曾 徽, 余西龍, 李 飛, 張少華

(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

中紅外吸收光譜測(cè)量激波風(fēng)洞自由流中NO濃度和溫度

曾 徽*, 余西龍, 李 飛, 張少華

(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

JF-10氫氧爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞內(nèi)的高焓自由來(lái)流氣體中含有因電離和離解等非平衡過(guò)程產(chǎn)生的微量組分。利用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)，對(duì)自由流中NO微量組分的濃度和溫度進(jìn)行測(cè)量，有助于定量理解氣體電離和離解這一非平衡過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)中，JF-10氫氧爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)壓力為百帕量級(jí)，在譜線加寬中多普勒加寬占據(jù)主導(dǎo)，多普勒半高寬可由分子平均熱運(yùn)動(dòng)速度獲得，其半高寬與溫度的平方根成正比，因此選取一條吸收譜線并準(zhǔn)確測(cè)定其多普勒半高寬即可得到溫度和濃度。本實(shí)驗(yàn)中采用中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser)，選取1909.7cm-1附近6條吸收線作為吸收線，在2kHz的掃描頻率下，采用直接吸收-波長(zhǎng)掃描法進(jìn)行NO溫度和濃度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)得自由流中NO平均分壓約為0.33Pa，自由流平均溫度約為600K。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜;濃度;溫度;測(cè)量;激波風(fēng)洞

0 引 言

高超聲速飛行器再入大氣層，與大氣發(fā)生強(qiáng)烈摩擦作用，使得飛行器周?chē)鲌?chǎng)溫度劇烈升高，引起氣體部分電離和離解，此時(shí)飛行器周?chē)嬖诜瞧胶饣瘜W(xué)效應(yīng)。利用JF-10高焓激波風(fēng)洞，采用氫氧爆轟的驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生高焓、高速氣流，可以開(kāi)展地面模擬實(shí)驗(yàn)[1]。本實(shí)驗(yàn)中，激波風(fēng)洞來(lái)流速度很高，達(dá)到馬赫8，試驗(yàn)段有效運(yùn)行時(shí)間為毫秒量級(jí)，因此要求測(cè)量手段有非常高的時(shí)間響應(yīng)，吸收光譜技術(shù)可滿足以上要求。同時(shí)，吸收光譜診斷技術(shù)具有非接觸式測(cè)量、對(duì)流場(chǎng)無(wú)干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了越來(lái)越多的研究[2]。國(guó)外采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于激波管、激波風(fēng)洞等大型風(fēng)洞設(shè)備中溫度、組分濃度的定量測(cè)量, R.K.Hanson等人利用TDLAS對(duì)H2O、CO、CO2、CH4等多種燃燒組分的濃度和溫度進(jìn)行了測(cè)量[3-8]，準(zhǔn)確獲得燃燒組分濃度和氣流溫度，這對(duì)于了解高超聲速實(shí)驗(yàn)中氣流狀態(tài)有重要意義。國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所利用TDLAS測(cè)量了超燃直聯(lián)臺(tái)燃燒室入口氣流參數(shù)[9-10]，可作為評(píng)估燃燒效率以及安排釋熱分布的定量指標(biāo)。近年來(lái)，TDLAS測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為了國(guó)際上廣泛應(yīng)用的燃燒測(cè)量手段。本文的工作基于航天工程需求，需要了解高超聲速飛行器再入大氣層中氣體電離和離解所產(chǎn)生微量組分的濃度。因此，本實(shí)驗(yàn)采用中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器，利用TDLAS診斷方法對(duì)JF-10高焓風(fēng)洞地面模擬實(shí)驗(yàn)中自由流NO微量組分的濃度和自由流溫度進(jìn)行了測(cè)量。

1 試驗(yàn)方法

1.1 基本原理

吸收光譜的基本理論已經(jīng)得到了深入的研究[11-12]。其基本原理可以簡(jiǎn)述為：一束頻率為ν的激光通過(guò)待測(cè)流場(chǎng)，前后光強(qiáng)發(fā)生變化，入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)滿足Beer-Lambert定律：

(1)

其中：I0為入射光強(qiáng)，I為出射光強(qiáng)，L表示吸收長(zhǎng)度(cm)，kν為吸收系數(shù)。kν滿足：

(2)

(3)

P表示靜壓(atm)，X:NO組分分?jǐn)?shù)，測(cè)量時(shí)用PX表示NO的分壓,濃度以分壓的形式表示；S(T)表示吸收譜線的線強(qiáng)度(cm-2·atm-1)；φ(ν)表示線型函數(shù)，與溫度和壓力有關(guān)，φ(ν)滿足∫φ(ν)dν=1。αν表示光譜吸收率。既然線型函數(shù)φ(ν)滿足積分為1，對(duì)公式(3)積分，可得積分吸收率A：

(4)

本實(shí)驗(yàn)中試驗(yàn)段壓力較低，試驗(yàn)段氣流壓力百帕量級(jí)，氣流溫度在400～2500K區(qū)間變化，依據(jù)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件計(jì)算，Lorentz半高寬僅為Gauss半高寬的0.5%～3.6%，加寬機(jī)制中多普勒加寬占據(jù)主導(dǎo)，如圖1所示。

圖1 高斯加寬和洛倫茲加寬隨溫度變化

因此，線型函數(shù)可以高斯線型函數(shù)表示：

(5)

其中：ΔνD是譜線半高寬，由于多普勒頻移，ΔνD可通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)速度獲得：

(6)

ν0為吸收譜線中心頻率(cm-1)，T為溫度(K),M是吸收組分的摩爾質(zhì)量(a.m.u)。由公式(6)可見(jiàn)，對(duì)單一組分的單一吸收線，溫度與多普勒半高寬之間滿足如下函數(shù)關(guān)系：

(7)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取1909.7cm-1附近6條吸收線，6條吸收線的參數(shù)見(jiàn)表1。從表1可以看到，6條吸收線之間非常接近，實(shí)驗(yàn)條件下會(huì)相互疊加，計(jì)算得到6條相互疊加吸收線的半高寬與單條吸收線的半高寬之間只有2%的差異，帶來(lái)的測(cè)溫誤差為4%，且低能級(jí)能量和自加寬系數(shù)幾乎完全相同，可等效為1條吸收線，其吸收系數(shù)為6條吸收線系數(shù)的疊加。選取該吸收線，對(duì)激波風(fēng)洞自由流和已知濃度(NO:1.05%,總壓：659Pa)和溫度(288K)的標(biāo)準(zhǔn)吸收池進(jìn)行吸收測(cè)量。對(duì)吸收譜線進(jìn)行高斯擬合，得到2組實(shí)驗(yàn)中譜線的多普勒半高寬，結(jié)合自由流和吸收池的多普勒加寬之比與吸收池的溫度(288K),即可得到自由流的溫度。

表1 NO吸收線及其參數(shù)

濃度測(cè)量中采用與溫度測(cè)量同樣的辦法，高斯擬合后得到2組實(shí)驗(yàn)的積分吸收率，由公式(4)可知：

(8)

Af,A分別表示自由流和吸收池的積分吸收率(積分面積)，譜線線強(qiáng)度S(T)是溫度的單值函數(shù)：

(9)

Q(T)是組分的配分函數(shù)，可用溫度的三次多項(xiàng)式表示。因此，確定溫度后即可得到線強(qiáng)度的值，最后得到NO的分壓。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)是在JF-10氫氧爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)完成，JF-10激波風(fēng)洞的運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

圖2 JF-10激波風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)布局

TDLAS測(cè)量系統(tǒng)主要包括：5.2μm中心波長(zhǎng)量子級(jí)聯(lián)激光器和溫度控制器(ALPES)；電流控制器：ILXLigntwave, LDX-3232；信號(hào)發(fā)生器(Tektronix)；InGaAs紅外探測(cè)器(頻率響應(yīng)為10MHz)；以及示波器(Tektronix，DPO4032)。激光器控制器通過(guò)改變溫度和電流來(lái)調(diào)節(jié)激光器的輸出波長(zhǎng)和功率。本實(shí)驗(yàn)中，激光器控制器的參數(shù)為：溫度-2.5℃，初始電流124.4mA，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)輸入激光器控制器，改變電流對(duì)激光器輸出波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧。 5.2μm附近吸收光譜的計(jì)算可以通過(guò)HITRAN2008數(shù)據(jù)庫(kù)獲得[13]。溫度分別選用296和1000K,壓力p=1kPa ，吸收長(zhǎng)度L=20cm，NO的濃度X=0.01 ,吸收譜線如圖4所示。

圖3 TDLAS測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖4 296K,1000K下譜線吸收率

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

圖5是在激波風(fēng)洞和吸收池中分別獲得的1909.7cm-1附近吸收譜線原始吸收信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率為2kHz，電壓為500mV的鋸齒波信號(hào)。示波器采樣頻率為10MHz。

圖6是通過(guò)Origin軟件手動(dòng)處理后自由流中起動(dòng)激波波后和有效運(yùn)行時(shí)間內(nèi)單個(gè)周期的吸收率和擬合曲線。圖6中起動(dòng)激波波后和有效運(yùn)行時(shí)間內(nèi)峰值吸收率分別為1.5%和1%，信噪比不高，僅有2～3。不過(guò)，本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)積分吸收率獲得自由流定量參數(shù)，而多次實(shí)驗(yàn)得到的原始吸收信號(hào)可以擬合得到穩(wěn)定的Gauss曲線，能獲得較好重復(fù)性的積分吸收率，因此我們判斷此信噪比下獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍能較好地反映激波風(fēng)洞自由流的真實(shí)情況。分析造成這種波動(dòng)的主要原因，可以歸納為2點(diǎn)：(1)激波風(fēng)洞尺度大，噪聲信號(hào)很難抑制；(2)自由流湍流脈動(dòng)，氣流梯度引起光線偏折。實(shí)際上，這種波動(dòng)很難避免，這也是TDLAS應(yīng)用于大尺度、脈沖高超設(shè)備的通病。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中需要通過(guò)F-P腔進(jìn)行標(biāo)定，將時(shí)域坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為頻域坐標(biāo)，如圖7(b)所示。圖8是自由流溫度和NO濃度(分壓)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，實(shí)線代表溫度和NO分壓的實(shí)際變化值，虛線代表4～26ms自由流平均溫度和NO平均分壓的走勢(shì)，圖8(b)給出了NO分壓的局部放大圖。從圖中可以看到，激波波后的溫度為2500K左右，激波過(guò)后，溫度迅速降低。4～26ms內(nèi)自由流溫度在400～1000K之間波動(dòng)，特別在11～20ms這段時(shí)間氣流平均溫度趨于穩(wěn)定，維持在600K左右，之后氣流溫度逐步降低，可以判斷激波風(fēng)洞自由流有效運(yùn)行時(shí)間內(nèi)氣流溫度值在600K左右。圖8(b)中NO分壓在起動(dòng)激波到達(dá)時(shí)達(dá)到最大值，約為17Pa，之后迅速回落。從4～26ms內(nèi)NO分壓的局部走勢(shì)圖可以看到，自由流中NO分壓逐漸降低，具體數(shù)值從1.08Pa降到0.03Pa。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，此段時(shí)間內(nèi)自由流中NO分壓平均值為0.37Pa。進(jìn)一步分析可以得到在11～20ms氣流溫度較穩(wěn)定的這段時(shí)間,NO分壓的平均值為0.33Pa。因此，氣流平均溫度600K和NO平均分壓0.33Pa可以表征激波風(fēng)洞有效運(yùn)行時(shí)間內(nèi)自由流的參數(shù)。

圖5 原始吸收信號(hào)

圖6 JF-10實(shí)驗(yàn)吸收率

圖7 吸收池內(nèi)吸收率

圖8 自由流溫度和NO濃度

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)采用5.2μm中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器，利用TDLAS測(cè)量方法對(duì)JF-10激波風(fēng)洞自由流中NO濃度和氣流溫度進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示：

(1) 溫度測(cè)量結(jié)果顯示自由流平均溫度在11～20ms時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在600K左右，之后逐漸降低，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的激波波后溫度為2500K左右，低于實(shí)際溫度值，造成溫度值偏低的原因是因?yàn)槲展庾V測(cè)量獲得的溫度值是沿光程的線平均，激波風(fēng)洞試驗(yàn)段中貼近壁面的冷流區(qū)會(huì)拉低平均溫度值；

(2) NO濃度(分壓)測(cè)量結(jié)果顯示了激波風(fēng)洞有效運(yùn)行時(shí)間內(nèi)NO微量組分的變化趨勢(shì)。自由流中NO分壓逐漸降低，從1.08Pa降低到0.03Pa,整段時(shí)間內(nèi)NO分壓平均值為0.37Pa。同時(shí)，對(duì)應(yīng)11～20ms自由流溫度較穩(wěn)定這段時(shí)間內(nèi)NO分壓平均值為0.33Pa。

本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果表明激波風(fēng)洞有效運(yùn)行時(shí)間內(nèi)自由流參數(shù)可以用600K平均氣流溫度、NO平均分壓0.33Pa表征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能反映激波風(fēng)洞自由流的真實(shí)情況，顯示了中紅外TDLAS技術(shù)對(duì)此類(lèi)高超設(shè)備氣流微量組分的測(cè)量能力以及應(yīng)用前景。同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，除了激波風(fēng)洞氣流不均勻引起的湍流脈動(dòng)，溫度和NO分壓測(cè)量值的脈動(dòng)仍然較大，后續(xù)實(shí)驗(yàn)可以采用波長(zhǎng)調(diào)制吸收光譜方法，此方法可以進(jìn)一步提高弱吸收測(cè)量的信噪比，從而使測(cè)量值波動(dòng)得到降低。

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(編輯：張巧蕓)

Nitric oxide concentration and temperature measurement for shock tunnel free stream using mid-infrared absorption spectroscopy

Zeng Hui, Yu Xilong, Li Fei, Zhang Shaohua

(Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics, Institute of Mechanics, Chinese Acdemy of Sciences, Beijing 100190, China)

In this paper, JF-10 shock tunnel is driven by H2/O2detonation and the free-stream contains some trace components which are generated by non-equilibrium processes such as ionization and dissociation. Tunable diode absorption spectroscopy (TDLAS) is used for temperature and concentration measurement of nitric oxide in the free-stream and this quantitative measurement is helpful to understand the non-equilibrium processes. In the experiments, the test section’s static pressure of JF-10 shock tunnel is just several hPa. Thus, Doppler broadening dominates, which is caused by random thermal motion of the absorber species. The half width of Doppler broadening is temperature dependent and this functional relation provides a method for gas temperature and species concentration measurement. A mid-infrared quantum cascade laser of 5.2μm central wavelength is used and gas temperature and nitric oxide concentration are measured using a single line of 1909.7cm-1wavelength by direct absorption-wavelength scanning method under 2kHz scanning frequency. The measured partial pressure of nitric oxide is about 0.33Pa which represents its concentration and the temperature is about 600K in the free-stream.

TDLAS;concentration;temperature;measurement;shock tunnel

1672-9897(2015)02-0079-05

10.11729/syltlx20140044

2014-04-15;

2014-08-20

ZengH,YuXL,LiF,etal.Nitricoxideconcentrationandtemperaturemeasurementforshocktunnelfreestreamusingmid-infraredabsorptionspectroscopy.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(2): 79-83. 曾 徽, 余西龍, 李 飛, 等. 中紅外吸收光譜測(cè)量激波風(fēng)洞自由流中NO濃度和溫度. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(2): 79-83.

V231.2

A

曾 徽(1989-)，男，湖南益陽(yáng)人，博士研究生。研究方向：吸收光譜、發(fā)射光譜燃燒診斷。通信地址：北京市北四環(huán)西路15號(hào)中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所(100190)。E-mail：zenghui@imech.ac.cn

*通信作者 E-mail: zenghui@imech.ac.cn