波长扫描直接吸收光谱法燃烧诊断技术适用情况讨论

杨 斌, 潘科玮, 杨荟楠, 黄 斌, 刘佩进

(1.上海理工大学上海市动力工程多相流动与传热重点实验室,上海 200093;2.上海航天动力技术研究所,上海 201109;3.西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室,西安 710072)

波长扫描直接吸收光谱法燃烧诊断技术适用情况讨论

杨 斌1,3, 潘科玮2, 杨荟楠1, 黄 斌3, 刘佩进3

(1.上海理工大学上海市动力工程多相流动与传热重点实验室,上海 200093;2.上海航天动力技术研究所,上海 201109;3.西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室,西安 710072)

针对波长扫描直接吸收光谱法(SDAS)在燃烧诊断应用中受温度与压强等参数影响的问题,采用光谱仿真计算讨论该方法的适用情况,以常用的H2O分子7 185.597 cm-1谱线为例,基于HITRAN光谱数据库,对不同温度和压强下分子吸收光谱影响因素进行分析.根据目前二极管激光器调制范围一般在2 cm-1以内,得到了燃烧诊断应用中SDAS技术适用的一般原则,并对适用范围的拓展提出了建议.

燃烧诊断技术是揭示燃烧机理和认识燃烧过程的重要工具之一[1-3].可调谐二极管激光器吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)对于碳氢燃料燃烧环境下的气体参数测量极具优势,可实现诸如温度、组分浓度、速度及流量等多参数在线测量,并且具有高灵敏度、高光谱分辨率、快时间响应、高可靠性及非接触等特点[4-5].由于系统实现和处理方法简单,波长扫描直接吸收光谱法(scanned-wavelength direct absorption spectroscopy, SDAS)是TDLAS技术应用最为广泛的技术之一[6-9].但是,在燃烧诊断应用中,由于分子吸收光谱峰值、线宽等参数受到温度、压强等参数影响,要获得准确、完整的吸收光谱,对波长扫描范围有一定要求,然而目前TDLAS技术广泛采用的通信用二极管激光器调制范围一般在2 cm-1以内,因此, SDAS方法具有一定的局限性.但其具体适用范围并未见有文献讨论,因此,本文以常用的H2O分子7 185.597 cm-1谱线为例,基于HITRAN光谱数据库,编写分子吸收光谱仿真程序,开展不同温度、压强下分子吸收光谱影响因素分析.根据目前二极管激光器调制范围一般在2 cm-1以内,讨论燃烧诊断应用中SDAS技术适用情况,以此为TDLAS技术燃烧诊断应用提供参考.

1 基本原理

TDLAS技术是将激光波长调制到特定组分吸收频域,通过测量激光束经待测区域内某一特定波长范围内的衰减程度,实现气态流场参数测量的一种燃烧诊断技术,其基本原理为Beer-Lambert定律.如图1所示,半导体激光器产生激光,光强为I0,激光通过待测气体后由光电探测器接收,透射光强为It,激光频率为v,单位为cm-1.当激光频率v与气体吸收组分跃迁频率相同时,激光能量被吸收.

图1 TDLAS技术原理示意图Fig.1 Schematic of TDLAS

定义传播分数Tv,入射光强与透射光强满足Beer-Lambert定律.

式中,kv为光谱吸收系数;L为激光光程;(kvL)为光谱吸收率αv;p为压强;Xabs为吸收组分摩尔浓度;Φ为线型函数(在燃烧场条件下通常采用Voigt线型函数描述);S(T)为谱线强度,是温度T的函数.

式中,h为Planck常数;c为真空中光速;k为Boltzmann常数;E″为低能级能量;T0为参考温度; v0为谱线中心频率;Q(T)为吸收组分配分函数.

2 分子吸收光谱仿真计算

为了深入理解分子吸收光谱与温度、压强等参数的关系,有必要对分子吸收光谱开展系统的理论分析,分子吸收光谱仿真计算必可不少.本文基于HITRAN数据库,编写分子吸收光谱仿真程序,开展分子吸收光谱影响参数分析.

HITRAN光谱数据库是由空军剑桥研究实验室(Air Force Cambridge Research Laboratories,AFCRL)在20世纪60年代针对大气分子跃迁而创建,历经50余年的发展,目前已成为可见光和红外区域大气分子光谱定量的重要工具.数据库汇编了众多小分子光谱参数的实验测量、理论计算和预估结果,包括谱线中心、谱线强度、低能级能量、空气加宽系数、自加宽系数及温度指数等重要光谱参数[10].由于HITRAN光谱数据库压强单位统一采用标准大气压(atm)(1 atm=101 325 Pa),为了同国际惯例一致,本文压强单位统一采用标准大气压(atm).

本文基于Matlab软件编写了分子吸收光谱仿真计算程序,包括线型函数计算、谱线强度计算和分子吸收光谱仿真计算模块,该程序是本文开展SDAS技术适用情况讨论的理论工具.

3 分子吸收光谱影响参数分析

由Beer-Lambert定律(式(1))可知,吸收光谱与光程、组分浓度成正比,而受温度T和压强p影响较为复杂,本文以常用于燃烧诊断应用的H2O分子7 185.597 cm-1谱线为例,开展详细的分子吸收光谱参数影响分析,其中,H2O组分浓度取10%.

3.1 温度参数

由于吸收光谱是谱线强度与线型函数等的乘积,温度对分子吸收光谱的影响可分解为对谱线强度与线型函数的影响.压强p=1 atm情况下,计算不同温度(296,600,1 000,1 500,2 000 K)下H2O分子谱线强度随温度T的变化情况、线型函数与吸收光谱随波长λ的变化情况,如图2所示.随着温度的升高,谱线强度先增大,在580 K左右达到最大值后降低.而对于线型函数来说,温度的变化对其影响不大.因此,压强等其它参数相同,吸收光谱吸收率峰值随温度的变化趋势与谱线强度一致,吸收率峰值随温度的升高先增大,在580 K左右达到最大值后降低.此外,由图2(c)可以看出,吸收光谱的线宽随温度变化不大,这便是实现SDAS技术的基础.

3.2 压强参数

压强对分子吸收光谱的影响主要是对线型函数的影响,在温度T=1 000 K情况下,开展不同压强(0.5,1,2,5,10 atm)下H2O分子线型函数与吸收光谱计算,如图3所示(见下页).随着压强的升高,线型函数的峰值减小,线宽增大,这是因为压强增大造成碰撞加宽增大,线型函数宽度增大,而面积积分不变,因此,峰值随之降低.对于吸收光谱来说,压强升高导致线宽增大的同时,还会造成碰撞漂移,并且漂移量与压强成正比.从图2(b)可以看出,吸收光谱随压强的升高变化十分剧烈,当p=1 atm时,吸收光谱频率跨度1 cm-1左右,当p=5 atm时,吸收光谱两翼已无法达到零值,即无零吸收翼,因此,无法再通过SDAS技术获得该谱线完整的吸收光谱.

图2 谱线强度、线型函数与吸收光谱随温度的变化情况Fig.2 Line strength,lineshape function and molecular absorption spectrum at different temperature

图3 线型函数与吸收光谱随压强的变化情况Fig.3 Lineshape function and molecular absorption spectrum at different pressure

4 SDAS技术适用情况讨论

能否有效获得吸收光谱是SDAS技术的关键.温度对吸收光谱影响主要体现在峰值的变化,而压强对吸收光谱的影响非常大.由于目前半导体激光器调制范围在2 cm-1以内,因此,SDAS技术就有一定的适用范围,现将压强分为几个范围进行讨论.

4.1 低压(p≤1 atm)

如图4所示,在压强p≤1 atm情况下,零吸收翼间距小于1.1 cm-1,而二极管激光器通常都能通过电流调制进行该范围吸收光谱的扫描,此时SDAS技术完全适用,即使有邻近谱线的干扰,只要谱线强度大小差别较大,SDAS技术仍然能够通过多峰函数拟合实现有效分辨,从而准确获得确定谱线的吸收光谱.

4.2 较高压强(1 atm＜p≤3 atm)

如图5所示,在压强p＞1 atm情况下,谱线由于压强的增大使得碰撞加宽增大,光谱整体上移,零吸收翼逐渐消失.以p=3 atm为例,零吸收翼间隔为2 cm-1,正好为二极管激光器调制范围,因此,认为当1 atm＜p≤3 atm时,SDAS技术仍然适用.但压强越大,对激光器调制范围的要求越高,并且由于邻近谱线光谱叠加,零吸收翼的范围越来越小,此时,利用SDAS技术获取吸收光谱的准确度会降低,此时,应对吸收光谱进行一定的修正.

图4 较低压强下吸收光谱Fig.4 Molecular absorption spectrum at lower pressure

4.3 高压(p＞3 atm)

如图5所示,当压强p＞3 atm时,吸收光谱线宽继续增大,零吸收翼间距大于2 cm-1,超出二极管激光器通常的调制范围,并且由于邻近谱线的叠加,吸收光谱甚至不存在有效的零吸收翼,此时, SDAS技术不再适用.

图5 较高压强下吸收光谱Fig.5 Molecular absorption spectrum at higher pressure

5 进一步拓宽压强适用范围的建议

本文是基于常用作燃烧诊断的H2O分子7 185.597 cm-1谱线进行分析,以通常激光器调制范围2 cm-1作为SDAS技术适用条件,讨论得到SDAS技术适用原则.目前来说,该讨论是具有代表性的.但进一步来说,若能选取更为孤立的谱线,随着压强增大,邻近谱线的干扰将进一步减弱,这对拓宽SDAS技术压强适用范围具有积极意义.此外,随着激光器的进一步发展,调制范围也能进一步加宽,这也能扩宽SDAS技术压强适用范围.

与其它技术相比,SDAS技术具有系统实现与处理方法简单等优点,是TDLAS技术优先考虑的技术,但是,由于燃烧环境下分子吸收光谱受压强影响较大,因此,存在一定的压强适用范围,这是本文研究的出发点.但对于SDAS技术无法实现的更高压强范围,可利用固定波长直接吸收光谱技术(fixwavelength direct absorption spectroscopy,FDAS)和二次谐波调制光谱技术(wavelength modulation spectroscopy with the second harmonic detection, WMS-2f)[11].由于FDAS技术将激光固定调制在谱线中心处,仅需测量该波长下激光的衰减程度实现参数测量,无需获得整个光谱形状,不受压强影响;而WMS-2f技术利用谱线中心处2f信号高度开展参数测量,同样不需要获得整个光谱2f信号,不受压强增大造成光谱线宽加宽影响,因此,这两种方法为TDLAS技术对高压流场参数的测量提供可能.

6 结 论

基于HITRAN光谱数据库,通过开展不同温度和压强下分子吸收光谱的仿真计算,讨论SDAS燃烧诊断技术适用情况,得到如下结论:

a.开展温度和压强参数对吸收光谱的影响分析发现,温度对谱线强度影响较大,且谱线强度决定吸收光谱吸收率峰值的大小;压强对线型函数影响较大,谱线线宽增大,邻近谱线叠加严重.

b.根据压强对吸收光谱影响的特点,结合SDAS技术适用条件(通常激光器调制范围2 cm-1),确定在低压情况(p≤1 atm)下,SDAS技术完全适用;在较高压强(1＜p≤3 atm)下,利用SDAS技术需通过理论分析进行测量结果修正;而对于高压(p＞3 atm)情况,SDAS技术不再适用.

c.谱线的优化与激光器调制范围的进一步加宽都能拓宽SDAS技术的压强适用范围,而对于SDAS技术无法实现的更高压强范围,可利用FDAS技术和WMS-2f技术.

[1] Soid SN,Zainal ZA.Spray and combustion characterization for internal combustion engines using optical measuring technique—A review[J].Energy,2011,36(2):724-741.

[2] Candel S,Durox D,Schuller T,et al.Advances in combustion and propulsion applications[J].European Journal of Mechanics-B/Fluids,2013,40(7/8): 87-106.

[3] 王美清,郁鸿凌,陈梦洁,等.城市污水污泥热解和燃烧的实验研究[J].上海理工大学学报,2014,36(2): 185-188.

[4] Hanson R K.Applications of quantitative laser sensors to kinetics,propulsion and practical energy systems [J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33 (1):1-40.

[5] 洪延姬.燃烧场吸收光谱诊断技术研究进展[J].实验流体力学,2014,28(3):12-25.

[6] Baer D S,Nagali V,Furlong E R,et al.Scanned-and fixed-wavelength absorption diagnostics for combustion measurements using multiplexed diode lasers[J].AIAA Journal,1996,34(3):489-493.

[7] 许振宇,刘文清,刘建国,等.基于可调谐半导体激光器吸收光谱的温度测量方法研究[J].物理学报, 2012,61(23):232-239.

[8] 李飞,余西龙,陈立红,等.TDLAS测量甲烷/空气预混平面火焰温度和H2O浓度[J].实验流体力学, 2009,23(2):40-44.

[9] 陶波,胡志云,张立荣,等.基于激光吸收光谱技术在线测量燃烧场温度研究[J].大气与环境光学学报, 2010,5(6):438-444.

[10] Rothman L S,Gordon I E,Barbe A,et al.The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2009,110(9/10):533-572.

[11] Zhou X.Diode laser absorption sensors for combustion control[D].California:Stanford University,2005.

(编辑:石 瑛)

Application Conditions of Scanned-Wavelength Direct Absorption Spectroscopy for Combustion Diagnostics

YANGBin1,3, PANKewei2, YANGHuinan1, HUANGBin3, LIUPeijin3
(1.Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai Space Propulsion Technology Research Institute, Shanghai 201109,China;3.Science and Technology on Combustion,Internal Flow and Thermal-Structure Laboratory,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

For understanding the influences of temperature and pressure on combustion diagnostics by the scanned-wavelength direct absorption spectroscopy(SDAS),the molecular absorption spectrum simulation method was used to discuss the application conditions.Based on HITRAN database,taking 7 185.597 cm-1water-vapor line as an example,the influence factors were analyzed at different temperature and pressure.Considering the modulation range of diode laser is about 2 cm-1at present,the application criterions of SDAS for combustion diagnostics were discussed and summarized,and the suggestions which broaden the application range were presented.

tunable diode laser absorption spectroscopy;scanned-wavelength method; scanned-wavelength direct absorption spectroscopy;combustion diagnostic

可调谐二极管激光器吸收光谱技术;波长扫描法;波长扫描直接吸收光谱法;燃烧诊断

TK 31

A

1007-6735(2015)05-0445-05

10.13255/j.cnki.jusst.2015.05.006

2014-07-21

国家自然科学基金资助项目(51306123);教育部博士点基金联合资助项目(20133120120008);上海市科委科研计划项目(13DZ2260900)

杨 斌(1985-),男,讲师.研究方向:燃烧与多相流在线测量方法.E-mail:yangbin@usst.edu.cn

杨荟楠(1983-),女,讲师.研究方向:激光光谱测量方法.E-mail:yanghuinan@usst.edu.cn