燃烧场吸收光谱诊断技术研究进展

基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）的视线测量技术,有能力实现流场温度、速度、组分浓度等参数的快速测量。作为一种有效的诊断工具,TDLAS传感器已经在燃烧和推进系统的研究和开发中获得广泛应用,为改善系统的性能发挥着越来越重要的作用。新应用机会的出现,对传感器提出新挑战的同时也促进了相关技术的进步。概括介绍了TDLAS技术的发展水平、在燃烧场诊断中的应用及未来的潜力,为相关研究人员提供参考。     

基于可调二极管激光红外吸收的燃烧诊断技术

为了发展先进的燃烧诊断技术，对可调二极管激光红外吸收术用于燃烧多参数测量的原理、方法和测量系统进行了全面的论述，并将该方法应用于脉冲爆震室中未燃组分、当量比的测量中。因为爆震室中燃料的分布和填充程度决定了脉冲爆震发动机(PDE)的性能，故试验中精心控制燃料填充程度，以研究爆震管中填充程度对脉冲爆震发动机性能的影响。实验结果表明，可调二极管激光红外吸收术对于监测PDE的性能，进而对PDE的控制和优化极有意义。     

激光偏振特性对可调谐半导体激光吸收光谱测量技术的影响研究

为了解决TDLAS系统在工程应用中对发动机或激波管内流场测量时所遇到的偏振干扰问题,开展了传输激光偏振特性对TDLAS测量技术的影响研究。基于一个典型TDLAS工程应用系统的传播光路,推导了TDLAS工程测量系统中归一化出射光强随入射光波偏振角的变化关系式,利用这个关系式从理论上研究了由于入射光波偏振态扰动而引入的偏振噪声,利用实际工程测量中使用的发动机尾喷管搭建了实验验证系统,并通过实验对理论分析进行了验证,结果证明通过正入射方式或采用保偏光纤可以将幅度抖动范围在20%以上的偏正扰动有效地消除,根据理论分析和实验结果提出了抑制这种偏振噪声的具体实施方案。     

激光诊断技术在脉冲爆震发动机研究中的应用

在美国海军研究生院及斯坦福大学的脉冲爆震发动机（PDE）模型上，应用两种新发展的二极管激光诊断技术－光吸收／高温辐射组合测定法和多路复合可调二极管激光（TDL）技术，测量了其中的温度、各燃烧产物组分等重要参数，并与传统方法所得结果进行对比，说明新方法可靠、准确，适合爆震燃烧流场这种特殊环境，测量精度更高，而且更加简便、快捷。     

带压燃烧场2D温度分布的激光吸收光谱测量初步研究

以实现冲压发动机等高压燃烧流场诊断为目标,采用可调谐半导体激光吸收光谱技术对带压的燃烧流场温度诊断进行初步研究。使用一种光谱适应的CT重构二维温度方法,以误差平方和和零均值归一化互相关作为评价指标分析CT-TDLAS的重构精度。搭建带压燃烧腔温度分布测量的实验系统,使用压力传感器和CCD相机记录带压点火燃烧过程变化;使用1335-1375nm的宽波段可调节半导体激光器对燃烧腔内带压点火燃烧过程进行了时间分辨的二维温度重建。实验结果表明：CT-TDLAS具有较高的重构精度;燃烧过程的压力变化趋势,火焰变化趋势及时间分辨二维温度分布变化趋势,三者保持一致;在带压条件下,CT-TDLAS可以实现高分辨率的时间分辨温度测量,反应定量的温度分布变化信息,为带压及进一步的高温高压燃烧流场的诊断提供帮助。     

基于TDLAS的电弧风洞流场Cu组分监测

电弧风洞是进行防热材料和防热结构考核与研究的必要设备,也是高超声速地面试验能力的重要组成部分,但电弧加热器的电极烧蚀会导致较为严重的流场污染,影响试验准确性。利用可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）,通过对20 MW级片式电弧加热器内部流场中Cu原子809.25 nm跃迁谱线进行实时测量,研究了电弧风洞流场中Cu污染情况和电极烧蚀情况。在获得Cu原子该谱线低能态数密度基础上,估算了运行功率分别在7.3、8.7、10.0和11.7 MW时流场中Cu组分（原子态和离子态）总数密度平均为10.6×10¹³、11.2×10¹³、11.7×10¹³和16.4×10¹³ cm^-3,同时得到平均电极烧蚀率约为1.65×10^-5 g/C。试验还发现,TDLAS信号在高温流场建立阶段起伏变化明显,并且在功率跃变时也会出现突然增强而后迅速回落的现象,表明电弧抖动会使电极烧蚀严重加剧。     

激光吸收光谱技术测量非均匀燃烧流场研究进展

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有非侵入性、灵敏度高和时间响应快等优点,将激光吸收光谱技术与最小二乘法、计算机断层扫描重建技术(CT)相结合,可以实现对非均匀燃烧流场的分布测量。首先简要介绍了激光吸收光谱技术的发展历程及测量基本原理,然后分别对激光吸收光谱技术测量非均匀流场一维分布、二维分布的国内外研究现状及关键技术进行了综述,比较分析了二维非均匀流场诊断实验中旋转和固定两种安装模式的优缺点及相对应的光线布局,总结了用于流场二维重建的相关重建算法,最后讨论了激光吸收光谱技术测量非均匀流场研究工作的发展趋势和有待解决的相关问题。     

喷气发动机湍流燃烧场激光定量诊断技术研究进展

燃烧流场参数的定量测量是发动机研发不可或缺的重要组成部分,以煤油为燃料的喷气发动机内流场是高温、高压的强湍流复杂燃烧场.本文针对喷气发动机燃烧流场温度、速度、组分浓度等主要参数定量测量的需求,重点介绍本实验室研发的相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温、OH示踪测速(HTV)、自发拉曼散射(SRS)测量组分浓度的实验系...     

基于TDLAS技术的燃烧室出口温度场测量

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。     

斜切径向旋流燃烧室主燃区光学测量与特性分析

针对斜切径向旋流环形燃烧室模型,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)光学测量手段,在模化状态(Case 2)下,对燃烧室主燃区进行温度测量,分别得到了主燃区内12个点的温度和沿两条路径的积分温度.使用Fluent 12.0对Case 2进行数值模拟,分别使用两种非预混燃烧模型:平衡化学反应模型(EM)和稳态层流小火焰(SLF)模型.通过将两种不同燃烧模型的计算结果与TDLAS,CARS试验测量数据作对比验证,发现EM计算得到的温度更高,并与试验测量温度更符合,其中与CARS测量的误差小于6%.在试验验证的基础上,完成燃烧室在冷流状态(Case 1)下的计算,分析主燃区的气流组织和主燃孔射流对回流区的影响;利用EM计算分析燃烧室主燃区在全压状态(Case 3)下燃料分布、温度场、组分分布和性能参数,如燃烧室的燃烧效率为0.97、出口温度分布系数为0.312等,较为全面反映了燃烧室内气流流动换热和燃烧现象.