陶 波, 王 晟, 胡志云, 張立榮, 張振榮, 葉錫生

(西北核技術研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室, 西安 710024)

TDLAS技術二次諧波法測量發(fā)動機溫度

陶 波*, 王 晟, 胡志云, 張立榮, 張振榮, 葉錫生

(西北核技術研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室, 西安 710024)

發(fā)動機燃燒流場溫度的準確實時診斷對研究燃燒機理、提高燃燒效率及降低污染物排放等至關重要。分析了TDLAS技術二次諧波法免標定測溫原理，實現了利用該技術對直聯式超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內部溫度的在線測量，并采用電控平移臺掃描的方式實現了發(fā)動機出口與擴張段溫度隨空間變化的測量。結果表明該發(fā)動機燃燒特性主要有：(1)發(fā)動機出口與擴張段，氫氣與乙烯兩種燃料燃燒狀況基本相同，且隨著沿y軸自下往上掃描，溫度逐漸升高；(2)發(fā)動機燃燒室內，氫氣燃燒時的溫度比乙烯燃燒時的溫度要高和穩(wěn)定；氫氣燃燒過程溫度基本處于2100K左右，乙烯從點火至燃燒結束溫度從2000K左右逐漸降至1250K左右。TDLAS技術在復雜燃燒環(huán)境下的工程應用表明該技術具有抗干擾能力強、數據處理速度快的優(yōu)點，可用于研制發(fā)動機燃燒場溫度在線監(jiān)測傳感器。

TDLAS；燃燒診斷；溫度測量；發(fā)動機

0 引 言

航空航天發(fā)動機燃燒流場參數(溫度、組分濃度等)的測量對改進發(fā)動機設計、提高燃燒效率、以及計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)的建模及數值仿真結果的驗證等方面至關重要。可調諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，簡稱TDLAS)技術可用于測量燃燒場溫度、組分濃度和流場速度等[1-2]，具有對流場無擾動、高響應速率和測量系統小巧緊湊等優(yōu)勢。目前，國內外相關研究單位利用TDLAS技術實現對航空航天發(fā)動機(超燃沖壓發(fā)動機、渦輪/渦扇發(fā)動機、脈沖爆震發(fā)動機)燃燒流場在線監(jiān)測和燃燒控制等方面的文獻不斷見諸報導[3-9]，并有望利用該技術制成小型光學傳感器，安裝于發(fā)動機各測量點上，用于監(jiān)測和控制發(fā)動機狀態(tài)[10]。

TDLAS技術在測量方法上主要分為直接吸收法和二次諧波法。直接吸收法能夠將譜線的線型還原出來，測量原理較為直觀，可以消除燃燒場壓強變化對測量的影響，但靈敏度較低，測量易受散射顆粒、湍流以及現場振動的影響[11]；二次諧波法是基于鎖相檢測的原理，能夠有效抑制其它頻段噪聲對測量的影響，具有測量靈敏度高和抗干擾能力強的優(yōu)點[2,11]。二次諧波法的主要缺點是不能直觀地反映譜線線型信息，測量過程中需要對測量系統進行標定。近幾年也有相關文獻報道通過一次諧波信號還原譜線線型[12-13]或采用一次諧波信號歸一化二次諧波信號等方法實現免標定的二次諧波測量技術[14]，但前者數據過程較為復雜，后者實驗系統較為復雜，不易研制發(fā)動機現場實時在線監(jiān)測的TDLAS二次諧波法測量系統。本文采用同步監(jiān)測激光光強并結合HITEMP數據庫譜線參數[15]及調制參數計算標定常數的方法實現TDLAS技術二次諧波法測溫，并在西北工業(yè)大學直聯式超燃沖壓發(fā)動機試驗臺氫氣和乙烯燃燒時不同位置處開展TDLAS技術二次諧波法測量試驗，對該技術的工程應用可行性進行了考核。

1 測量原理

TDLAS二次諧波法中，二極管激光器的輸出波長除了以一個鋸齒波的形式進行掃描外，在每個掃描周期內還受一個頻率更高的正弦波調制。由于介質的吸收系數對波長響應是非線性的(Voigt函數)，所以經過吸收介質后的激光光強變化的頻率將包含很多諧波成分。二次諧波法便是通過測量激光經過燃燒場后調制信號的二次諧波信號實現對燃燒參數的測量，圖1為TDLAS二次諧波法原理示意圖。

圖1 TDLAS二次諧波法原理示意圖

燃燒場溫度測量一般是通過雙線法，即通過2條吸收線譜線強度S(T)的比值是溫度的單值函數來反演出燃燒場溫度。對于二次諧波法，2條吸收線的二次諧波信號高度(中心頻率處值)的比值可表示成：

(1)

對于常壓燃燒場來說，K是與譜線參數及調制參數有關的常量。根據譜線強度S(T)的表達式得到二次諧波法溫度計算公式為：

(2)

式中：S(T0)是在參考溫度T0下的譜線強度，h是普朗克常量(J·s)，c是光速(cm·s-1)，k是波爾茲曼常量(J·K-1)，E"是吸收譜線下能級的能量(cm-1)。(2)式中的R2f通過測量獲得，K通過具體的譜線參數和調制參數計算獲得，I(ν2)/I(ν1)通過同步監(jiān)測光強的方式獲得。

2 測量裝置及布局

圖2為TDLAS二次諧波法測量系統示意圖。主要由中心波長位于1397.8nm的二極管激光器及其控制器、鎖相放大器、探測器以及帶有多功能數據采集卡的計算機組成。

圖2 TDLAS測量系統示意圖

首先利用激光控制器調節(jié)二極管激光器的溫度和注入電流，使其輸出波長為1397.8nm，然后將從多功能數據采集卡產生的鋸齒波與正弦波的疊加信號加到二極管激光器的注入電流上。其中，頻率較低的鋸齒波信號用來調諧激光輸出波長，使其反復地掃過選定的2條水吸收線，掃描頻率為250Hz；頻率較高的正弦波信號用來在每個掃描周期內調制激光輸出波長。輸出的激光經過光纖準直器后(光束直徑約2mm)單次穿過待測的燃燒場，由探測器測量激光經過燃燒場后光強變化，將其轉化為電信號后輸入到鎖相放大器中進行鎖相檢測并輸出二次諧波信號。最后通過多功能數據采集卡進行信號采集并由計算機進行數據處理和測量結果實時顯示。

利用TDLAS技術二次諧波法分別對發(fā)動機出口、擴張段以及燃燒室3個位置，燃料分別為乙烯與氫氣進行了測量試驗。圖3為測量位置示意圖，不同測量段處x軸與y軸的定義如圖中所示，TDLAS激光的傳播方向與x-y平面垂直。其中，x1軸的0點對應于發(fā)動機出口邊沿，y1軸的0點對應于發(fā)動機出口上沿；x2-o-y2與x3-o-y3坐標系原點分別為相應光學窗口的右上角頂點。

圖3 測量位置及坐標示意

3 測量結果及分析

3.1 標定爐測量結果

采用高溫高壓標定爐作為測量對象，對建立的TDLAS測量系統進行了測溫驗證。標定爐的最高工作溫度為1400K，溫度控制精度為±1K，溫度不均勻性<±3K。圖4為在一個大氣壓情況下TDLAS測量結果?？梢钥闯?，在1000K以下時，TDLAS測量結果與爐溫實際值基本一致，最大偏差為22K；在1000K以上時，TDLAS測量結果與爐溫實際值差別較大，最大偏差為74K，其主要原因是在高溫情況下，爐膛的熱輻射對TDLAS探測器造成干擾(標定爐的升溫時間約2小時，爐膛的熱輻射會使探測器溫度升高，使其性能變差)。文中使用的1397.8nm兩條吸收線在800～2200K溫度范圍內有著較好的信號強度和測溫靈敏度[16]，標定爐的驗證實驗表明利用公式(2)反演流場溫度是可靠的。

圖4 標定爐溫度測量結果

Fig.4 Measured temperatures in calibration burner by TDLAS technique

3.2 發(fā)動機出口與擴張段測量結果

發(fā)動機出口與擴張段處燃燒場相對簡單，燃燒比較充分也比較穩(wěn)定，因此采用電控平移臺同步掃描的方式，分別測量了氫氣和乙烯燃燒時溫度隨y軸位置變化情況。

圖5為發(fā)動機出口處氫氣和乙烯燃燒時溫度隨y1軸位置的變化(x1=30mm)?？梢钥闯?，隨著沿y1坐標增加，溫度逐漸升高，該現象與同一實驗獲得的OH基的熒光圖像一致；發(fā)動機出口處氫氣與乙烯燃燒狀況基本相同，在y1=-2.5mm左右處，兩者溫度均達到最高，約為1600K。圖6為發(fā)動機擴張段處氫氣和乙烯燃燒時溫度隨y2軸位置變化(x2=40mm)。與發(fā)動機出口結果類似，在發(fā)動機擴張段處氫氣與乙烯的燃燒溫度基本一致，表明該位置氫氣與乙烯的燃燒均比較充分，同時y2軸上半部分比下半部分燃燒劇烈。

圖5 發(fā)動機出口處溫度隨y1軸位置變化

圖6 發(fā)動機擴張段處溫度隨y2軸位置變化

Fig.6 Measured temperatures as a function ofy2in expansion section

3.3 發(fā)動機燃燒室測量結果

OH熒光圖像表明，發(fā)動機燃燒室內部燃燒比較劇烈，分已燃區(qū)和未燃區(qū)，其中已燃區(qū)主要集中在燃燒室的上部。因此選取在x3=45mm，y3=-15mm位置處測量了氫氣和乙烯燃燒時溫度隨點火時間變化。圖7與8分別為氫氣與乙烯燃燒時TDLAS測量結果。從圖中可以看出：(1)氫氣的燃燒時間約為6s(與燃料注入時間長度一致)，燃燒過程相對穩(wěn)定，整個燃燒過程溫度基本處于2100K左右；氫氣燃燒時測量信號的抖動比較小，表明其燃燒流場比較干凈，所以燃燒相對比較充分;(2)乙烯的燃燒時間約為11s(與燃燒注入時間一致)，燃燒過程不穩(wěn)定，從點火至燃燒結束溫度從2000K左右逐漸降至1250K左右；乙烯燃燒時原始測量信號的隨機抖動比較大，由于實驗中采用大感光面積(Φ5mm)探測器，燃燒場折射率變化引起的光線擾動對測量影響非常小。而燃燒場中的散射顆粒會引起光強信號的隨機變化，導致測量信噪比下降，所以測量信號的隨機抖動大表明燃燒場中散射顆粒較多，燃燒不充分。

圖7 發(fā)動機燃燒室處(x3=45mm，y3=-15mm)氫氣燃燒測量結果

Fig.7 Measured result for hydrogen in engine combustor (x3=45mm，y3=-15mm)

圖8 發(fā)動機燃燒室處(x3=45mm，y3=-15mm)乙烯燃燒測量結果

Fig.8 Measured result for ethylene in engine combustor (x3=45mm，y3=-15mm)

4 結 論

通過在西北工業(yè)大學直聯式超燃沖壓發(fā)動機試驗臺不同位置處開展測量試驗，對TDLAS技術的工程應用可行性進行了考核，試驗結果表明：(1)相對于其它診斷技術，TDLAS技術具有測量系統小巧緊湊、抗干擾能力強、數據處理速度快等優(yōu)勢，可用于研制集成化的燃燒場溫度傳感器；(2)TDLAS技術可以實現高重復頻率測量(文中的重復頻率為250Hz)，能夠反映瞬態(tài)流場變化細節(jié)。但是在本輪試驗中TDLAS技術給出的是路徑積分測量結果，空間分辨率較差，下一步擬針對實驗室正在研制的CT-TDLAS測量系統進行集成和算法改進。

致謝:本文為國家自然科學基金資助課題(51176159)，同時感謝西北工業(yè)大學動力與能源學院宋文艷教授課題組對本工作的支持。

[1] Davidson D F, Hong Z K, Pilla G L, et al. Multi-species measurements behind reflected shock waves in hydrocarbons using laser absorption[R]. AIAA-2010-198, 2010.

[2] Rieker G B, Jeffries J B, Hanson R K, et al. Calibration-freewavelength-modulation spectroscopy for measurements of gas temperature and concentration in harsh environments[J]. Applied Optics, 2009, 48(29): 5546-5560.

[3] Caswell A W, Roy S. High-bandwidth H2O absorption sensor for measuring pressure, enthalpy, and mass flux in a pulsed-detonation combustor[R]. AIAA-2012-0471, 2012.

[4] Liu J T C, Rieker G B, Jeffries J B, et al. Near infrared diode laser absorption diagnostic for temperature and water vapor in a scramjet combustor[J]. Applied Optics, 2005, 44: 6701-6711.

[5] Li Fei, Yu Xilong, Gu Hongbin, et al. Measurement of temperature, velocity and water vapor concentration in a scramjet combustor based on near infrared diode laser absorption[R]. AIAA-2011-2214, 2011.

[6] Meyers J M, Fletcher D. Diode laser absorption sensor design and qualification for CO2hypersonic flows[J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2011, 25(2): 193-201.

[7] 王廣宇, 洪延姬, 潘虎, 等. 二極管激光吸收傳感器測量超聲速流場的溫度和速度[J]. 光學學報, 2013, 33(9): 0912009.

Wang Guangyu, Hong Yanji, Pan Hu, et al. Diode laser absorption sensor for measurements of temperature and velocity in supersonic flow[J]. Acta Optica Sinica, 2013, 33(9): 0912009.

[8] 陶波, 胡志云, 王晟, 等. TDLAS技術測量燃燒流場溫度研究[J]. 工程熱物理學報, 2014, 35(2): 401-404.

Tao Bo, Hu Zhiyun, Wang Sheng, et al. Study on the measurement of combustion temperature based on TDLAS technique[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2014, 35(2): 401-404.

[9] 許振宇, 劉文清, 劉建國, 等. 基于可調諧半導體激光器吸收光譜的溫度測量方法研究[J]. 物理學報, 2012, 61(23): 234204.

Xu Zhenyu, Liu Wenqing, Liu Jianguo, et al. Temperature measurements based on tunable diode laser absorption spectroscopy[J]. Acta Physics Sinica, 2012, 61(23): 234204.

[10] Sappey A D, Sutherland L, Owenby D, et al. Flight-ready TDLAS combustion sensor for hypersonic[R]. AIAA-2009-7234, 2009.

[11] Zhou Xin. Diode-laser absorption sensors for combustion control[D]. California: Mechanical Engineering of Stanford University, 2005: 11-29.

[12] Ruxton K, Chakraborty A L, Johnstone W, et al. Tunable diode laser spectroscopy with wavelength modulation: Elimination of residual amplitude modulation in a phasor decomposition approach[J]. Sens Actuat A: Chem, 2010, 150: 367-375.

[13] Li L, Arsad N, Stewart G, et al. Absorption line profile recovery based on residual amplitude modulation and first harmonic integration methods in photoacoustic gas sensing[J]. Optical Communication, 2010. doi:10.1016/j.optcom.2010.08.038.

[14] 屈東勝, 洪延姬, 王廣宇, 等. 基于免標定波長調制光譜技術的氣體溫度和組分濃度測量[J]. 光學學報, 2013, 33(12): 123001.

Qu Dongsheng, Hong Yanji, Wang Guangyu, et al. Measurements of gas temperature and component concentration based on calibration free wavelength modulation spectroscopy[J]. Acta Optica Sinica, 2013, 33(12): 123001.

[15] Rothman L S, Gordon I E, Burber R J, et al. HITEMP, the high-temperature molecular spectroscopic database[J]. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2010, 111: 2139-2150.

[16] An Xinliang, Caswell A W, Lipor J J, et al. Determining the optimum wavelength pairs to use for molecular absorption thermometry based on the continuous-spectral lower state energy[J]. Journal of Quantitative Spectroscopy & Transfer, 2011, 112: 2355-2362.

(編輯：張巧蕓)

Engine temperature measurement based on TDLAS second harmonic technique

Tao Bo, Wang Sheng, Hu Zhiyun, Zhang Lirong, Zhang Zhenrong, Ye Xisheng

(State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter, Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)

Accurate and real-time diagnostics of engine combustion is critical to understand combustion processes, improve combustion efficiency and reduce the production of pollutants. The development and demonstration of tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) for temperature measurements of supersonic flow are presented in this paper. The thermometry of calibration-free method for TDLAS second harmonic technique is introduced, and the temperature is measured using two water vapor absorption lines near 1398nm. The performance of TDLAS system is validated in a calibration burner at temperatures between 600K to 1400K, and the max discrepancy is 22K below the temperature of 1000K. Experiments were conducted on a direct-connect supersonic engine, and the on-line measurement of temperature was realized. In the engine exit and expansion section, the spatial variations of temperatures of ethylene and hydrogen were measured via an automatic platform to control the TDLAS system. In the engine combustor, the temporal variations of temperatures at a fixed position of ethylene and hydrogen were measured. The main measurement results of this engine are as follows: (1) In the engine exit and expansion section, the combustion temperatures of hydrogen and ethylene are nearly identical, and along theyaxis scan from bottom to top, the temperatures of both fuels increase gradually. The max temperatures at the engine exit and expansion section are about 1600K and 2250K, respectively; (2) In the engine combustor, the combustion temperature of hydrogen is higher and more stable than that of ethylene. The temperature of hydrogen combustion process is about 2100K, while the temperature of ethylene combustion process decreases from 2000K to about 1250K gradually. These engineering applications show that non-intrusive, fast data processing, on-line measurements can be made in harsh environments using the calibration-free TDLAS technique, and illustrate the potential of their use to develop practical TDLAS sensors for a wide variety of industrial applications.

TDLAS;combustion diagnostics;temperature measurement;engine

1672-9897(2015)02-0068-05

10.11729/syltlx20140062

2014-05-07;

2015-01-21

國家自然科學基金(51176159)

TaoB,WangS,HuZY,etal.EnginetemperaturemeasurementbasedonTDLASsecondharmonictechnique.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(2): 68-72. 陶 波, 王 晟, 胡志云, 等.TDLAS技術二次諧波法測量發(fā)動機溫度. 實驗流體力學, 2015, 29(2): 68-72.

TN249

A

陶 波(1986-)，男，安徽舒城人，助理研究員。研究方向：燃燒流場激光診斷技術。通信地址：西安市灞橋區(qū)平路28號第11研究室(710024)。E-mail: nktaobo@yeah.net

*通信作者 E-mail: nktaobo@yeah.net