吸收光谱技术在复杂流场诊断中的应用研究

发布时间：2020-07-06 08:46

【摘要】：可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术可实现对流场温度、组分浓度、流速等多种流场参数的同时测量。该技术以其非接触、灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点被广泛应用于流场诊断之中。针对非均匀流场,该技术可与计算机层析成像技术相结合,实现对复杂非均匀流场的二维层析式诊断测量。本文深入研究了可调谐二极管激光吸收光谱技术在高速、燃烧等复杂流场诊断中的应用:开展了水蒸气非平衡凝结的吸收光谱实验研究,分析了不同膨胀时间尺度和水蒸气含量下的凝结过程;通过数值仿真研究了二维层析重建算法,并利用平面燃烧流场温度及水蒸气浓度二维分布重建测量实验验证了重建算法的有效性。主要研究结果如下:(1)利用TDLAS技术对高速膨胀流场中水蒸气非平衡凝结进行了实验研究。实验中,提出了一种创新高效的实验方法,设计了一套便捷的膨胀实验系统,实验系统中集成了TDLAS以及片光测量系统。利用两条近红外水蒸气以及一条甲烷吸收谱线,分别研究了不同膨胀时间尺度和不同初始水蒸气含量情况下水蒸气非平衡凝结过程。片光测量结果直观展示了水蒸气的非平衡凝结过程,TDLAS技术则定量跟踪测量了凝结过程中流场温度及水蒸气浓度的变化过程,两种测量方法得到的实验现象相同。利用计算流体动力学(CFD)仿真验证了 TDLAS测量的可靠性,同时分析了测量光路上流场分布不均匀性对TDLAS测量结果的影响。(2)实现了两类典型重建算法:代数迭代重建算法(ART)和模拟退火算法(SA),通过数值仿真研究了影响两种算法重建精确度的主要因素以及两种算法对测量噪声的耐受性。定量仿真研究了TDLAS测量中的测量噪声,分析了直接吸收光谱(DAS)和波长调制光谱(WMS)方法对噪声的抑制机制。实现了基于波长调制光谱方法的线性二维层析算法,并研究了不同测量噪声情况下基于波长调制光谱方法以及基于直接吸收光谱方法的二维层析算法重建效果,结果直观揭示了基于波长调制光谱方法的二维层析算法对测量噪声的显著抑制作用。进一步,通过仿真研究了有限射线布置情况下,线性及非线性算法对复杂分布流场的重建效果,结果表明在有限射线布置下非线性算法重建效果更好。(3)搭建了平面燃烧流场温度及水蒸气浓度二维重建测量实验系统。选择波长为1392nm和1395nm附近两条水蒸气吸收谱线,实现了不同燃烧状态下燃烧流场温度及水蒸气浓度的基于直接吸收光谱方法的二维重建测量,并通过热电偶测量结果分析了不同燃烧状态下温度分布二维重建测量精度,结果表明,两种燃烧状态下温度分布重建的最大误差均小于10%。通过改变射线布置方式,研究了射线布置对重建精度的影响,实验结果与仿真结果规律一致。提出了一种用于波长调制光谱的流场参数求解方法,设计室温标定实验验证了该参数求解方法的可行性。实现了基于波长调制光谱方法的二维燃烧流场重建测量,使用该方法获得的温度二维分布结果与热电偶测量的最大误差为5.9%,结果表明,相同燃烧状态下基于波长调制光谱方法的温度二维重建结果明显优于基于直接吸收光谱方法的二维重建结果。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O433.51;O657.3
【图文】：

燃煤发电厂,技术,飞行试验,科学技术委员会

图１．２ＴＤＬＡＳ技术在超燃诊断中的应用［５Ｉ］逡逑美国空军研宄实验室和澳大利亚防御科学技术委员会合作进行的ＨＩＨＲＥ，ＴＤＬＡＳ技术被首次应用于高超声速飞行试验中［５２，５３］。在试验中，ＴＤＬ感器经过集成后被安装于载荷仓中如图１．３所示，飞行试验中ＴＤＬＡＳ传５逡逑

科学技术委员会,飞行试验,技术,空军

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吸收光谱,飞行试验,技术,光谱法

ＴＤＬＡＳ技术在进行吸收光谱信号分析时有两种方式：直接吸收逡逑光谱法（ＤＡＳ）以及波长调制光谱法（ＷＭＳ）。其中直接吸收光谱法测量直接，逡逑能得到具体的吸收强度信息，且不需要提前标定｜５４］，然而直接吸收光谱法在弱逡逑吸收环境下易受探测系统中存在的低频噪声影响，此外高压环境下吸收谱线展宽逡逑增大会给基线拟合带来较大误差，同样会降低测量的信噪比。而波长调制方法则逡逑因其高频调制机制，可有效抑制测量中的低频噪声，因此在弱吸收条件下有较大逡逑优势。在早期使用的波长调制方法中，为了消除探测系统增益和平均激光强度的逡逑影响，需要在己知条件的流场环境下对ＷＭＳ信息进行标定，这在实际复杂流场逡逑诊断应用中往往难以实现。为了解决该问题，一些学者提出了免标定ＷＭＳ测量逡逑方法［５５，５６］，但上述方法只能在某些特定条件下才能使用，不具备普适性。此后，逡逑Ｈａｎｓｏｎ课题组的Ｌｉ以及Ｒｅｉｋｅｒ等人发展了包含二极管激光器特性的免标定逡逑ＷＭＳ理论［５７＿５９］，该理论提出使用一次谐波信号（７／信号）对二次谐波信号（２／逡逑信号）进行归一化处理，归一化处理后的二次谐波信号（记为２／／／／信号）不再逡逑与探测系统增益和平均激光强度相关，因此可通过实验结果与仿真结果对比直接逡逑获得气体参数信息。上述免标定ＷＭＳ方法，简记为ＷＭＳ－２ｆ／ｌｆ方法，可以几乎逡逑

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