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TDLAS技术测量原理

激光吸收光谱技术及应用

可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)将激光波长调制到特定组分吸收频域,通过测量激光束经待测区域的衰减程度以实现参数测量。对于碳氢燃料燃烧环境下的气体参数测量极具优势,可实现诸如温度、组分浓度、速度和流量等多参数在线测量,并且具有高灵敏度、高光谱分辨率、快时间响应、高可靠性和非接触等特点。

    可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)将激光波长调制到特定组分吸收频域,通过测量激光束经待测区域的衰减程度以实现参数测量。对于碳氢燃料燃烧环境下的气体参数测量极具优势,可实现诸如温度、组分浓度、速度和流量等多参数在线测量,并且具有高灵敏度、高光谱分辨率、快时间响应、高可靠性和非接触等特点,广泛应用于微重力火焰(microgravity flames)、燃气轮机(gas turbine)、内燃机(Internal-combustion (IC) engines)、火箭发动机(Rocket)、高速来流(high-speed airflows)、脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine, PDE)、等离子场(plasma)、燃烧控制(combustion control)、超燃冲压发动机(Scramjet)等研究。研究组在TDLAS技术及其应用方面的主要研究包括:

    (1)TDLAS测温技术研究

    根据TDLAS技术参数测量适用特点,总结了TDLAS系统设计的流程,提出了目标组分选择、技术方法选择、谱线优化选择和双线实现策略选择的原则,确定了适用于碳氢燃料燃烧参数测量的H2O分子四组谱线对的TDLAS系统。并利用平面火焰炉实验系统验证了TDLAS技术对于燃气温度的测量,测量结果与热电偶测量结果相对偏差不超过10%。提出了利用反射镜增加吸收光程方法和WMS-2f技术可提高信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)和测量精度,测量结果与热电偶测量结果相对偏差缩小至不超过5%;同时验证了TDLAS系统对于燃烧状态改变的时间响应特性优于热电偶。此外,还利用平面火焰炉实验系统开展了H2O高温吸收光谱参数测量,获得了高温下双线谱线强度比与温度的对应关系。

    (2)TDLAS气流速度测量技术研究

    TDLAS技术通过布置顺逆流光路,测量由多普勒效应产生吸收谱线频移量来测量气流速度,此外,研究组还提出结合互相关法的固定波长TDLAS燃气速度测量方法。

    (3)组合冲压发动机燃烧参数测量

    通过组合冲压发动机来流热试实验验证了TDLAS系统对于发动机燃气温度、H2O组分浓度和速度参数的测量,测量结果与CFD计算结果进行对比相对偏差不超过10%。之后,应用双交叉光束TDLAS系统分别开展了组合冲压发动机隔离段环境气流速度、燃烧室出口平面温度、H2O组分浓度和速度参数测量,并将测量结果与CFD计算结果进行了对比分析,相对偏差不超过15%。最后,基于上述测量结果开展了发动机推力、比冲和燃烧效率性能计算,为组合冲压发动机燃烧组织与结构优化提供依据。