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基于光谱测量的燃烧诊断技术_庄逢辰

2002年8月第13卷第4期装备指挥技术学院学报

J o urnal of the Academ y o f Equipment Co mmand &Technolog y Aug ust 2002V o l.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:O 656

文献标识码:A 文章编号:CN 11-3987/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 (Coherent Anti-Stokes Raman Spec-trosco py )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

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]

I CA RS =

E *CARS i (L )=_2k 2CARS n 1n 2n 3n CARS i (3)ijkl 2I 1I 2I 3L

2sin 2Δk L 2

Δk L 2

式中:n 1、n 2、n 3和n CARS 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USED CARS 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C ARS

测温研究的一些结果示例。与热电偶相比,C ARS 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　U

SED CA RS 实验测量系统

(a )热空气中C ARS 测量结果(1360K ) (b )平面预混火焰中测量结果(2021K )

图5　C AR S 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)

C ARS 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-Induced Fluorescence)是利用频

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 (Plana r Laser -In-

duced Fluo rescence),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;L 1—凹透镜;L 2—凸透镜;L 3—柱面透镜;L 4球面镜;BD —光束收集器;F

—滤波片;U —UV 镜头图6　PL IF 实验测量系统

(a)狭缝喷嘴扩散火焰O H 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

O H 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O H 基PL IF 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]:

S f =

E p i a P A las k T ∑i [f J ″Bg ]A

A +Q

C opt 其中:加和是对所有跃迁进行的;E p 是每个激光脉冲的能量;A las 是片光源激光束的截面积;i a 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;f J ″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;C opt 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;A

A +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

第4期李麦亮,等:基于光谱测量的燃烧诊断技术

分布特征等,使得对火焰的认识深度大大提高。

PLIF技术可以对流场的结构进行高精度的成像。借助这一强大工具,有望解决一些困扰燃烧领域多年的难题,如超音速燃烧、火箭发动机燃烧不稳定等,因此,可以肯定这一技术的应用前景是极其乐观的。

4　结束语

燃烧科学研究和新型动力装置的发展对燃烧诊断技术提出了越来越高的要求,光谱技术用于燃烧场的测量有着独特的优势。因此,有理由相信随着国家经济实力的增强和光电行业及光谱学的发展,会有越来越多的光学技术被应用于燃烧科学研究及工程实践,而燃烧科学和工程实践也会因此得到更大的发展。

参　考　文　献

[1]Eck breth A https://www.wendangku.net/doc/df19101981.html,s er diagnos tics for combus tion tem pera-

tu re and s pecies[M].Abacus Pres s,1988.

[2]M inck R W,Terhun e R M,Rado W https://www.wendangku.net/doc/df19101981.html,ser-s timu lated

raman effect and resonant four-ph oton in teractions in gases H2,D2,and CH4[J].Applied Physics,1963,3(10):181-184.

[3]Anderson M G,M cAmis R W,Brasier C W.Advanced

meas urem ent diagn os tics for liquid propellant rocket engine inves tig ation and h ealth monitoring[C].Lake Buena Vis ta:

AIAA,1996:96-2613.

[4]Bryant R A,R atner A,Driscoll J https://www.wendangku.net/doc/df19101981.html,ing PLIF deter-

mined flames tructu re to analy ze supersonic combus tion effi-ciency[C].Reno:AIAA,1999:99-0774

[5]M ayer W.T EKAN-research on cryogenic rock et engines at

DLR lam poldshaus en[C].Hun tsville:AIAA,2000:2000-3219.

[6]赵永学.液体火箭发动机羽流光谱研究及其应用[D].长沙:

国防科技大学,2001.

[7]杨仕润.CARS在超音速燃烧研究中的应用[D].北京:中国

科学院,1998.

[8]Yang S R,Z h ao J R,Sung C J,et al.Simultaneous m ultilex

C ARS meas uremen ts of temp erature and concentration s of

H2and O2in supersonic hydrogen-air combu stion[C].

Reno:AIAA,1998:98-0727.

[9]Danehy P M,M udford N R,Gai S C.Instantaneous mole-

fraction PLIF imaging of mixing layers behind h ypermixing injectors[C].R eno:AIAA,1999:99-0445.

Combustion Diagnosis Technology Based on Spectroscopy Measurements LI Mai-lia ng　ZHAO Yo ng-xue　GENG Hui　ZHOU J in　W AN G Zhen-g uo (Colleg e of aerospace and material engineering,National University of Defens e Tech nology,Ch ang sha410073,China)

ZHU AN G Feng-chen

(Departm ent of Experiment Engineering,Th e Academ y of Equipmen t Command&Tech nology,Beijing101416,China)

Abstract:The paper introduces respectiv ely the principle,m ethod,state of dev elo pment a nd some a pplicatio n results o f sev eral kinds of combustion diag nosis technolog y based on Emission Spec-trosco py(ES),Coherent Anti-sto kes Raman Spectroscopy(CARS)and Laser-Induced Fluo rescence (LIF).At the same time,it v iew s their future applica tions in com bustion science and engineering.

Key words:emissio n spectroscopy;C ARS;LIF;com bustion diag no sis

(责任编校:李江涛) 36装备指挥技术学院学报 2002年