基于可調諧激光吸收光譜的燃燒場溫度測量研究.pdf

1、燃燒流場診斷中,溫度是一個極其重要的物理量。燃燒流場的溫度測量對于改善燃燒效率、降低污染物的排放有重要意義。傳統的熱電偶測溫屬于接觸式測量,不但會對待測流場產生干擾,易被測量環(huán)境中高溫高壓高流速的氣體毀壞,而且測溫范圍有限,缺乏足夠的空間和時間分辨率。
　　調諧二極管激光吸收光譜技術(TDLAS)用于燃燒流場的溫度測量時不會干擾待測流場,具有高靈敏度、高的譜分辨率、快速的響應時間、大的動態(tài)測量范圍、多參量同時測量等優(yōu)點。本文以燃燒

2、主要產物之一的水蒸氣為目標氣體,開展了基于TDLAS技術的燃燒流場溫度測量研究,具體的研究內容和創(chuàng)新性成果概況如下:
　　(1)基于TDLAS雙線測溫譜線的選擇原則,選取水蒸氣位于1391.67nm和1468.89nm的吸收譜線作為測溫譜線對,利用兩個激光器時分復用的方式,建立了面向燃燒流場在線測量的TDLAS系統?；诖讼到y,設計了直接吸收光譜數據的自動化處理算法實現了溫度和濃度的反演,并分析了測量的不確定度。利用熱電偶和Hen

3、cken型平面火焰燃燒爐進行了實驗驗證,TDLAS的溫度測量結果與經輻射校正的熱電偶溫度測量值基本吻合,偏差在4％以內。
　　(2)發(fā)展了一種基于TDLAS正交路徑的二維燃燒場溫度重建算法,通過測得2N(N≥3)條沿視線(light-of-sight,LOS)測量路徑的積分吸光度,利用Tikhonov正則化方法得到兩條譜線分別在N×N個像素內的溫度值,然后利用自然雙三次樣條插值對N×N個交叉點處的溫度進行平滑,從而得到高空間分辨率

4、的2D分布。該方法與代數重建算法(ART)進行比較,重建的抗噪聲能力提高12%,而準確度無損失。利用數值仿真的方法,首次研究了不同LOS測量路徑數呈N×N均勻排布時對單峰溫度場和非對稱雙峰溫度場的二維重建結果的影響。綜合重建的精確度、抗噪聲干擾的能力及系統的復雜性和成本,確定N=5是最佳方案。研究結果對實際的二維測量系統的搭建和應用有指導意義。基于3×3的測量路徑排布,搭建了TDLAS二維溫度測量系統。并利用平焰爐進行了驗證實驗,對不同

5、流量比下的溫度測量結果與誤差進行了分析,結果表明,測量過程中的積分吸光度的不確定度是引起溫度測量誤差較大的主要原因。
　　(3)建立并驗證了快速溫度寬譜調諧多譜線測溫體系。首先建立了半導體激光器溫度調諧動態(tài)過程中的發(fā)射波長與其內部集成的熱敏電阻溫度的數學模型,通過測量熱敏電阻的溫度準確獲得激光器芯片的結溫度,解決了快速寬譜掃描過程中動態(tài)波長的獲取問題,將其應用于快速寬譜調諧技術中實現70多條H2O吸收譜線的在線獲取,為非均勻溫度場

6、的準確高空間分辨奠定了基礎;完善了譜線選擇原則篩選了目標譜線,篩選了其中的35條譜線并仿真驗證了譜線選擇的合理性;提出了路徑分區(qū)的溫度測量方法,該方法通過將線強與溫度的復雜超越函數關系在測溫范圍內進行多項式簡化,并加入邊界約束條件,得到了每個路徑分區(qū)內的溫度值;改進了流場溫度分區(qū)算法,將帶非負限制的Tikhonov正則化方法用于流場溫度分區(qū)的概率密度函數計算,解決了非負最小二乘算法在溫度分區(qū)較密時求解不穩(wěn)定甚至無效的問題。以酒精燈火焰為