields of m ethane/air premix ed flame w ere ob tained.The measured density at 15mm above the burner surface is 0.19kg/m 3,and temperatur e is (1827 84)K,w hich is good ag reement w ith the results measured by using CARS method in the same condition.The uncer tainty o f tem perature measur em ent by FRS is less than8%.Fur thermor e,FRS technique w as used to diag nose the atomization steam and supersonic ex haust flow s.T he results tur bulence structures o n the area of laser actio n w ere o btained.T hese demonstrate the abilities o f the FRS technique to m easur e temperature and density fields and to enhance flo w v isualization in a com bustion env ir onm ent.Key words:spectrosco py;temperature;density;iodine filter cell;diag no stic in co mbustio n;Rayleigh scattering1 Int roductionLaser combustion diagnostic techniques are applied to investigate the hig h tem perature com bustion flow s and turbulent flow s fo r its advan tages of non intrusive,on line,g ood tempo ral and spatial reso lution and visualization.These techniques have been dev elo ped rapidly in U.S., France,Germany,Sw eden,Australia and other developed countries since80 s of last centu r y[1 4],w hich play ed an important r ole on design and developm ent of engines for autom obiles,air planes,m issiles,etc.Laser Rayleigh scattering[5 6](LRS)tech nique is an embranchment of laser com bustion diagnostic techniques,w hich w as fir st dem on strated for2D temperature im ag ing in flam es by Fourg uette[7].LRS has the advantage of sim plicity but the disadvantag e o f w eak signal streng th,w hich can be quickly overw helm ed by Mie scattering fro m so lid surfaces,ro om par tic ulates and so ots.Filtered Ray leig h scattering (FRS)is a modification of the LRS technique, first put forth by Miles et al.[8],which takes ad v antage of the full field,unseeded capabilities of LRS w hile pro viding increased rejectio n of Mie scattering interfer ences from the illuminating la ser line.This significant rejection of backg round no ise is achieved by placing a molecular iodine vapor cell in front of the detector and using an injection seeded Nd:YA G laser to tune the laser line to an absorption m ax imum o f the hy perfine iodine spectrum.T he seeded laser line shape and asso ciated M ie scattering are thereby strongly rejected w hile a significant po rtio n o f the Doppler br oadened Ray leig h signal leaks past the filter and reaches the detector.The FRS tech nique can be used to enhance flow visualization, or to make quantitativ e measur em ents of ther m ody nam ic proper ties,w hich is widely applied to sooting flam es,plasma,superso nic and hy perso nic flow s,and so o n[9 11].In this w or k,w e present the construction and perform ance of a FRS instr um ent fo r quanti tative2D tem perature im ag ing.T he paper be g ins w ith a brief summary of FRS w orking prin ciples,follow ed by a descriptio n o f FRS instru m ent.Results of tem perature and density of a premix ed flam e are presented,w hich are com pared to CARS temperatur e measurem ents to validate the accuracy of o ur FRS measurements. The m easurement uncertainty is prov ided in the discussio n.Also,the FRS technique is used to enhance flow visualization o f w ater atomization steam and superso nic exhaust flow s.2 FR S w orking principleA schem atic diagram o f the FRS m ethod is show n in Fig.1.FRS is an ex tension o f the tra ditio nal LRS imaging technique,in w hich a mo lecular filter is placed in fro nt of the detector,u sually an intensified CCD camera as show n in Fig.1(a).A frequency doubled Nd:YA G laser is typically used to measur e the Rayleig h scatter ing.A mo lecular io dine v apor,w hich has hyper fine absorptio n in the vicinity o f the532nm laser446 光学 精密工程 第19卷output,is em ploy ed as the filter m olecule.When the Nd:YAG oscillato r is injection see ded,the output line w idth is an order of magni tude less than the I 2absor ption line w idth.In jection seeding also allow s to tune the laser out put ov er a nar row about 1cm -1range,so that the laser line can be m ade coincident w ith a strong abso rption m aximum.As seen in Fig.1(b ),strong Mie scatter ing and backg round no ise,w hich hav e the same spectral profile as the laser line shape,ar e significantly attenuated by the filter w hile a sig nificant portion o f the Doppler br oadened Ray leig h signal leaks past the filter and reaches the detector.(b)Spectr al prof iles of molecular filter and nitro gen R ayleig h line shapesFig.1 FR S w or king principleThe FRS signal must be related to the phys ical v ar iable of interest such as laser intensity and thermodynamic proper ties o f flow ,w hichcan be w ritten asS =C I 0n kx k d d ( )kR k (v, v D ,p ,T,M k ) (v)d v ,(1)In Eq.1,S is the intensity of FRS signal w hich most g enerally depends upo n tem pera ture,pressure,and the local chemical com posi tion,C is a calibratio n constant associated with the FRS optical system,I o is the local laser light sheet intensity ,n =p /kT is the local num ber density,x k is the mo le fraction of the k th species pr esent lo cally in the flow field,(d /d )k is the differential Ray leig h cross section fo r the k th species,M k is the m olecular w eig ht of the kth species,v is the lig ht frequency, (v )is the measur ed transmission spectrum o f the mo lecular filter , D is frequency shift of scattering,and R k ( , D ,p ,T ,M k )is the no rmalized Ray leigh line shape function for the k th species cal culated fr om the S 6m odel of T enti et al .[12].Frequency shift of scatter ing due to the Doppler shift can be given byD =1|v (e s -e o )|.(2)Where e o and e s are the incident and observed u nit lig ht w ave vectors,respectively,and v is the flo w velocity vecto r.By the m easure imag e divided by a reference image recorded in roo m temper ature air,the op tical calibration constant and lo cal laser beam in tensity dependence can be rem oved.For con stant pressure flow fields,this process yields the fo llow ing expression for the nor malized FRS sig nal,S S ref =T 0T kx k k (T )0.21 O 2(T 0)+0.79 N 2(T 0),(3)Where T 0is the refer ence temper ature (usually 300K )and k is defined as a temper ature de pendent FRS cross section,k (T )=(d /d )kR k (v,p ,T ,M k ) (v )d v ,(4)FRS signal curves are show n in Fig.2.Each curve has been calculated from Eq.3for m eth447第2期WANG Sheng ,et al :Developm ent o f filtered Ray leig h scattering forane/air prem ixed flame of different equivalence ratios.In Fig.2,density can be calculated by the equation = p /R T ,w here is an average molecular mole mass.Fig.2 FR S signal curv es as a function o f temper ature anddensity calculated fo r methane/air premixed flame of differ ent equivalence ratios3 FRS opt ical system3.1 System optical layoutFig.3show s a schem atic diagram of the FRS optical arrangement.An injection seeded frequency doubled Nd:YAG laser is used in FRS system.T he output of the laser can be tuned by applying a bias v oltage to the heater circuit of the CW seed laser.T his tuning capability allow s the seeded Nd YAG output be m atched to the ho llow center of I 2absorption spectrum so that the narrow band Mie scattering lig ht produced by the flam e can be abso rbed and the broadened Rayleigh scattering can be passed partly to pro v ide a detected sig nals.The output of the YAG laser is split into tw o w ays.T he 3%of the laser energy is used to detect the laser pow er and fre quency on line.T he laser beam w ith 97%of energ y passes through a half w aveleng th plate thatis used to chang e the polarizatio n of the laser beam,and a spherical lens and a cylindrical lensw hich are used to fo rm a laser sheet and then trav els through the flame.T he Ray leig h scatter ing fr om the combustion is then imaged through an io dine filter cell and a nar row band pass filter onto a 12 bit intensified CCD cam er a.Fig.3 Schematic o f molecular FR S sy stem3.2 Iodine filter cellCo nfiguratio n o f the m olecular iodine filter cell is show n in Fig.4.The iodine filter is a glass cy linder w ith optically flat w indow s on each end.Iodine v apor is for med in the cell by placing a sm all amount of iodine cr ystals in the side ar m o f the cell and evacuating the cell.The cell temper ature is raised abo ve the am bient tem perature so that no iodine cry stallizes o n the w indo w s.The cell temper ature is elevated with insulated electrical heat tape.T he coldest po int in the cell is set in a side ar m.The temperature of the side arm contr ols the vapor pressureFig.4 Schematic o f iodine filter cell448光学 精密工程第19卷F ig.5 M easured abso rptio n line of io dine(num ber density )o f the iodine in the filter cell. T he tunable narrow band Nd YAG laser w ith a narrow line w idth at a w av elength o f 532nm can be tuned across the abso rption bands of iodine.Fig.5presents a m easured abso rption line o f iodine at 18788.4cm -1.4 Results and discussion4.1 Methane/air premixed flameAs a first step tow ard apply ing the FRS in strum ent for co mbustion thermom etry ,the tem perature field in the premix ed m ethane/air flame pro vided by a H encken burner is measured.On the basis of diag no sing FRS im ages and measurFig.6 T emperatur e and density of methane/air flame (=1,d =15mm)measur ed by F RSing iodine vapor abso rption spectrum,tem pera ture and density of m ethane/air premix ed com bustion is obtained.Fig.6show s the typical measurem ent results of temperature and density in methane/air premixed combustion field for =1.It is seen that the m easured density at 15mm abo ve the burner surface is 0.19kg/m 3,and the temper ature is (1827 84)K w hich is g ood ag reem ent w ith the result m easured by using CARS metho d in the same condition [13].The relative uncer tainty of temperature measurem ent by FRS is less than 8%[14].4.2 Water atomization steamsThe w ater atom ization steams are diagnosed using FRS.Fig.7show s the turbulence str uc tures on the ar ea of laser action.In g eneral,there ar e tw o so urces o f unw anted scattering:surface scattering due to w alls and w indow s and scattering due to par ticles present in the flow.If the io dine filter is not present,the images of the pulverizatio n flow s w ould be saturated by parti cle and backg round scattering.U sing the iodine filter,the scattering from w alls and w indow s could be sig nificantly absorbed.Since m olecular Rayleigh scattering experiences therm al br oade ning,a por tio n of the scatter ing can pass outside of the absor ption pro file,even w hen the center of the pro file co incides w ith line center o f the io dine transition.Fig.7 Images o f water atomizatio n steam using F RS449第2期WANG Sheng ,et al :Developm ent o f filtered Ray leig h scattering for4.3 Supersonic exhaust flowsAno ther ex ample sho w s the potential of FRS to im pro ve the flow visualizatio ns.T he su perso nic exhaust flo w s w ere diagnosed using FRS.Co nsidering the Doppler shift effect,ob servatio n,incident laser and stream w ise dir ec tions are accomplished or thog onally each other so that the M ie scatter ing is no t shifted com pletely out of the abso rption line,as show n in Fig.8.With this arrangement,the FRS sy stem is not sensitive to Do ppler shift in the stream w ise dir ection.T hus,the scattering intensity variations results primarily from density and temperature variations.F ig.8 Schematic o f FRS applied to supersonic ex haustflo wsThe superso nic ex haust flow is fro m right to left and the laser sheet propagation direction is from top to bo ttom o f the imag e,as show n in ing the iodine filter,the signal to no ise ratio is sufficient to observe the turbulence structures in the flowfield.F ig.9 Visualization of super sonic exhaust flo ws5 ConclusionsOn the basis of diagnosing FRS im ages and measuring iodine v apor absor ption spectr um,the methane/air premix ed flames w er e diagnosed and the 2D temperature and density fields w ere obtained.T he measured density at 15m m above the burner surface is 0.19kg/m 3,and tem pera ture is (1827 84)K w hich is g ood ag reem entw ith the results measured by using CA RS meth o d in the same co ndition.T he uncertainty of tem perature measurem ent by FRS is less than 8%.Water atom ization steams and supersonic ex haust flo w s w ere diag no sed fo r flow visualiza tion.These dem onstrate the abilities o f the FRS technique to m easure the tem perature and densi ty field and to enhance flow visualization in a com bustion environment.References:[1] Z HA N G P,CH ENG XL.R ecent Develo pment onCombustion Diag nostics T echnique[J].J our nal of Solid Rocket T echnology ,1998,21(2):66 70.(in Chinese)[2] L IU CH W,CH ENG W M ,L IU J.I 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基于波长调制技术的高温高压流场温度测量方法
基于波长调制技术的高温高压流场温度测量方法张步强; 阚瑞峰; 许振宇; 刘建国; 姚路; 阮俊; 胡佳屹; 夏晖晖; 聂伟; 袁峰【期刊名称】《《物理学报》》【年(卷),期】2019(068)023【总页数】8页(P80-87)【关键词】吸收光谱; 波长调制; 高温高压; 燃烧流场【作者】张步强; 阚瑞峰; 许振宇; 刘建国; 姚路; 阮俊; 胡佳屹; 夏晖晖; 聂伟; 袁峰【作者单位】中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室合肥230031; 中国科学技术大学合肥230026; 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033【正文语种】中文1 引言全球范围降低化石燃料消耗的要求促使高温高压能源系统(煤气化炉、爆震燃烧器、均质压燃发动机等)的发展,为了研究其复杂的物理过程,需要对其过程诊断获得温度、组分、流速等流场参数[1].经过40多年的发展,基于可调谐半导体吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)的气体传感技术已成功应用在多种能源系统实际测量,包括工业过程控制[2-5]、燃气轮机[6-9]、内燃机[10-12]、冲压发动机[13-16]、爆轰燃烧器[17-19]等.吸收光谱方法对恶劣燃烧流场诊断时会面临更多的挑战,如吸收基线难以获得、光束偏转、非吸收损耗变大、发射干扰以及压力升高带来的谱线展宽和重叠[20].TDLAS技术可分为直接吸收(direct absorption,DA)和波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy,WMS)两种技术,由于高频谐波信号对整体抬高和慢变信号不敏感,波长调制技术更有利于应对高温高压流场带来的挑战.本文选择燃烧的主要产物之一H2O作为为目标分子,吸收中心分别为在7185.6,6807.8以及7444.35/37 cm—1附近的三条吸收线,利用TDLAS技术易于小型化的特点集成一套流场诊断系统,光源部分包括中心波长分别为1392,1469和1343 nm的三只激光器,使用时分复用技术,激光器注入的锯齿扫描频率为1.1 kHz,高频正弦调制频率为322 kHz,利用提取的1f 归一化2f 信号直接与吸收模型得到的谐波信号比较反演流场温度,使WMS-2f /1f 策略成功应用在高温高压流场诊断中,实现了最大压强为10.58 atm (1 atm = 1.013×105Pa)的流场温度测量,最大测量误差为5.68%,验证了测量系统的稳定性和实用性.2 理论与原理2.1 理论部分一束频率为υ的光穿过光程为 L的气体介质时,透射光强 It和入射光强 I0满足Beer-Lambert定律：式中τ(υ) 表示透过率,αν表示吸光度,对于单一跃迁,吸光度在频域上积分可得积分吸光度 A,L为吸收光程(单位为cm),P为总压强(单位为atm),X为吸收气体的体积浓度,S(T) 为吸收线在温度T(单位为K)下的线强(单位为cm—2·atm—1),φυ表示吸收线型函数,其在频域的积分为1.根据展宽机制,实际吸收为多普勒展宽和碰撞展宽综合作用,故φυ选择Voigt线型[21],其为高斯线型和洛伦兹线型的卷积,其中多普勒和碰撞展宽机制的半高宽(full width at half maximum,FWHM)可分别表示为：其中υ0(单位为cm—1)表示吸收线中心频率,M(单位为g·mol—1)表示目标分子的摩尔质量,γ(单位为cm—1·atm—1)表示压力展宽系数,其中 n 表示展宽系数的温度依赖系数.在波长调制技术中,激光器波长和频率同时被调制,为更好描述激光器出光情况,出光频率υ(t) 和强度 I0(t) 随时间变化的关系可表示为：式中为激光器中心频率；a ,b ,c 为多项式系数,并且当i = 1时,表示调制深度(单位为cm—1)；ω为角频率(ω=2πf)；θ表示初相位.强度表达式中为激光器中心光强；i0,i2分别为归一化一次和二次调制幅度；φ1,φ2分别是一次和二次调制的初相位.这些参数均依赖于激光器本身调制特性.吸收后的强度信号经过解调,得到扣除背景的1f 归一化的2f 信号表达式为[22]其中 X2f,Y2f表示经锁相放大器解调得到的2f 的X分量和Y分量信号；表示2f的X分量和Y分量的背景信号；分别表示双通道解调得到的1f 信号和背景.2.2 测量原理波长调制反演流场参数的原理即将测量信号与建立的模型直接比较,要求模型中的参数与实际值尽量一致,包括激光器调制参数以及谱线参数,根据选线依据定则[22],选取的三条吸收线(其中Line1,ν0=7185.6cm-1；Line2,ν0=6807.83cm-1；Line3,ν0=7444.35/37cm-1)谱线参数如表1所列.根据表中的谱线参数,分别模拟不同压强的吸光度,结果如图1所示.图1中的模拟环境温度为T= 1500 K,水汽浓度X= 5%,光程L= 10 cm,可以看到压力升高带来的吸收线自身展宽变大,临近吸收谱线重叠使独立吸收线很难分辨,直接吸收需要获取吸收线的完整特征,并且需要零吸收基线部分,该方法在压力升高后很难测到精确流场参数.本文采用波长调制的方法,根据选线法则[23],使Line2 & Line1及Line2 & Line3组成两组吸收线对,模拟压强P= 5 atm,水汽浓度为1%—20%,温度为1000—2000 K,两组吸收线对2f /1f 峰值的比值变化如图2所示(C1表示Line2与Line1的2f /1f 的峰值比,C2表示Line2与Line3的2f /1f 的峰值比).从图2中可以看出,压强固定时,两对吸收线的2f /1f 峰值比随温度和浓度变化,并且同一浓度下,随温度单调变化,基于此,可利用所选吸收线对谐波信号峰值比测量流场温度.波长调制反演流场温度的本质是将测量和模拟的吸收线对的谐波信号直接比较,将模型中的水汽浓度和温度轮换迭代,流程如图3所示.具体过程如下：表1 三条吸收线谱线参数Table 1.Spectroscopic parameters of three absorption lines.@296 K/cm—2·atm—1E''/cm—1γair0/cm—1·atm—1γself/cm—1·atm—17185.601.91×10—21045.060.0410.1986807.836.03×10—63319.450.0980.183 7444.35/371.10×10—31774/18060.019/0.01530.2/0.23images/BZ_88_356_407_390_432.png/cm —1images/BZ_88_685_398_773_435.png图1 模拟不同压强下的吸光度 (a) Line1；(b) line2；(c) line3Fig.1.Simulated absorbance at different pressures：(a) Line1；(b) line2；(c) line3.图2 模拟两对吸收线2f /1f 峰值比随温度和浓度变化 (a) Line2 & Line1；(b) Line2 & Line3Fig.2.The peak ratio of 2f /1f of the two pairs of absorption lines obtained by simulation varies with temperature and concentration：(a) Line2 & Line1；(b) Line2 & Line3.1)为避免激光器出光强度拟合带来的误差,选择无吸收强度信号作为 I0(t) ,结合谱线参数和初始流场条件(压强 P、组分浓度 X0、温度 T0),获得经流场吸收的模拟信号It,sim(t)；2)将模拟信号 It,sim(t) 和测量的透射信号It,mea(t)经过解调获得对应扣除背景的归一化谐波信号 S2f/1f,sim和 S2f/1f,mean；3)模拟和测量的吸收线对的谐波信号峰值比分别为 Csim和 Cmean,固定初始压强和水汽浓度,根据相同条件下谐波信号峰值比随温度单调变化,更新温度,用 T1代替T0；4)由其中一条吸收线的峰值,根据公式X1=(Pmean/Psim)/X0更新水汽浓度,其中Psim,Pmean表示模拟和测量的谐波信号峰值；5)验证|Csim-Cmean|＜ε & |Psim-Pmean|＜ε1迭代条件是否成立,如果成立,则上一步的温度为流场温度,不成立,则重复3)、4)两步,直到迭代条件成立,通过模拟,正演得到三条吸收线的谐波信号,利用上述方法再反演温度,两对吸收均可得到预设温度值.图3 温度反演流程Fig.3.Process of temperature inversion.3 实验装置为实现现场便携式测量,在实验室集成高温高压流场测量系统,系统分为光源主机部分和信号处理两部分(两部外壳分尺寸均为250 mm×229 mm×89 mm).主机部分利用分时复用集成三只激光器,激光器均为NEL公司生产的分布反馈式半导体激光器,工作中心波长分别在1392,1469,1343 nm附近,同时包括温控、电流控制和合束器；信号处理部分包括光源分束,光耦探测器及放大电路,探测器为GPD公司生产,型号为GAP1000 FC,现场试验装置如图4所示.由于常温环境υ0=7185.6cm-1的吸收线相对较强,无法避免常温段水汽吸收背景,故系统中加入Λ=1343 nm的激光器,使Line2 & Line3作为备用吸收线对.三只激光器采用分时复用方式,每只激光器的扫描频率为3.3 kHz,均采用正弦调制方式,调制频率均为322 kHz,系统的时间分辨为0.9 ms.测量区域为某型号发动机模型喷口,垂直气流方向两侧开孔,使激光通过测量区域,吸收后的光经多模光纤传输到信号处理部分的探测器,经放大接入采集卡(美国NI公司生产,型号：PCI-5105).发动机点火后,燃料质量流量的改变使喷口燃烧流场发生变化,达到某工况时,流场处于稳定状态,压力传感器和热电偶得到的压强和温度可同时被采集.每个工况利用光谱方法采集三组吸收信号,每组可得到连续的200个温度值,试验过程中共采集三个工况的数据,各工况状态参数如表2所列.图4 现场实验装置图Fig.4.Device diagram of field test.表2 不同工况参数Table 2.Parameters of different operating conditions.StatePressure/atmFlow/kg·s—1Average temperature/K13.490.511958 27.040.9971420 310.581.4815124 结果与分析激光器出光频率-时间响应对波长调制技术非常关键,现场试验前对三只激光器的调制参数进行标定,根据激光器出光强度增加频率下降的特性,使激光通过固体标准具,图5为Λ=1469 nm的激光器标定结果图线.图5中“*”表示通过标准具的干涉峰,实线表示根据(6)式给出的模型得到的拟合结果,该激光器的频率-时间响应为同样的方法可得到Λ=1392nm 和Λ=1343nm两只激光器的频率时间响应,用于吸收模型构建.图6为现场第2工况采集的某组原始吸收信号和解调得到的谐波信号. 图6中上部分表示经吸收的强度信号,按时序分别为Λ=1392nm ,Λ=1469nm ,Λ=1343nm三只激光器,下部分表示解调得到的谐波信号,Peak1,Peak2,Peak3分别对应ν0=7185.6cm-1,ν0=6807.8cm-1,ν0=7444.35/37cm-1三条吸收线谐波信号的峰值.可明显看出光强信号由于辐射整体抬高,调制技术对整体偏移或信号缓慢变化不敏感,锁定需要的谐波信号峰位置,即可用于反演燃烧场温度.吸收线低态能级不同,线强最大值对应的温度也不同,并且低态能级越高对应的温度值越大,三条低态能级测量段两侧各有1.0 cm光路传输,该部分温度随测量段温度升高而升高,反演温度时需扣除其影响,工况1时,背景吸收部分温度较低,可利用Line1 & Line2反演温度,工况2和工况3时,背景吸收部分温度较工况1升高,Line1吸收更强,对背景扣除不利,选用Line2 & Line3反演温度,三个工况的温度测量结果如图7所示.图5 Λ=1469nm 的标定结果Fig.5.Calibration result of Λ=1469nm.图6 原始吸收信号(上)和谐波信号(下)Fig.6.Original absorption signal (top) and harmonic signal (bottom).图7中将每个工况连续采集的三组数据得到的温度连续画在一起,可以看出每个工况的温度值相对稳定,工况1,2,3温度测量结果的标准差分别为验证了测量系统的稳定性和重复性.将每个工况的三组测量结果分别计算平均温度、绝对误差、相对误差,结果如表3所列.表3中数据显示,同一工况各组的测量结果差异较小,相对误差最大值出现在工况3的第三组数据：5.92%.工况1,2,3的各组测量误差及总的测量误差均依次变大,工况1的相对误差只有2.26%,而工况3的相对误差达到了5.68%,这是由于工况随时间变化时,燃烧场压强和温度均升高,测量环境越发恶劣,精确测量的挑战变大.另外测量段外侧背景吸收部分更为复杂,对吸收的贡献随着测量段压强升高而变大,背景扣除的难度变大,测量结果验证了利用吸收光谱谐波信号峰值反演高温高压环境温度的方法,同时集成系统的实用性得到验证.图7 三种不同工况温度测量结果Fig.7.Temperature measurement results of three different working conditions.表3 测量结果Table 3.Measurement result.State & illustrateState 1State2State 3 First group Average temperature/K975.411481.291596.33Absolute error/K17.4161.2984.33 Relative error/%1.824.325.58 Second group Average temperature/K980.571473.661595.77 Absoluteerror/K22.5753.6683.77 Relative error/%2.363.785.54 Third group Average temperature/K982.911481.461601.50 Absolute error/K24.9161.4689.50 Relative error/%2.604.335.92 Total Averagetemperature/K979.631478.801597.87 Absolute error/K21.6358.8085.87 Relative error/%2.264.145.685 总结水分子作为重要的燃烧产物之一,在中红外波段具有丰富的跃迁吸收,不同的低态能级使其吸收线线强随温度变化不同,单一吸收线线强随温度为非单调变化,而合适的吸收线对峰值比随温度单调变化,反映在波长调制技术中,即扣除背景的2f /1f 信号峰值比随温度单调变化.利用扫描式波长调制技术测量了高温高压流场温度,利用TDLAS技术易于集成的特点实现了小型化,选择H2O为目标分子,利用时分复用方式集成三只近红外激光器,与常规的双波长测量相比,增加了备用方案,成功解决了现场测量的背景扣除问题.与单纯高温流场相比,压力提高,同时增加了测量难度,文中利用吸收模型和实测信号的直接比较,通过迭代方式实现了高温高压流场的测量,并成功应用于现场测量中,实现了温度的准确测量,验证了该测量方法的准确性和系统的稳定性.恶劣流场的诊断,一直是相关研究的难点,利用谐波信号峰值迭代的方法为该类型流场诊断提供了参考.同时,对更高压强、更高温度的流场诊断还未得到验证,组分浓度、流速等其他流场参数可在未来研究中同时测量,实现恶劣流场多参数的同时测量.参考文献【相关文献】[1]Goldenstein C 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点火药燃烧红外光谱法测试的应用_段进军
点火药燃烧红外光谱法测试的应用*段进军黄寅生李锦涛南京理工大学(江苏南京,210094)[摘要]选用3种配方的高能点火药,利用遥感红外光谱辐射计进行了燃烧温度的测定。
通过比较,掌握了3种配方在不同组分下的燃烧温度变化规律,配方1、配方2、配方3测试最高温度分别为2324K、2043K、1987K。
其调节剂磷铁加入对燃烧温度的影响不大,且燃烧温度不太稳定。
测温结果可以为配方的选用和对比提供相应依据。
[关键词]起爆器材点火具点火药遥感红外光谱辐射计燃烧温度[分类号]TD235.221引言底排点火药是一种用于点燃底排药剂的烟火药,是将底排药剂局部加热到发火点,并促使其稳定可靠地持续燃烧下去。
底排增程弹的点火,要求点火药有足够的燃烧强度、火焰强度(火焰温度、火焰长度、火焰持续时间)、灼热固体粒子的含量及点火压力。
灼热残渣的热量大,且液态的灼热残渣比固态的灼热粒子含有更多的热量(相变热),因而具有更强的点火能力,即燃烧温度高的点火药因其热量多而点火能力就强[1]。
测量方法上传统的接触式测温仪表如热电偶、热电阻等存在着测温的延迟现象,存在一定的使用局限,而且测温范围窄,可测温度相对低,不能用于测试高燃温、高放热点火药的燃烧温度[2]。
遥感红外光谱辐射计具有使用方便、反应速度快、灵敏度高、测温范围广、可实现非接触连续测量等众多优点,能够准确测定固体点火药燃烧温度。
本实验采用SR-5000遥感红外光谱辐射计对点火药配方的燃烧温度进行测定。
本试验所选用的3种配方点火药都具有较高的燃烧热值(Q﹥6.5M J/kg),经过组分比例的调整和粘合剂的使用,使其在某些参数方面有所提高,对研究点火药的燃烧温度有重要意义。
2试样的选用根据点火药的选配要求和原则,试验中氧化剂选用Ba(NO3)2、KC l O4、Sr(NO3)2,还原剂选用M g、A,l粘合剂选用NC,并加入磷铁进行性能的调节。
磷铁是一种灰色略带光泽的合金,其主要成分为铁和3价磷化铁混合物,熔点约为1149e,常温下其化学成分稳定,不溶于酸,无锈,无磁性,表面光洁度较好[3]。
微小尺度燃烧技术应用及发展研究
微小尺度燃烧技术应用及发展研究伍赛特(上海汽车集团股份有限公司上海200438)摘要：本文介绍了微小尺度燃烧技术的当前应用情J况，并重点分析了其当前面临的技术问题，并提出了相关解决措施。
随着相关技术的不断发展与完善，微小尺度燃烧技术终将得以广泛应用。
关键词：微小尺度燃烧；燃烧；微动力系统；稳定燃烧;催化燃烧引言近年来，不断涌现出各种微型飞行器、微小机器人以及各种使用于通信、遥感成像、化学分析和生物医学等的便携式电子设备,这些设备往往需要一个从几亳瓦到数百瓦的紧凑、长寿命的便捷式电源装置。
此外，手机、笔记本电脑等便携式设备也要求电池具有更高的能量密度和更少的充电时间。
目前，这些设备大都由传统的化学电池驱动。
然而，化学电池存在能量密度低、充电时间长、可连续工作时间短、体积和重量大等缺点。
因此，开发新型的紧凑的、耐用的、高效率的、高能量密度的微型发电设备取代现有电池具有重要的意义叫有研究表明:典型液体碳氢化合物的能量密度约为45MJ/kg,而最好的锂电池的能量密度约为1.2MJ/kg関。
因此，如果能够实现稳定、高效的燃烧，基于燃烧的微小型动力装置和系统就具备与化学电池竞争的巨大潜力。
对管内预混燃烧的硏究表明，如果火焰管的内径小于某个临界直径,从火焰向管壁的传热将使反应发生淬熄。
在这个临界宜径以下，燃烧波只有依靠外界对管壁的加热才能稳定。
这个直径一般称为淬熄宜径，对平行通道而言称为淬熄距离。
目前研究的微尺度燃烧的燃烧室容积通常小于1err?,其特征尺寸通常要小于或接近燃料的淬熄距离或淬熄直径。
1微小尺度燃烧的应用微型动力系统(Power MEMS)的概心最早由麻省理工学院于1997年提出，后被各国学者们广泛使用，泛指基于MEMS技术的微能源动力系统，是一种直接燃烧碳氢化合物，输岀电能、热能、机械能，尺寸在毫米或者厘米量级，功率达数十瓦的动力系统。
从20世纪90年代开始，关于微动力系统和微尺度燃烧的研究在世界各国广泛开展。
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2002年8月第13卷第4期装备指挥技术学院学报JournaloftheAcademyofEquipmentCommand&TechnologyAugust 2002Vol.13 No.4
收稿日期:2002-01-15 作者简介:李麦亮(1971-),男,博士研究生;庄逢辰(1932-),男,教授,博士生导师,中国科学院院士.
基于光谱测量的燃烧诊断技术李麦亮 赵永学 耿 辉 周 进 王振国(国防科技大学航天与材料工程学院,长沙410073)庄逢辰
(装备指挥技术学院试验工程系,北京101416) 摘 要:分别介绍了基于发射光谱、相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)和激光诱导荧光光谱(LIF)的燃烧诊断技术的原理、方法、发展现状以及一些具体应用结果,并展望了它们在燃烧科学研究和工程实践中的应用前景。
关 键 词:发射光谱;相干反斯托克斯喇曼光谱;激光诱导荧光;燃烧诊断中图分类号:O656文献标识码:A 文章编号:CN11-3987/G3(2002)04-0032-05
21世纪新一代航天运载工具以及各种高性能、低污染、大流强、小尺寸燃烧装置的发展,对燃烧科学研究提出了越来越高的要求。燃烧诊断是提高燃烧研究水平,推动与燃烧相关的各种先进火箭技术、高超声速飞行器推进技术和能源利用技术发展的重要基础技术,因此长期以来燃烧诊断技术的研究和应用一直受到特别重视。发达国家如美国、德国、法国和日本的一些先进实验室,特别是与燃烧科学关系密切的推进、动力研究实验室,都在积极采用光学测量技术对燃烧流场进行测量和研究[1～5]。近几年我国也在这方面开展
了研究[6～9]。
在所有可以应用于燃烧诊断的光谱技术中,尤以发射光谱、相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)和激光诱导荧光(LIF)等几种技术研究较多,与以热电偶、气体成份分析仪等为代表的传统手段相比,光谱技术灵敏度高,时间和空间分辨率高,不干扰流场,并且对燃烧场恶劣的测量环境适应性强,测量信息丰富,甚至可以测量燃烧研究甚为关心的各种自由基,这是以前无法做到的。基于进行燃烧科学研究和发展先进动力装置的需要,对以上提到的几种光谱技术进行了研究。本文将介绍国内及我们在这方面的研究成果,并展望其在燃烧科学研究和工程设计中的应用前景。
1 发射光谱技术各种介质均能辐射出与其温度和结构等相对应的电磁波,在宏观上,辐射强度还与介质的浓度有关。在燃烧场,特别是象火箭发动机这样的高温、高压的燃烧环境中,一些自由基或小分子可以发出可见光到紫外光波段的电磁辐射,检测这些辐射,便能得到自由基的浓度,燃烧场的温度等信息。图1是发射光谱用于羽流成分监测的光路示意图。
图1 羽流发射光谱探测系统示意图处理光谱并得到所需要的燃烧场定量信息的方法有多种。由于光谱强度是温度、介质浓度以及测量光路、仪器等多种因素影响的结果,因此一般不能简单以某波长的光强来对应某种测量信息。利用理论光谱对其进行线型拟合应该是比较准确的一种方法,但遗憾的是由于以前对自由基等小分子的研究非常不充分,它们的某些光谱常数难以准确确定,所以使用发射光谱进行燃烧诊断,目前可以充分利用的是一些定性的结果,定量地测量方法还在研究当中。发射光谱测量是一种相对较为传统的光谱技术,由于测量方法比较简单,对环境要求不高,系统比较紧凑等优点,在工程实践中最容易被采纳。在火箭发动机地面实验系统中,国外已有采用发射光谱监测羽流中异常成分的故障监控系统。国防科大在一些发动机的研究中,也已使用发射光谱进行了发动机状态监控和燃烧过程分析。图2和图3就是一些实验光谱的例子。(a)三维图(b)其中一帧光谱图2 某模型火箭发动机试车严重富燃时的羽流发射光谱图2是某新型发动机模型试车时羽流的发射光谱,此发动机的燃料为煤油、氢气和氧气,而此时煤油流量较大。由光谱可以看出,羽流光谱中占主体的是碳粒子的黑体辐射谱,这是多余煤油分解并形成大量固体碳粒子的直接证据。图3是该发动机氧气流量偏大时的羽流光谱。可以看到,存在一些烃类小分子和自由基,当燃料流量比变化时,这些小分子的组成还会变化,限于篇幅,这里不再给出其光谱。由以上结果可知,发射光谱在辅助燃烧过程分析和燃烧机理的研究时,可以在工程应用中起到指导作用。而且,这些光谱还与燃烧效率有着极强的关联,由光谱还可以辅佐一些总体参数的确定。经过更深入地研究可知:发射光谱在未来可能被用于燃烧成分监测、故障监控、二维流场结构成像等。由于其成本低、技术简单,可能最先实现与传统试车台测试技术的融合。目前需要解决的关键技术是燃气成分和温度信息的实时准确定量提取方法。
(a)三维图(b)其中一帧光谱图3 某模型火箭发动机试车严重富氧时羽流辐射光谱
2 CARS技术CARS(CoherentAnti-StokesRamanSpec-troscopy)是一种四波混频效应,最初是作为在一束强激光下的非线性光学过程进行研究,但其发展至今天,已经成为一种被广泛研究和使用的优秀燃烧诊断技术。当几束激光(例如2束频率相同的泵浦激光和一束频率在泵浦光的斯托克斯光位置的激光)以一定的角度要求在燃烧场中聚焦时,在聚焦区域就会产生一束类似于弱激光的CARS
33第4期 李麦亮,等:基于光谱测量的燃烧诊断技术信号。其光强表达式为[7]ICARS=12X4_E*CARSi(L)=_2k2CARSn1n2n3nCARSi(3)ijkl2I1I2I3L2sin2ΔkL2ΔkL22式中:n1、n2、n3和nCARS分别为3束入射光和CARS光在介质中的折射率;_为磁导率;X为介电常数;L为作用区域长度;k为频率;Δk为波矢失配;上标*表示共轭;i(3)为三阶非线性极化率。CARS信号易于与激光分离,可以有很高的信号收集效率。它测量的还是一个微域的温度和组分信息,有较高的空间分辨率。而且,现在的CARS测量系统可以做到ns级的时间分辨率,因此,CARS在用于火箭发动机燃烧场这样的湍流燃烧场的测量时,显得很有优势。图4是按USEDCARS光路布置的CARS测量系统示意图。CARS从20世纪60年代发现至今,已经被研究了近四十年,对于一些探针气体,如氮气、氧气和氢气等的光谱数据已经掌握得比较精确,因此,从CARS中提取温度和组分信息的方法较为容易。采用理论光谱和测量光谱的线型拟合,所得温度结果精度可以达到正负50K。当温度值准确时,浓度也可以较准确。中科院力学所的赵建荣等曾采用一幅光谱同时得出气体的温度和其中氢、氧的浓度[8]。图5是国防科大进行的CARS测温
研究的一些结果示例。与热电偶相比,CARS测量不干扰流场,时间和空间分辨率高,几乎不受火焰温度的限制,适合应用于类似发动机燃烧室这样的恶劣测量环境。
M—镜片;L—透镜;BS—分束镜;BD—光束收集器;DM—双色镜;AM—环形镜;F—滤波片图4 USEDCARS实验测量系统
(a)热空气中CARS测量结果(1360K) (b)平面预混火焰中测量结果(2021K)
图5 CARS测温结果示例(激发脉冲时宽为2.5ns,叠加了15个脉冲的信号) CARS测量技术的一个弱点是光路复杂,设备昂贵,因此成本较高。但是,随着经济实力的增强,这一不利条件将会逐渐淡化,CARS有可能成为燃烧科学研究的标准配置之一,在燃烧动力装
置的研究中发挥重要作用。3 LIF技术
LIF(Laser-InducedFluorescence)是利用频
34装备指挥技术学院学报 2002年率较高的激光,有选择地把测量介质的分子激发到高能态,然后收集其向低能态跃迁时发出的荧光进行分析的一种测量技术。如果使用片状激光束进行激发,则可能对燃烧场中的某个断面进行成像,此时LIF又被称为PLIF(PlanarLaser-In-ducedFluorescence),即平面激光诱导荧光。与发射光谱不同的是,PLIF可以让被激发对象发出荧光而不管它原来处于什么状态;而发射光谱则需要测量对象处于一定的状态,否则其信号可能探测不到。图6是PLIF的一般实验光路。
M—镜片;L1—凹透镜;L2—凸透镜;L3—柱面透镜;L4球面镜;BD—光束收集器;F—滤波片;U—UV镜头图6 PLIF实验测量系统
(a)狭缝喷嘴扩散火焰OH基PLIF图 (b)狭缝喷嘴扩散火焰发射光谱图 (c)狭缝喷嘴预混火焰OH基PLIF图(d)狭缝喷嘴预混火焰紫外发射光谱图
图7 扩散/预混火焰的OH基PLIF图像及发射光谱图像
PLIF信号强度是温度、压力、摩尔浓度和其它已知的实验参数的函数,可以写为[9]:Sf=EpiaPAlaskT∑i[fJ″Bg]AA+QCopt其中:加和是对所有跃迁进行的;Ep是每个激光脉冲的能量;Alas是片光源激光束的截面积;ia是吸收组份的摩尔浓度;P是压力;k是玻耳兹曼常数;T是温度;fJ″是转动量子数为J″的吸收态的玻耳兹曼份数;B是爱因斯坦吸收系数;g是光谱重叠积分;A是全部直接和间接聚居态有效自发发射速率;Q是电子受激态总碰撞淬灭速率;Copt是由气体发射的光子在ICCD相机中被转换成光电子的效率,它依赖于收集光路的性能、滤光片、时间快门、光阴极量子效率和增强器增益;AA+Q即是荧光产生率。LIF信号也包含温度和浓度2种信息,只是在燃烧场中不同的时刻或不同的地方,所采集的LIF光强分别是温度的强函数和浓度的弱函数或者反之。通过一定的实验参数的设置,总是可以求得燃烧场的相对温度或浓度分布;这时只要再有一点的值是确定的,便可以确定整个燃烧场内的分布。例如,在一些火焰中,900K～1700K范围内荧光强度是温度的弱函数,这样若对激光强度和面阵接收器的均匀性进行校正后,即可得到仅与浓度成正比的荧光信号。PLIF技术测量的结果信息丰富而直观,是燃烧诊断的一个强有力工具。世界上的先进燃烧研究机构都在开展关于这项技术的研究工作,国内的中科院力学所及国防科技大学等机构也在做这方面的应用研究,关于PLIF技术在超音速燃烧中的应用研究结果有望于近期陆续公布。图7是中科院力学所赵建荣等的一些实验结果。比较这些结果,可以很容易的确定火焰开始的位置,火焰中的化学反应区域,火焰中的相对温度、自由基的
35第4期 李麦亮,等:基于光谱测量的燃烧诊断技术