高温高压流场温度激光光谱测量方法研究

论文摘要

经过40多年的发展,可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,简称TDLAS）技术在流场参数传感方面日渐成熟,该技术可实现非接触、原位测量,尤其是在恶劣的燃烧流场诊断中,具有很好的环境适应性。高温高压流场普遍存在于各种能源系统（如煤气化炉,爆震燃烧器,均质压燃发动机等）,利用吸收光谱方法对该类型流场诊断将面临很大挑战,比如光束偏转,非吸收损耗,辐射干扰以及压力升高带来的光谱重叠和展宽。TDLAS可分为直接吸收（Direct Absorption,简称DA）和波长调制光谱（Wavelength Modulation Spectroscopy,简称WMS）两种技术,本文以碳氢燃料主要燃烧产物之一——H20作为目标分子,研究了利用扣除背景的WMS-2f/1f峰值反演高温高压燃烧场温度的方法,选取H20在7185.6cm-1、6807.834cm-1、7444.3 5/3 7cm-1附近的三条吸收线作为研究对象,建立了基于波长调制技术的精确吸收模型,实现了固定压强下,流场温度和浓度轮换迭代反演方法,并在最高压强10.58atm进行了验证,温度测量误差小于5.68%。为了建立更加精确的吸收模型,进行了一系列H20分子高温光谱参数标定实验,在分析实验数据时实现了时域信号到绝对频域信号的自动寻峰转换,改进了自由光谱范围（FSR）计算方法,利用吸收信号对自由光谱范围标定,由于标准具介质折射率随波长变化,标定的自由光谱范围比理论计算更加精确,结合优化的L-M算法,解决了带有背景的吸光度多峰同时拟合问题。利用激光器强度和频率同时被调制的特性,研究了波长调制技术中波长标定方法和激光器调制特性,并改进了频率-时间描述模型,以获得更加精确的调制参数。利用吸收模型获得扣除背景的2f/1f信号,通过与实测信号2f/1f直接比较,设定变化的迭代步长和方向,实现了温度和浓度的同时反演,模拟验证了高温高压环境反演方法的准确性。利用WMS-2f/1f峰值反演算法,集成了一套燃烧流场温度测量系统,系统的时间分辨率小于1ms,激光器采用锯齿扫描叠加正弦调制的工作方式,实现了小型化,该系统分别测量了管式高温炉和单头部燃烧室出口温度。在实验室高温炉微正压及低压环境,实现了900～1500K范围温度和浓度的精确测量,相对误差分别小于3.1%和2.2%。现场台架试验测量燃烧室出口温度,通过改变燃料质量流场使工况改变,在压强:3.39～10.58atm,温度:958～1512K范围进行了测量验证,测量测量误差小于5.68%,实现了高温高压环境温度的精确测量,验证了吸收模型的准确性、反演方法的可靠性及测量系统的稳定性。本文研究了基于WMS-2f/1f高温高压流场温度测量方法,通过建立精确的吸收模型反演流场参数,解决了高压燃烧流场诊断困难的问题。为利用吸收光谱技术诊断燃烧流场提供了准确吸收模型的建立方法,为工业过程控制和推进系统研究中的恶劣燃烧流场提供了光谱诊断方法。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张步强

导师: 刘建国,阚瑞峰

关键词: 高温高压,温度,燃烧流场诊断,波长调制,吸收光谱

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学技术大学

分类号: TN241

总页数: 126

文件大小: 8930K

下载量: 295

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