激光吸收光譜方法測量非均勻流場分布的進展綜述

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1、激光吸收光譜方法測量非均勻流場分布的進展綜述　　隨著航空航天技術的不斷發(fā)展和國防建設日益增長的需求，發(fā)動機燃燒流場診斷和性能評估受到越來越多的關注，以下是小編搜集整理的一篇相關論文范文，希望對你的論文寫作有幫助。　　高效的燃燒流場測量手段可以有效促進航空、火力發(fā)電和污染監(jiān)控等行業(yè)的發(fā)展。目前，已有的流場診斷設備如壓力傳感器、熱電偶等，存在維護成本高、響應速度慢、靈敏度低和不便于攜帶等缺點。此外，許多探測設備無法滿足在高超聲速飛行中高溫、高速惡劣條件下長時間的工作要求，且侵入式探針會破壞被測流場，對流動產(chǎn)生干擾，不利于流場參數(shù)的測量。　　光學診斷流場技術能夠滿足非侵入、實時和長效

2、測量的要求，并且測量信息豐富，可以得到在線瞬態(tài)流場的溫度、壓力、流速、組分濃度等信息。　　目前已有的光學測量手段包括紋影法、激光誘導熒光(Laser-InducedFluorescence,LIF)、相干反斯托克斯拉曼散射法(CoherentAnti-StokesRa-manScattering,CARS)和可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy,TDLAS)等。紋影法[1]對于機械振動和氣動特性的波動極為敏感，很難應用在發(fā)動機測試環(huán)境中。LIF[2]和CARS[3]需要龐大的高功率激光測量系統(tǒng)和昂貴的成像設

3、備，不適用于飛行環(huán)境的檢測。相比之下，TDLAS采用廉價的分布式反饋(DistributedFeedback,DFB)激光器，測量系統(tǒng)簡單，且測量結果具有較高的信噪比，在實時在線測量方面具有較大的優(yōu)勢?！　∮捎赥DLAS的測量本質(zhì)為視線效應(沿路徑積分本性)，測量結果只能給出單一路徑上的平均測量值，不能得到流場的內(nèi)部信息。在實際的流場測量中，由于化學反應、流動混合、相變、與壁面的熱交換等效應使得沿著光線傳播方向有明顯的梯度變化，僅靠測量單一路徑上氣體平均參數(shù)無法準確預測氣體的流動特性，國內(nèi)外研究者針對流場的非均勻分布開展了一定的研究。按照測量方法的不同，可以分為兩類：一種方法是

4、采用多譜線掃描同一路徑，獲取沿著光路徑方向的溫度和組分濃度的分布;一種方法是將TDLAS技術與計算機斷層掃描重建技術(putedTomo-graphy,CT)相結合，稱為TDLAT技術。　　本文概述了采用激光吸收光譜方法測量非均勻流場一維和二維分布的研究進展，歸納總結了研究所采用的方法和主要結論，重點針對二維非均勻流場診斷所采用的重建算法和實驗方法方面進行評述，最后給出了激光吸收光譜技術測量非均勻流場的趨勢和有待解決的問題，本文的相關工作可以為相關研究人員提供參考?！　?激光吸收光譜技術的發(fā)展及原理　　激光吸收光譜測量技術的研究開始于20世紀60年代中期，早期大都采用鹽鉛激光器

5、，但由于其設備復雜，價格昂貴，且需要在低溫下運轉(zhuǎn)，限制了測量技術的發(fā)展。隨著光電技術的發(fā)展，使半導體激光器具有體積小、壽命長、電光轉(zhuǎn)換效率高和價格低廉等優(yōu)勢，成為氣態(tài)物質(zhì)檢測的理想光源，從而促進了激光吸收光譜診斷研究工作得到了廣泛開展。目前用于氣體參數(shù)測量的可調(diào)諧半導體激光器包括可調(diào)諧DFB激光器、垂直腔面發(fā)射激光器(VerticalCavitySurfaceEmmingLaser,VCSEL)和外腔半導體激光器(ExternalCavityDiodeLaser,ECDL)。其中，DFB激光器波長調(diào)諧范圍較窄，約為0.2nm,通過溫度調(diào)諧可以達到4nm范圍[4];ECDL[5]

6、具有很寬的調(diào)制范圍，達到幾十納米，但是調(diào)制頻率不高，偏振噪聲大，不適用于氣體的快速測量;VCSEL[6]的電流調(diào)諧范圍在5~6nm,適用于同時掃描多條吸收譜線。激光束穿過被測流場區(qū)域時，當激光頻率與氣體吸收組分的頻率相同時，激光能量被吸收。根據(jù)激光穿過流場前后的強度關系，可以求解流場的溫度、組分濃度及壓強等相關信息。1977年，Hanson等[7]證明采用可調(diào)諧半導體紅外光譜激光器可以對燃燒氣體性質(zhì)實現(xiàn)在線測量。Philippe和Hanson[8]在1993年首次實現(xiàn)了對燃燒流場和推進流場溫度、組分濃度及質(zhì)量流量的實時測量?！　?非均勻流場一維測量研究現(xiàn)狀　　由于TDLAS是基

7、于視線效應的測量，利用兩條吸收譜線只能得到沿著光路上氣體溫度和濃度的平均值。為了獲得沿著光傳播路徑上流場的分布信息，可以利用多條譜線掃描同一路徑，以拓展沿著光路徑上的譜線信息，即稱為多波長方法。結合離散化的處理方法可以得到在測量溫度范圍內(nèi)，測量區(qū)域溫度的大致分布情況。多波長測量方法根據(jù)求解方法的不同，可以分為形狀擬合法和分區(qū)法。形狀擬合法是根據(jù)經(jīng)驗的物理約束給出溫度和組分濃度沿著光程上的分布，利用擬合法得到流場分布，如圖1(a)所示[9],圖中：　　Tc為中心流溫度;T-1附近的8條譜線，利