近红外吸收光谱技术诊断超声速气流参数.pdf

1 8 2第二届近代实验空气动力学会议论文集近红外吸收光谱技术诊断超声速气流参数李飞，余西龙，顾洪斌，陈立红，张新宇( 中国科学院力学研究所，高温气体动力学实验室，北京，1 0 0 1 9 0 )■■：利用光谱数据库H i t r 卸2 0 0 4 在1 3 9 3 n = 附近选择了两条} 1 2 0 转振谱线：7 1 6 8 ．4 3 7c r l 7 1 8 5 ．5 9 7c 矿l ，基于可调谐二极管激光器吸收光谱技术( T O L A S ) 建立可同时测量气流平均温度、水蒸气组分浓度参数的吸收光谱测量系统在5 1 d - l z 的测量频率下．采用分时扫描一直接探测策略在直联式超燃冲压发动机实验台上开展了实验研究，测量了进入燃烧室的气流平均温度、水蒸气分压数据( 温度约4 0 0 ．6 K ．水蒸气分压约0 ．7 6 7 a t m ) ，这与理论计算仅相差5 K ( 1 _ 2 5 ％) 和0 ．0 1 5 a t m ( 2 ％) ，验证了测量系统的高测量精度关■词：可调谐二极管吸收光谱技术( T D L A S ) ；温度测量：超声速气流：光谱数据库( H i t r a n 2 0 0 4 )1 基本原理及谱线分析当一束频率为v 的激光通过流场，其出射光强和入射光强满足B e e r - L a m b e r t 关系式：( I ／I o ) ，= e x p ( - K v x L )( 1 )其中，1 0 为入射光强，I 为出射光强，K v为吸收率，L 为吸收长度。

而吸收率是静压P ，水蒸气组分浓度X H 2 0 ，吸收谱线线强度S ( D ，线型函数谚( v ) 的函数：K 、- = P X m o S ( T ) 谚( v )( 2 )● 其中线型函数满足I 纵l ，Ⅺy 兰1 J在1 ．3 ．1 ．5 脚近红外区，通讯用分布反馈式激光器( D F B ) 可以以数千赫兹的扫描频率扫过2 ．3 个波数的光谱范围，这为扫描波长法奠定了基础【1 ，2 】如果采用波长扫描·直接吸收的方法，通过积分整个吸收线型得到的积分吸收率就只是温度和组分浓度的函数在均匀流场中，静压和组分浓度可以认为是沿光程的不变量，这样就可以选取两个吸收线型列出两个吸收方程解出T 和X m o 这两个未知数两条孤立吸收线的积分吸收比R ：曩=鲁筹v=器=器唧㈦m](捌m)dvC 以印丛：( T ) 识( 1 ，一s 2 ( 丁) s 2 ( 瓦) ‘【- L 七／～“F7 j ／J它是T 的单值函数，通过测量积分吸收比定出温度，进而由式( 2 ) 可以得到组分浓度X m o 本文根据光谱数据库H i t r a n 2 0 0 4 选择两条吸收线：7 1 6 8 ．4 3 7c m - 1 和7 1 8 5 ．5 9 7c m 一，用于组建基于双线波长扫描法的吸收光谱测量系统。

图l 为两谱线在3 0 0 ．2 0 0 0 K 范围内的线强( 3 )度可见，两线在3 0 0 ．1 3 0 0 K 范围两线均有较强吸收，并且线强度比较接近图2 为此吸收线对在3 0 0 ．2 0 0 0 K 范围的测温灵敏度，可见在此温度范围此线对具有很高的测温灵敏度因此利用此线对搭建的同光路双线T D L A S 测温系统适合测量较低静温的气流【3 】李飞等：近红外吸收光谱技术诊断超声速气流参数1 8 3图1 ．两线线强度随温度的变化图2 ．测温灵敏度随温度的变化2 实验设备简介直联式超声速燃烧实验台是超燃研究的重要设备，它主要用来研究超声速燃烧组织和燃烧室结构设计图3 为本实验室的直联式超燃台示意图加热器是用来产生高焓实验气流的圆筒氢气和空气的预混气体首先进入加热器，并由火花塞点燃形成引导火焰主流空气与氢气被该引导火焰点燃在加热器内燃烧，提高加入空气的总温，在燃烧中消耗掉的氧气部分再另外补充以保持正常空气中应有的氧气含量超声速喷管把加热器加热后的空气加速到设计马赫数，流经隔离段后进入燃烧室在燃烧室内喷射煤油或氢气等燃料进行超声速燃烧实验，燃烧后气流最后由尾段进入排气设备此设备的燃烧室入口处的内流道横截面5 0X 7 0 m m 2 。

本实验的实验工况为低温混合实验，马赫数M a = 3 ，加热器气流的设计总温约1 0 0 0 K ，压力2 ．2 M P a ，流量2 ．0k g ／s ，设备的有效运行时间大于2 s 因为喷管出口的气流静温较低，选择7 1 8 5 ．5 9 7 c m - 1 和7 1 6 8 ．4 3 7 c m l 两吸收线非常适合实验是在隔离段出口、第一燃烧室的入口位置处进行( 左侧第一个窗口) ，测量位置距离喷管出口约4 3 c m ，流道中间线位置图3 直联式超燃台结构示意图图4 为超燃直联台的吸收光谱测量系统示意图，使用波长扫描．分时直接探测策略经过调制的信号发生器输出两个半锯齿波分别控制两台激光控制器，将两台激光器输出激光用一根5 0 ：5 0 分束比的光纤耦合器耦合到一根单模光纤中，此光纤输出端为光纤准直器，输出光束有效直径小于l m m 在透射光的收集一侧，使用的是大数值孔径光纤收集器，将收集^．．量．r．-D)∞I苗掌=葛等11第= 届近代实验空气动力学会议论文集到的光线直接导入多模光纤中，再在远方输出由感光面c 2 m m 的I r l G a A s 探测器( 测量带宽大于2 0 M H z ) 探测．并由示波器记录探测器输出信号。

使用光纤有两个方面的考虐，一是由于在这种真实实验平台周围，激光器．探测罂等卅’二，设备难以摆放和固定，而光纤可咀方便的将撒光接^ 接出设备，因此使用光纤易于光路布置二是使用光纤报容易| | 除空气中的水蒸气对低温吸收线的影响 ■■商- 一■■H 蛹■—一一 P㈣I 一，t 凶，眶图4 超燃直联台一吸收光谱测量系统示意圈由于超燃设备匿行时伴随一定的振动，斟此各实验测量系统部件特别是光纤准直器和3 数据处理谴续W g t 饯型拟台接收器要采取有效的防振措施，井且光纤收集图5 为典型的原始数据圈．每个锯齿渡上 器的同光孔径和数值孔径应尽可能大·在参数升沿中的下凹区域即为吸收位置．可见 设置方面- 为排除低频噪声的干扰，波长扫描7 1 8 55 9 7 c I I f 线的吸收率要小于7 1 6 84 3 7 蚰l 频率不宜太小·本实验中的镀长扫描的总周期线这是由于气流温度较低造成的，这种状态 为0 ．2 n u ( S k H z ) ·数据记录仍使用记忆示被器，下．低温吸收线的吸收线强度较大( 见圈1 ) ． 由控制系统提供的模拟输出作为触发信号源囤5 典型原始数据围一磬李飞等：近红外吸收光谱技术诊断超声速气流参数1 8 5￡趸 豸墨·墨 古0 0 4O0 2 O o o ．0 0 2- 0 ．0 4 00 00 ．0 501 00 ．1 5T u n e ( i n s )上图：原始数据和连续V o i g t 线型拟合，下图：拟合偏差图6 数据处理示意图由于一个测量周期为0 ．2 m s ，而实验中往往长时间记录吸收数据( 数千周期) ，因此逐个周期的数据处理的工作量太大无法实现，需要编写自动数据程序。

由于本实验的待测气流静压较高( 大于0 ．5 a t m ) ，因此线型函数中的压力加宽部分( L o r e n t z 线型) 不能忽略，因此需要使用V o i g t 线型进行拟合根据基线与吸收峰同时拟合的数据处理思想【4 】，并将数据处理程序推广到V o i g t 线型连续拟合图6 为典型的数据处理图，可见基线拟合的效果良好，从下图的拟合偏差可以看出，V o i g t 线型的拟合残差约l ％，这对于较弱吸收线型拟合来讲非常优异，此拟合精度足以用来定量计算气流参数4 实验结果及分析本实验测量了设备稳定运行状态下的燃烧室入口气流参数，并记录了4 0 m s 的实验数据实验运行参数为：水蒸气、氧气、氮气的摩尔浓度比分别为1 0 ．2 ％、1 9 ．8 ％、7 0 ％图7 ( a ) 为稳定运行时的T D L A S 温度测量结果，( b ) 为水蒸气分压测量结果图7 ( a ) q a 平均温度为4 0 0 ．6 K ，这与用加热器总温和马赫数计算的结果3 9 5 ．3 K 相差仅5 K ( 1 ．2 5 ％) ；图7 ( b )中测量结果的平均水蒸气分压为0 ．7 6 7 a r m 。

吸收光谱测量位置处的壁面静压为0 ．7 3 a t m ，由水蒸气浓度比可得水蒸气分压0 ．7 4 5 a t m ，与T D L A S 测量结果相差0 ．0 1 5 a t m ( 2 ％) 可见，燃烧室内的氢气反应完全，喷管膨胀性能良好1 8 6第二届近代实验空气动力学会议论文集g童呈童( a ) 温度结果善 器兰 暑专 山 qZC o ) 水蒸气分压图图7 燃烧室入口气流参数的T D L A S 测量结果总的来讲，温度和水蒸气分压保持稳定，说明实验台的加热器运行平稳温度和分压的测量结果中均出现高频脉动，其中温度的脉动幅度约为2 5 K 分析图6 的数据拟合偏差可知，在此V o 嘧线型连续拟合情况下，积分吸收比的测量误差小于5 ％，根据7 1 8 5 ．5 9 7 c m _ 和7 1 6 8 ．4 3 7 c m ‘1 双线在4 0 0 K 左右的线强度比R随温度的变化关系可知，5 ％的积分吸收比误差将带来1 5 K ( 3 ．7 5 ％) 的测量误差因此，温度测量结果的脉动必然含有气流温度脉动信息，此温度脉动可能是由于加热器的湍流燃烧引起的由于目前的测量系统仍为分时探测策略，属于短时间内的空间和时间平均效果，因此脉动频率的分析还有待于进一步的改进测量系统和大量的实验分析，未来将开展这方面工作。

另外，5 k H z 的测量频率对于超燃研究在时间分辨率上是足够的，若想得到平均效果，可使用数次测量结果平均的方式去除脉动信息5 结论利用两条水蒸气吸收线对：7 1 8 5 ．5 9 7 c m 1和7 1 6 8 ．4 3 7 c m “ 1 ，基于波长扫描一分时直接探测的方法建立一套适于超声速气流参数测量的T D L A S 测量系统并在5 k H z 的测量频率下，在马赫3 直联式超燃实验台上进行了温度和水蒸气分压测量实验获得了实验台稳定运行状态下加热器出口温度和水蒸气分压数据( 温度约4 0 0 ．6 K ，水蒸气分压约0 ．7 6 7 a r m ) ，这与理论计算仅相差5 K ( 1 ．2 5 ％) 和0 ．0 1 5 a r m ( 2 ％) ，验证了测量系统的高测量精度同时，反应了加热器内燃烧充分，氢气反应完全，验证了实验台的高稳定性此实验是国内首个应用于超燃研究的可调谐二极管吸收光谱测量实验，其成功应用验证了吸收光谱测量系统在高速气流参数诊断方面的厚实潜力，将为下一步在超声速风洞设备的广泛应用积累技术经验参考文献【1 】X ．L i u ，J ．B ．J e f f r i e s ，R ．K ．H a n s o n ，K ．M ．H i n c k l e y , M ．A ．W o o d m a n s e eD e v e l o p m e n to fat u n a b l ed i o d el a s e rs e r l s o rf o rm e a s u r e m e n t so fg a st u r b i n ee x h a u s tt e m p e r a t u r eA p p l ．P l a y s ．B8 2 。

4 6 9 —4 7 8( 2 0 0 6 )【2 】A l a nD ．G r i f f i t h sa n dA ．F r a n kPH o u w i n g ．D i o d el a s e ra b s o r p t i o ns p e c t r o s c o 。