基于光譜測(cè)量的燃燒診斷技術(shù)

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1、!""!年#月裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2)>)?/!""!第$%卷第&期’()*+,-(./0123,4156(.78)9:51+/;(55,+4<=130+(-(>6A(-B$%C(D&@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@基于光譜測(cè)量的燃燒診斷技術(shù)李麥亮趙永學(xué)耿輝周進(jìn)王振國(guó)H國(guó)防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院M長(zhǎng)沙&$""J%L莊逢辰H裝備指揮技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)工程系M北京$"$&$OL摘要E分別介紹了基于發(fā)射光譜P相干反斯托克斯喇曼光譜H;2QRL和激光誘導(dǎo)熒光光譜HSTUL的燃燒診斷技術(shù)的

2、原理P方法P發(fā)展現(xiàn)狀以及一些具體應(yīng)用結(jié)果M并展望了它們?cè)谌紵茖W(xué)研究和工程實(shí)踐中的應(yīng)用前景V關(guān)鍵詞E發(fā)射光譜N相干反斯托克斯喇曼光譜N激光誘導(dǎo)熒光N燃燒診斷中圖分類號(hào)EWOGO文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼E2文章編號(hào)E;C$$F%I#JXY%H!""!L"&F""%!F"G!$世紀(jì)新一代航天運(yùn)載工具以及各種高性能P低污染P大流強(qiáng)P小尺寸燃燒裝置的發(fā)展M對(duì)燃]發(fā)射光譜技術(shù)燒科學(xué)研究提出了越來(lái)越高的要求V燃燒診斷是各種介質(zhì)均能輻射出與其溫度和結(jié)構(gòu)等相對(duì)提高燃燒研究水平M推動(dòng)與燃燒相關(guān)的各種先進(jìn)應(yīng)的電磁波M在宏觀上M輻射強(qiáng)度還與介質(zhì)的濃度火箭技術(shù)P高超聲速飛行器推進(jìn)技術(shù)和能源利用有關(guān)V在燃燒場(chǎng)M

3、特別是象火箭發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的高技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)技術(shù)M因此長(zhǎng)期以來(lái)燃燒診溫P高壓的燃燒環(huán)境中M一些自由基或小分子可以斷技術(shù)的研究和應(yīng)用一直受到特別重視V發(fā)達(dá)國(guó)發(fā)出可見(jiàn)光到紫外光波段的電磁輻射M檢測(cè)這些家如美國(guó)P德國(guó)P法國(guó)和日本的一些先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室M輻射M便能得到自由基的濃度M燃燒場(chǎng)的溫度等信特別是與燃燒科學(xué)關(guān)系密切的推進(jìn)P動(dòng)力研究實(shí)息V圖$是發(fā)射光譜用于羽流成分監(jiān)測(cè)的光路示驗(yàn)室M都在積極采用光學(xué)測(cè)量技術(shù)對(duì)燃燒流場(chǎng)進(jìn)意圖V行測(cè)量和研究Z$[GV近幾年我國(guó)也在這方面開(kāi)展了研究ZO[IV在所有可以應(yīng)用于燃燒診斷的光譜技術(shù)中M尤以發(fā)射光譜P相干反斯托克斯喇曼光譜H;2QRL和激光誘導(dǎo)

4、熒光HSTUL等幾種技術(shù)研究較多M與以熱電偶P氣體成份分析儀等為代表的傳統(tǒng)手段相比M光譜技術(shù)靈敏度高M(jìn)時(shí)間和空間分辨率高M(jìn)不干擾流場(chǎng)M并且對(duì)燃燒場(chǎng)惡劣的測(cè)量環(huán)境圖$羽流發(fā)射光譜探測(cè)系統(tǒng)示意圖適應(yīng)性強(qiáng)M測(cè)量信息豐富M甚至可以測(cè)量燃燒研究處理光譜并得到所需要的燃燒場(chǎng)定量信息的方法有多種V由于光譜強(qiáng)度是溫度P介質(zhì)濃度以及甚為關(guān)心的各種自由基M這是以前無(wú)法做到的V基測(cè)量光路P儀器等多種因素影響的結(jié)果M因此一般于進(jìn)行燃燒科學(xué)研究和發(fā)展先進(jìn)動(dòng)力裝置的需不能簡(jiǎn)單以某波長(zhǎng)的光強(qiáng)來(lái)對(duì)應(yīng)某種測(cè)量信息V要M對(duì)以上提到的幾種光譜技術(shù)進(jìn)行了研究V本文利用理論光譜對(duì)其進(jìn)行線型擬合應(yīng)該是比較準(zhǔn)確將介紹

5、國(guó)內(nèi)及我們?cè)谶@方面的研究成果M并展望的一種方法M但遺憾的是由于以前對(duì)自由基等小其在燃燒科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景V收稿日期E萬(wàn)方數(shù)據(jù)!""!F"$F$G作者簡(jiǎn)介E李麥亮H$IJ$KLM男M博士研究生N莊逢辰H$I%!KLM男M教授M博士生導(dǎo)師M中國(guó)科學(xué)院院士B第B期李麥亮!等*基于光譜測(cè)量的燃燒診斷技術(shù)$$分子的研究非常不充分!它們的某些光譜常數(shù)難由以上結(jié)果可知!發(fā)射光譜在輔助燃燒過(guò)程以準(zhǔn)確確定!所以使用發(fā)射光譜進(jìn)行燃燒診斷!目分析和燃燒機(jī)理的研究時(shí)!可以在工程應(yīng)用中起前可以充分利用的是一些定性的結(jié)果!定量地測(cè)到指導(dǎo)作用"而且!這些光譜還與燃燒效率有著極量方法還在研究

6、當(dāng)中"強(qiáng)的關(guān)聯(lián)!由光譜還可以輔佐一些總體參數(shù)的確發(fā)射光譜測(cè)量是一種相對(duì)較為傳統(tǒng)的光譜技定"術(shù)!由于測(cè)量方法比較簡(jiǎn)單!對(duì)環(huán)境要求不高!系經(jīng)過(guò)更深入地研究可知*發(fā)射光譜在未來(lái)可統(tǒng)比較緊湊等優(yōu)點(diǎn)!在工程實(shí)踐中最容易被采納"能被用于燃燒成分監(jiān)測(cè))故障監(jiān)控)二維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中!國(guó)外已有采用發(fā)成像等"由于其成本低)技術(shù)簡(jiǎn)單!可能最先實(shí)現(xiàn)射光譜監(jiān)測(cè)羽流中異常成分的故障監(jiān)控系統(tǒng)"國(guó)與傳統(tǒng)試車臺(tái)測(cè)試技術(shù)的融合"目前需要解決的防科大在一些發(fā)動(dòng)機(jī)的研究中!也已使用發(fā)射光關(guān)鍵技術(shù)是燃?xì)獬煞趾蜏囟刃畔⒌膶?shí)時(shí)準(zhǔn)確定量譜進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控和燃燒過(guò)程分析"圖#提取方法"和圖$就是一

7、些實(shí)驗(yàn)光譜的例子"%&’三維圖%&’三維圖%(’其中一幀光譜圖$某模型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車嚴(yán)重%(’其中一幀光譜圖#某模型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車嚴(yán)重富氧時(shí)羽流輻射光譜富燃時(shí)的羽流發(fā)射光譜圖#是某新型發(fā)動(dòng)機(jī)模型試車時(shí)羽流的發(fā)射+,-./技術(shù)光譜!此發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料為煤油)氫氣和氧氣!而此0123%04567689189:;394<6=2&>&83?6@;時(shí)煤油流量較大"由光譜可以看出!羽流光譜中占974=@4?A’是一種四波混頻效應(yīng)!最初是作為在一主體的是碳粒子的黑體輻射譜!這是多余煤油分束強(qiáng)激光下的非線性光學(xué)過(guò)程進(jìn)行研究!但其發(fā)解并形成大量固體