燃燒流場線CARS測溫技術研究

李仁兵、蘇 鐵、張 龍、鮑偉義、閆 博、陳 力、陳 爽

1. 中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室,四川 綿陽 621000 2. 中國空氣動力研究與發展中心設備設計及測試技術研究所,四川 綿陽 621000

燃燒流場線CARS測溫技術研究

李仁兵1,2、蘇 鐵2、張 龍2、鮑偉義2、閆 博2、陳 力2、陳 爽2

1. 中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室,四川 綿陽 621000 2. 中國空氣動力研究與發展中心設備設計及測試技術研究所,四川 綿陽 621000

常規CARS采用凸透鏡聚焦多束激光于空間一點、在滿足相位匹配條件下產生攜帶該點溫度信息的CARS信號。常規CARS一次只能測量一個空間點的溫度、難以滿足燃燒流場深入研究需要。為了提高CARS測量能力、使得CARS在一次測量中獲得更多信息、提出了線CARS測量方法。線CARS測量方法在常規CARS基礎上采用柱面凸透鏡替換普通凸透鏡、使得聚焦位置由焦點變為焦線。由于焦線上的點大部分滿足相位匹配關系、因此可以同時獲得多點CARS信號。后續光路同樣采用柱面凸透鏡替換普通凸透鏡、通過光譜儀和ICCD相機將CARS信號傳輸至計算機、解析出聚焦線上CARS信號對應的溫度信息、實現CARS測量能力由“點”到“線”的提升?；谄矫婊鹧鏍t的燃燒實驗結果表明：線CARS可以一次有效測量200個空間點的溫度信息、空間測量長度約3.6 mm、空間分辨率約18 μm、測量結果相對不確定度優于7%、在保持測量精度的同時有效豐富了單次測量信息。

激光光譜； 溫度測量； 流場診斷； 線CARS； 實驗研究

引 言

相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering、CARS)是一種基于激光光譜的流場診斷技術、最先由Minck等[1]在研究氫氣和甲烷的激光受激拉曼散射效應時發現并提出。CARS技術具有不干擾流場、時間響應快以及測量精度高等優點、因而成為燃燒診斷領域的研究熱點[2-8]。傳統CARS采用凸透鏡將多束激光聚焦到空間同一點、在滿足相位匹配條件下產生攜帶測點溫度信息的CARS信號、通過分析CARS信號得出測點溫度、是一種“點”測量方法[9]。因此、傳統CARS在一次試驗中只能獲取一個空間點的溫度信息、不能滿足全面認識燃燒機理的需要。

為了提高CARS在一次測量中獲取的信息量、有學者提出了雙泵浦CARS(DP-CARS)[10-12]和雙寬帶CARS(DB-CARS)[13-15]。DP-CARS采用兩臺固體激光器作為泵浦源、分別與斯托克斯光組合獲得兩個空間測點CARS信號； DB-CARS采用兩臺染料激光器產生兩束斯托克斯光、分別與泵浦光組合獲得兩個空間測點CARS信號。DP-CARS和DB-CARS雖然增加了空間測點、但增加的數量有限、同時也大幅增加了硬件規模、使得測試系統更加復雜和難以調試。

我們提出了線CARS測量方法、旨在克服傳統CARS測量能力的不足。線CARS采用柱面凸透鏡代替普通凸透鏡、使得聚焦位置由點變線、通過光路調節使得焦線上大部分點滿足相位匹配關系、產生CARS信號。然后經過信號收集和數據處理、得到焦線上空間點的溫度、實現CARS測量能力由“點”到“線”的提升。

1 CARS基本理論

頻率為ω1的泵浦光和頻率為ω2的斯托克斯光按一定相位匹配關系聚焦于采樣區、當泵浦光ω1和斯托克斯光ω2的頻差趨近于待測區域中某種介質的拉曼頻移ωR時、在另一束頻率為ω1的探測光作用下會產生頻率為ω3的相干反斯托克斯拉曼光束、即CARS信號。

圖1描述了CARS產生過程的空間示意圖、圖2描述了CARS過程能級躍遷關系。

CARS過程中滿足的能量守恒、動量守恒和信號強度可以表示如下[9]

ω3=2ω1-ω2

(1)

(2)

(3)

圖1 CARS產生過程示意圖

圖2 CARS過程能級躍遷示意圖

2 線CARS實現方案

2.1 線CARS測量系統

設計的線CARS測量系統如圖3所示。

圖3 線CARS探測系統示意圖

該系統由激光光源、光路系統、數據采集以及時序控制四部分組成。激光光源由固體激光器Nd∶YAG和染料激光器Dye構成、實驗以氮分子為探測分子、固體激光器Nd∶YAG輸出532 nm脈沖激光經過分束鏡M1分束后、透射部分泵浦染料激光器Dye并輸出中心波長位于607 nm附近的寬帶斯托克斯光。反射部分經過分束鏡M2將多余能量釋放并由余光收集器T1收集、取出的能量經過擴束延時系統EDS后與斯托克斯光同時到達中心帶有φ5 mm、45°斜孔的環形反射鏡M3、斯托克斯光從斜孔中心穿過、與泵浦光并線形成環形光束以滿足CARS的相位匹配要求。M3合并激光束原理如圖4所示。

混合光束由柱面凸透鏡M4聚焦于探測區并產生CARS信號、與M4共焦的柱面凸透鏡M5將出射激光以及CARS信號光轉換成平行光束、濾光系統FS將大部分出射激光反射至T2、并濾除共線CARS信號和背景干擾。最后得到的相對純凈的CARS信號由M6反射、柱面凸透鏡M7匯聚于光譜儀狹縫。ICCD相機將拍攝到的圖像信號存入計算機供分析用。整個系統時序控制由DG535承擔、為Nd∶YAG和ICCD相機提供統一時序信號。

圖4 環形光束形成示意圖

2.2 線CARS片光系統設計

常規CARS采用凸透鏡將混合光束聚焦于一點、因此只能進行點測量。為實現CARS線測量、即線CARS測量、將凸透鏡更換為柱面凸透鏡、使得聚焦位置為一條聚焦線、如圖5所示。由于聚焦線上斯托克斯光所在區域的每個點都會產生CARS信號、因此可以通過分析整條線上的CARS信號得到聚焦線上對應點的溫度信息。具體點數、也即空間分辨率、由使用的ICCD相機的分辨率以及泵浦光、斯托克斯光的強度決定。

圖5 柱面凸透鏡聚焦線示意圖

3 結果與討論

3.1 參數設置

實驗中激光器采用美國Continuum公司的PL8010型Nd∶YAG激光器、532 nm的輸出波長下能量約為450 mJ、染料激光器采用了同家公司的ND6000型、寬帶模式下輸出帶寬約120 cm-1； 相機采用英國Andor公司的DH734型ICCD相機、光譜儀采用Bruker公司的500IS/SM。燃燒流場由Mckenna平面火焰爐及質量流量計提供、可以實現甲烷/空氣、甲烷/氧氣、氫氣/氧氣等多種混合氣體方案。本實驗采用甲烷/空氣預混燃燒方案。

實驗設置三種工況、分別通過調節甲烷和空氣配比實現、每種工況采集數據100組。測量位置位于平面火焰爐中心上方10～15 mm處。

具體參數設置如表1所示。

表1 實驗工況參數設置

圖6 線CARS信號圖像采集

3.2 結果分析

圖6是工況一條件下采集的其中一組線CARS信號、圖7是對應的部分光譜呈現。由圖6、圖7可以看出、穩態火焰中線CARS信號穩定、光譜輪廓清晰、信噪比較高。

圖7 線CARS信號光譜呈現

實際采集信號的有效點數約200個、經光譜儀標定、對應空間長度約為3.6 mm、由此計算出線CARS的實際空間分辨率約為18 μm。

圖8、圖9、圖10給出了三種工況下的擬合溫度分布、對應的分別是工況一第65組數據、工況二第24組數據、工況三第57組數據、每組數據從有效的200個空間點中選取20個、對應空間長度仍為3.6 mm。圖中橫坐標為空間數據點數、按照遠離爐面方向依次等距選取。

圖8 工況一擬合溫度分布

圖9 工況二擬合溫度分布

由于線CARS空間分辨率約為18μm、而熱電偶感應頭的尺寸為毫米級、因此無法用熱電偶測量結果作為線CARS測量結果的參照。為了得到線CARS的測量誤差、本文以相對不確定度參量給出。相對不確定度是線CARS測試結果的統計值、按式(4)計算：

(4)

圖10 工況三擬合溫度分布

不確定度描述了測量結果相對于測量均值的分散程度。

表2給出了三種工況第50個空間點的測量相對不確定度。

表2 線CARS測量相對不確定度

從表2可以看出：線CARS方法的測量相對不確定度優于7%、具有與常規點CARS相同的測量精度。

4 結 論

實驗結果表明：線CARS方法能夠對穩態燃燒流場的溫度進行有效測量、實現了CARS測量能力由“點”到“線”的提升。

下一步可以開展線CARS片光系統優化設計、提高線CARS的“線”測量長度。

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Study on Line CARS for Temperature Measurement in Combustion Flow Field

LI Ren-bing1,2,SU Tie2,ZHANG Long2,BAO Wei-yi2,YAN Bo2,CHEN Li2,CHEN Shuang2

1. Science and Technology on Scramjet Laboratory、China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China 2. Facility Design and Instrumentation Institute,China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China

Some laser beams meet at a single point by a convex len in normal coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS),and the CARS signal with temperature information of the focal piont yields under phase matching. Normal CARS can only get the temperature of one spatial piont in one measurement,which can not meet the needs of deep research on combustion flow field. In order to get more information in one test and improve the measuring capacity of CARS,line CARS (L-CARS) was presented. In L-CARS,convex lens are replaced by cylindrical convex lens to get a focal line,and nearly all the points on the line meet the phase matching. So,the CARS signal of each point on the line yield in one test. Cylindrical convex lens are also used in subsequent beam path to focus the CARS signals into spectrometer,and ICCD camera transfers the signals to computer to acquire the temperature of each point. Then,the measuring capacity of CARS is advanced from piont measuring to line measuring. Experimental results based on plain flame furnace suggest that L-CARS can acquire about 200 points’ temperatures effectively in one test,and the length of the measuring line is about 3.6mm. The spatial resolution is about 18μm and the uncertainty is less than 7%,which is as the same as the ordinary CARS’s.

Laser spectrum; Temperature measurement; Flow field diagnosis; Line CARS; Experimental study

Mar. 3,2016; accepted Jul. 24,2016)

2016-03-03、

2016-07-24

國家自然科學基金面上項目(11272337、11272338)、高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室開放基金項目(STS/MY-KFKT-2015001)資助

李仁兵、1982年生、中國空氣動力研究與發展中心副研究員 e-mail：pioneerbull@qq.com

O433.1

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-3968-05