曾 徽, 陳連忠, 林 鑫,2,*, 歐東斌, 董永輝

(1. 中國航天空氣動力技術(shù)研究院 電弧等離子應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100074; 2. 中國科學(xué)院力學(xué)研究所, 北京 100090)

電弧加熱器高溫流場激光吸收光譜診斷

曾 徽1, 陳連忠1, 林 鑫1,2,*, 歐東斌1, 董永輝1

(1. 中國航天空氣動力技術(shù)研究院 電弧等離子應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100074; 2. 中國科學(xué)院力學(xué)研究所, 北京 100090)

激光吸收光譜；電弧加熱器；等離子體流場診斷；原子氧粒子密度；氣流溫度

0 引 言

高焓電弧加熱器可以復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行器再入飛行時的主要熱參數(shù)(焓，熱流)，依托空氣為介質(zhì)的電弧風(fēng)洞地面試驗(yàn)可以有效地進(jìn)行地球大氣再入飛行器防熱材料的篩選和考核，是目前各國進(jìn)行熱防護(hù)的主要地面試驗(yàn)設(shè)備[1-3]。地面模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵問題之一是獲得準(zhǔn)確的電弧加熱器氣流運(yùn)行參數(shù)，由于電弧加熱器內(nèi)離解空氣溫度高于5000K，等離子體平動-轉(zhuǎn)動-振動激發(fā)和氣流組分(N2,N,NO,O2,O)的離解復(fù)合，傳統(tǒng)接觸式測量手段難以對高溫流場進(jìn)行準(zhǔn)確定量，限制了飛行器防熱材料及防熱結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展。近年來，以激光吸收光譜技術(shù)為代表的非接觸式光譜測量方法因具備對流場多參數(shù)實(shí)時診斷的能力和對流場無干擾的優(yōu)點(diǎn)，成為了國際上高溫、高超設(shè)備流場診斷技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)[4]。

國內(nèi)外開展激光吸收光譜技術(shù)對大功率電弧加熱器診斷的應(yīng)用較晚，在近10年才有相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表。Stanford大學(xué)的Suhong Kim等選用O, N, Ar, Cu等原子譜線，對NASA Ames IHF 60MW電弧加熱器內(nèi)和試驗(yàn)艙內(nèi)氣流進(jìn)行了在線診斷，在國際上首次獲得了加熱器氣流溫度[5]。該研究小組應(yīng)用外腔半導(dǎo)體激光器，選用777.19nm附近原子O譜線獲得了該加熱器在不同焓值下加熱器截面不同位置的氣流溫度，并與相關(guān)數(shù)值計算結(jié)果對比，獲得了良好的一致性[6]。日本東京大學(xué)的Makoto Matsui等基于777.19 nm原子O譜線，對高頻感應(yīng)風(fēng)洞(ICP)內(nèi)氣流進(jìn)行了診斷，基于測量的溫度結(jié)果計算獲得了氣流總焓，與其他接觸式手段測量結(jié)果一致[7]。在國內(nèi)，中國航天動力技術(shù)研究院歐東斌等利用原子O激光吸收光譜技術(shù)，對某電弧風(fēng)洞試驗(yàn)艙內(nèi)平頭圓柱體模型脫體激波波后氣體溫度和氧原子數(shù)密度進(jìn)行了測量[8]，填補(bǔ)了國內(nèi)在電弧風(fēng)洞氣流診斷研究方面的空白。

1 激光吸收光譜(LAS)

1.1 基本原理

激光吸收光譜的基本理論已經(jīng)得到研究人員的深入研究[10-11]。其基本原理可以歸納為：一束頻率為ν的單色激光通過待測流場，激光光子被待測組分吸收，入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)滿足Beer-Lambert定律：

其中I0為入射光強(qiáng)，I為出射光強(qiáng)，αν表示譜線吸收率,其滿足：

其中ΔνD，ΔνL分別表示Gauss半高全寬和Lorentz半高全寬，對譜線吸收率積分，獲得積分吸收率A：

基于電弧加熱器內(nèi)熱平衡等離子體假設(shè)，通過獲得待測譜線的積分吸收率可以獲得待測粒子的數(shù)密度[6]。表1給出了本實(shí)驗(yàn)所選原子O譜線的光譜基本參數(shù)。

表1 原子O吸收躍遷光譜參數(shù)Table 1 Fundamental spectroscopic data for the O

1.2 熱平衡等離子體

電弧加熱器通過電加熱的方式升溫獲得高焓氣流，對于高壓低速氣流，可以認(rèn)為加熱器內(nèi)等離子體處于局部熱平衡，相關(guān)的研究結(jié)果驗(yàn)證了這一假設(shè)[12]。

基于局部熱平衡等離子體假設(shè)，氧原子低能級粒子數(shù)密度和總粒子數(shù)據(jù)密度滿足Boltzmann分布:

Qo表示原子O配分函數(shù)，它反映吸收躍遷對應(yīng)低態(tài)粒子數(shù)占總粒子數(shù)的比值，可以用經(jīng)驗(yàn)公式[13]表示：

同時，總粒子數(shù)密度no滿足道爾頓分壓定律：

基于NASA平衡計算程序CEA[9]，圖1給出了2×105Pa和6×105Pa壓力下空氣平衡等離子體主要組分(N,NO,N2,O,O2)摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度(4000～10000K)的變化趨勢?；诠?5)和(6)迭代求解，可以獲得氣流溫度。

圖1 (2,6)×105Pa壓力下空氣平衡等離子體組分濃度隨溫度的變化

Fig.1 Equilibrium gas composition for air plasma at different temperatures and at 2 and 6 atmospheric pressures

2 試驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)是在中國航天空氣動力技術(shù)研究院FD-04高焓電弧風(fēng)洞上進(jìn)行。如圖2所示，該電弧風(fēng)洞主要組成部分包括：電弧加熱器、噴管、試驗(yàn)段、冷卻器和真空系統(tǒng)。光學(xué)測量布置于電弧加熱器下游、噴管收縮段上游的位置，通過一套與電弧加熱器匹配安裝的光學(xué)測量夾片進(jìn)行吸收測量，圖2左下角是光學(xué)夾片的簡要示意圖。通過在光學(xué)夾片對向設(shè)計通孔，并設(shè)計一體安裝的石英窗口和透鏡，保證入射激光的聚焦和透射激光被準(zhǔn)確接收。光學(xué)夾片兩側(cè)水冷設(shè)計滿足試驗(yàn)過程中光學(xué)系統(tǒng)安裝和實(shí)驗(yàn)氣密要求，保證電弧加熱器長時間運(yùn)行時光學(xué)夾片正常工作。

Fig.2 Schematic of the experimental setup of the arc-heated wind tunnel and the LAS system

圖2同時給出了激光吸收測量部分的示意圖。LAS光學(xué)系統(tǒng)主要由2部分構(gòu)成：(1) 光學(xué)發(fā)射端；(2) 光學(xué)接收端。光學(xué)發(fā)射端由外腔半導(dǎo)體激光器、激光控制器、信號發(fā)生器、單模光纖及準(zhǔn)直透鏡組成，激光控制器通過溫度控制和電流控制來調(diào)諧激光器腔長，改變激光器輸出波長，試驗(yàn)中通過信號發(fā)生器輸出100Hz鋸齒波信號來進(jìn)行電流調(diào)諧。光學(xué)接收端由多模光纖、探測器，示波器組成。試驗(yàn)中采用Si探測器獲得激光光譜，由多通道Tek示波器接收。試驗(yàn)獲得的吸收信號是基于時域的結(jié)果，需將其轉(zhuǎn)換為頻域分布。通過F-P腔精確標(biāo)定，可以獲得時域-頻域的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

需要強(qiáng)調(diào)的是，電弧加熱器運(yùn)行面臨電磁、機(jī)械干擾的問題，因此光學(xué)元件需要進(jìn)行電磁屏蔽處理，光學(xué)測量平臺遠(yuǎn)離風(fēng)洞試驗(yàn)臺，通過長距離光纖進(jìn)行激光傳輸。同時在光路安裝調(diào)試過程中，為避免風(fēng)洞機(jī)械振動引起的光路偏離，引起吸收信號信噪比的下降，要進(jìn)行專門的防振處理。圖3給出了電弧加熱器某一工況運(yùn)行條件下獲得的原始吸收信號，局部放大圖給出了單個吸收掃描周期內(nèi)的吸收信號，顯示出較高的信噪比。在整個24s的采集周期內(nèi)，t=0.5s之前，風(fēng)洞未啟動運(yùn)行，之后隨氬氣起弧，吸收信號有一個很短的延遲，之后光譜吸收率逐漸增加并穩(wěn)定，顯示電弧加熱器達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

本試驗(yàn)針對電弧加熱器運(yùn)行的2個狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)測量，電弧加熱器的運(yùn)行工況如表2所示(總焓來自于平衡聲速法[14]，壓力來自于試驗(yàn)測量，總溫來自于高溫平衡氣流表[15])：

表2 電弧加熱器運(yùn)行工況Table 2 The operation conditions for the arc heater

Fig.3 Raw absorption signal under an operation condition，H0=15.8MJ/kg

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

直接吸收光譜的關(guān)鍵在于獲得準(zhǔn)確的基線通過吸收信號(透射光強(qiáng))與基線(入射光強(qiáng))之比獲得掃描周期內(nèi)的吸收信號。本試驗(yàn)采用的外腔式激光器，其輸出特性隨調(diào)諧電流的變化呈現(xiàn)非單調(diào)、非線性的變化趨勢，因此以往通過提取單個掃描周期內(nèi)非吸收位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合來獲取基線已不適用。試驗(yàn)通過記錄試驗(yàn)前常溫空氣的背景吸收信號(吸收率為0)，以此為參照，通過背景吸收信號與目標(biāo)周期信號光強(qiáng)之比獲得當(dāng)前周期實(shí)際的背景基線，通過此方法處理得到當(dāng)前周期的光譜吸收率，能減少光譜后處理過程中引入的人為誤差，得到信噪比高的的結(jié)果。同時，通過FP標(biāo)準(zhǔn)具標(biāo)定單個吸收周期內(nèi)時域與頻域關(guān)系，可獲得基于頻域的吸收結(jié)果。如圖4所示，對采用上述方法獲得的單周期內(nèi)吸收率結(jié)果，采用Voigt線型對吸收信號進(jìn)行擬合，可以獲得單周期內(nèi)譜線的積分吸收率，通過進(jìn)一步處理可獲得氣流的溫度和原子O的粒子數(shù)密度。

圖5給出了電弧加熱器2組工況下測量位置處等離子體氣流靜溫隨時間的變化。如圖5所示，在電弧加熱器起弧階段，氣流靜溫迅速上升并建立平衡。對于59-A工況，穩(wěn)定后氣流平均靜溫為6057K，對應(yīng)表2中總溫為6335K；對于59-B工況，穩(wěn)定后氣流平均靜溫為5843K, 對應(yīng)表2中總溫為5950K。

Fig.5 Measured temperature in the arc heater under two operation conditions

圖6(a)和(b)分別給出了電弧加熱器2組工況下測量位置處原子O總粒子數(shù)密度和低能級粒子數(shù)密度隨時間的變化。如圖6(a)所示,加熱器啟動后，原子O粒子數(shù)密度迅速上升，并迅速達(dá)到穩(wěn)定，2組工況下原子氧數(shù)密度的數(shù)量級在(1.1～1.2)×1018cm-3。比較2組工況，在測量周期內(nèi)，較低焓值、壓力的59-B工況的原子O低能級粒子數(shù)密度要高于較高焓值、壓力的59-A工況，這與圖1中平衡計算的結(jié)果是一致的。59-A、59-B工況靜溫在5800～6100K之間，在此溫度區(qū)間內(nèi)，原子O的濃度隨溫度、壓力的增加而下降，進(jìn)而引起 O原子總粒子數(shù)密度的減少。圖6(b)中2典型工況下電弧加熱器啟動，原子O低能級粒子數(shù)密度迅速升高，并逐漸平衡。59-A 工況原子O低能級粒子數(shù)密度在1.6×1010cm-3左右，59-B工況原子O低能級粒子數(shù)密度在1×1010cm-3左右，較高焓值下出現(xiàn)更高密度的原子O低能級粒子數(shù)密度躍遷。

Fig.6 Measured number density of atomic oxygen in the arc heater under two operation conditions

對于59-A和59-B 2組工況，氣流穩(wěn)定后，溫度和原子氧粒子密度結(jié)果均出現(xiàn)小幅、規(guī)律性的周期振蕩，振蕩頻率約為1Hz，與圖3中原始吸收信號一致。分析此振蕩的原因：光學(xué)夾片采用切向進(jìn)氣的方式進(jìn)入弧室，經(jīng)逐步加熱升溫至穩(wěn)定，因此在光學(xué)夾片內(nèi)側(cè)形成局部不穩(wěn)定的薄冷流區(qū)，局部冷流區(qū)內(nèi)氣流溫度低于弧室核心流，因而當(dāng)此區(qū)域冷氣通過光路時，激光光譜沿光路線積分平均測量的特性引起實(shí)際測量值被拉低，待冷氣逐漸升溫穩(wěn)定，溫度又重新升高，出現(xiàn)周期振蕩的規(guī)律。同時，對于59-A較高焓值的運(yùn)行工況，溫度振蕩幅度低于59-B較低焓值的狀態(tài)，其原因在于59-A工況光學(xué)夾片處冷流區(qū)要小于59-B工況，與不同工況下光學(xué)夾片的進(jìn)氣量相關(guān)。

4 結(jié) 論

本研究將激光吸收光譜技術(shù)(LAS)應(yīng)用于高焓電弧風(fēng)洞弧室內(nèi)等離子體氣流診斷。針對總焓15.8MJ/kg和17.4MJ/kg 2組典型工況，獲得了弧室內(nèi)等離子體氣流溫度和原子O (5s0)低能級粒子數(shù)密度，獲得如下結(jié)論：

(1) 本研究驗(yàn)證了激光吸收光譜對大功率電弧加熱器的準(zhǔn)確定量能力。利用LAS測量技術(shù)獲得了59-A、59-B 2組工況的氣流平均靜溫，分別為5843K和6057K,對應(yīng)高溫平衡氣流表獲得的總溫分別為5950K,6335K；

(2) 激光吸收光譜技術(shù)驗(yàn)證了弧室熱平衡等離子體假設(shè)的可靠性。59-A、59-B 2組工況測得了原子粒子數(shù)密度，對比基于NASA-CEA局部熱平衡假設(shè)的計算結(jié)果，2組工況的粒子數(shù)密度差異吻合。

(3) 本研究工作說明激光吸收光譜診斷電弧加熱器流場具有非常高的測量靈敏度。59-A、59-B工況狀態(tài)接近(ΔH0:1.6MJ/kg, ΔP:0.1 atm，ΔT0<400K)，光譜測量結(jié)果準(zhǔn)確地獲得2工況參數(shù)(溫度、粒子密度)的差異，與平衡計算和接觸式測量結(jié)果基本一致。

本研究驗(yàn)證了LAS光譜方法對高焓電弧加熱器氣流參數(shù)的在線診斷能力，該測量結(jié)果可以直接應(yīng)用于對風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)的評估，同時為相關(guān)數(shù)值計算提供數(shù)據(jù)支撐，激光吸收光譜技術(shù)可作為電弧加熱器和風(fēng)洞試驗(yàn)艙高溫等離子體氣流診斷的常規(guī)測量手段。下一步工作將應(yīng)用多光路-激光吸收光譜技術(shù)對電弧加熱器截面氣流參數(shù)進(jìn)行診斷，獲得弧室截面的二維定量信息。此外，該光譜診斷技術(shù)將擴(kuò)展應(yīng)用于高頻感應(yīng)風(fēng)洞等其他類型的高焓電弧設(shè)備的多組分(O,CO,NO等)流場診斷。

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(編輯：張巧蕓)

Laser absorption spectroscopy diagnostics in the arc-heater of an arcjet facility

Zeng Hui1, Chen Lianzhong1, Lin Xin1,2,*, Ou Dongbin1, Dong Yonghui1

(1. Beijing Key Laboratory of Arc Plasma Application Equipment, China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China; 2. Institute of Mechanics, China Academy of Science, Beijing 100090, China)

laser absorption spectroscopy;arc heater;plasma flow diagnostics;number density of atomic oxygen;gas temperature

1672-9897(2017)04-0028-06

10.11729/syltlx20160179

2016-11-25;

2017-01-03

ZengH,ChenLZ,LinX,etal.Laserabsorptionspectroscopydiagnosticsinthearc-heaterofanarcjetfacility.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 28-33. 曾 徽, 陳連忠, 林 鑫, 等. 電弧加熱器高溫流場激光吸收光譜診斷. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(4): 28-33.

V556.4

A

曾 徽(1989-)，男，湖南益陽人，工程師。研究方向：氣動熱試驗(yàn)分析、吸收光譜、發(fā)射光譜燃燒診斷。通信地址：北京市云崗西路17號中國航天空氣動力技術(shù)研究院(100074)。E-mail: zenghuikeda@outlook.com

*通信作者 E-mail: linxin_bit@163.com