燃烧流场线CARS测温技术研究

李仁兵、苏 铁、张 龙、鲍伟义、闫 博、陈 力、陈 爽

1. 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室,四川 绵阳 621000 2. 中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所,四川 绵阳 621000

燃烧流场线CARS测温技术研究

李仁兵1,2、苏 铁2、张 龙2、鲍伟义2、闫 博2、陈 力2、陈 爽2

1. 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室,四川 绵阳 621000 2. 中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所,四川 绵阳 621000

常规CARS采用凸透镜聚焦多束激光于空间一点、在满足相位匹配条件下产生携带该点温度信息的CARS信号。常规CARS一次只能测量一个空间点的温度、难以满足燃烧流场深入研究需要。为了提高CARS测量能力、使得CARS在一次测量中获得更多信息、提出了线CARS测量方法。线CARS测量方法在常规CARS基础上采用柱面凸透镜替换普通凸透镜、使得聚焦位置由焦点变为焦线。由于焦线上的点大部分满足相位匹配关系、因此可以同时获得多点CARS信号。后续光路同样采用柱面凸透镜替换普通凸透镜、通过光谱仪和ICCD相机将CARS信号传输至计算机、解析出聚焦线上CARS信号对应的温度信息、实现CARS测量能力由“点”到“线”的提升。基于平面火焰炉的燃烧实验结果表明：线CARS可以一次有效测量200个空间点的温度信息、空间测量长度约3.6 mm、空间分辨率约18 μm、测量结果相对不确定度优于7%、在保持测量精度的同时有效丰富了单次测量信息。

激光光谱； 温度测量； 流场诊断； 线CARS； 实验研究

引 言

相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering、CARS)是一种基于激光光谱的流场诊断技术、最先由Minck等[1]在研究氢气和甲烷的激光受激拉曼散射效应时发现并提出。CARS技术具有不干扰流场、时间响应快以及测量精度高等优点、因而成为燃烧诊断领域的研究热点[2-8]。传统CARS采用凸透镜将多束激光聚焦到空间同一点、在满足相位匹配条件下产生携带测点温度信息的CARS信号、通过分析CARS信号得出测点温度、是一种“点”测量方法[9]。因此、传统CARS在一次试验中只能获取一个空间点的温度信息、不能满足全面认识燃烧机理的需要。

为了提高CARS在一次测量中获取的信息量、有学者提出了双泵浦CARS(DP-CARS)[10-12]和双宽带CARS(DB-CARS)[13-15]。DP-CARS采用两台固体激光器作为泵浦源、分别与斯托克斯光组合获得两个空间测点CARS信号； DB-CARS采用两台染料激光器产生两束斯托克斯光、分别与泵浦光组合获得两个空间测点CARS信号。DP-CARS和DB-CARS虽然增加了空间测点、但增加的数量有限、同时也大幅增加了硬件规模、使得测试系统更加复杂和难以调试。

我们提出了线CARS测量方法、旨在克服传统CARS测量能力的不足。线CARS采用柱面凸透镜代替普通凸透镜、使得聚焦位置由点变线、通过光路调节使得焦线上大部分点满足相位匹配关系、产生CARS信号。然后经过信号收集和数据处理、得到焦线上空间点的温度、实现CARS测量能力由“点”到“线”的提升。

1 CARS基本理论

频率为ω1的泵浦光和频率为ω2的斯托克斯光按一定相位匹配关系聚焦于采样区、当泵浦光ω1和斯托克斯光ω2的频差趋近于待测区域中某种介质的拉曼频移ωR时、在另一束频率为ω1的探测光作用下会产生频率为ω3的相干反斯托克斯拉曼光束、即CARS信号。

图1描述了CARS产生过程的空间示意图、图2描述了CARS过程能级跃迁关系。

CARS过程中满足的能量守恒、动量守恒和信号强度可以表示如下[9]

ω3=2ω1-ω2

(1)

(2)

(3)

图1 CARS产生过程示意图

图2 CARS过程能级跃迁示意图

2 线CARS实现方案

2.1 线CARS测量系统

设计的线CARS测量系统如图3所示。

图3 线CARS探测系统示意图

该系统由激光光源、光路系统、数据采集以及时序控制四部分组成。激光光源由固体激光器Nd∶YAG和染料激光器Dye构成、实验以氮分子为探测分子、固体激光器Nd∶YAG输出532 nm脉冲激光经过分束镜M1分束后、透射部分泵浦染料激光器Dye并输出中心波长位于607 nm附近的宽带斯托克斯光。反射部分经过分束镜M2将多余能量释放并由余光收集器T1收集、取出的能量经过扩束延时系统EDS后与斯托克斯光同时到达中心带有φ5 mm、45°斜孔的环形反射镜M3、斯托克斯光从斜孔中心穿过、与泵浦光并线形成环形光束以满足CARS的相位匹配要求。M3合并激光束原理如图4所示。

混合光束由柱面凸透镜M4聚焦于探测区并产生CARS信号、与M4共焦的柱面凸透镜M5将出射激光以及CARS信号光转换成平行光束、滤光系统FS将大部分出射激光反射至T2、并滤除共线CARS信号和背景干扰。最后得到的相对纯净的CARS信号由M6反射、柱面凸透镜M7汇聚于光谱仪狭缝。ICCD相机将拍摄到的图像信号存入计算机供分析用。整个系统时序控制由DG535承担、为Nd∶YAG和ICCD相机提供统一时序信号。

图4 环形光束形成示意图

2.2 线CARS片光系统设计

常规CARS采用凸透镜将混合光束聚焦于一点、因此只能进行点测量。为实现CARS线测量、即线CARS测量、将凸透镜更换为柱面凸透镜、使得聚焦位置为一条聚焦线、如图5所示。由于聚焦线上斯托克斯光所在区域的每个点都会产生CARS信号、因此可以通过分析整条线上的CARS信号得到聚焦线上对应点的温度信息。具体点数、也即空间分辨率、由使用的ICCD相机的分辨率以及泵浦光、斯托克斯光的强度决定。

图5 柱面凸透镜聚焦线示意图

3 结果与讨论

3.1 参数设置

实验中激光器采用美国Continuum公司的PL8010型Nd∶YAG激光器、532 nm的输出波长下能量约为450 mJ、染料激光器采用了同家公司的ND6000型、宽带模式下输出带宽约120 cm-1； 相机采用英国Andor公司的DH734型ICCD相机、光谱仪采用Bruker公司的500IS/SM。燃烧流场由Mckenna平面火焰炉及质量流量计提供、可以实现甲烷/空气、甲烷/氧气、氢气/氧气等多种混合气体方案。本实验采用甲烷/空气预混燃烧方案。

实验设置三种工况、分别通过调节甲烷和空气配比实现、每种工况采集数据100组。测量位置位于平面火焰炉中心上方10～15 mm处。

具体参数设置如表1所示。

表1 实验工况参数设置

图6 线CARS信号图像采集

3.2 结果分析

图6是工况一条件下采集的其中一组线CARS信号、图7是对应的部分光谱呈现。由图6、图7可以看出、稳态火焰中线CARS信号稳定、光谱轮廓清晰、信噪比较高。

图7 线CARS信号光谱呈现

实际采集信号的有效点数约200个、经光谱仪标定、对应空间长度约为3.6 mm、由此计算出线CARS的实际空间分辨率约为18 μm。

图8、图9、图10给出了三种工况下的拟合温度分布、对应的分别是工况一第65组数据、工况二第24组数据、工况三第57组数据、每组数据从有效的200个空间点中选取20个、对应空间长度仍为3.6 mm。图中横坐标为空间数据点数、按照远离炉面方向依次等距选取。

图8 工况一拟合温度分布

图9 工况二拟合温度分布

由于线CARS空间分辨率约为18μm、而热电偶感应头的尺寸为毫米级、因此无法用热电偶测量结果作为线CARS测量结果的参照。为了得到线CARS的测量误差、本文以相对不确定度参量给出。相对不确定度是线CARS测试结果的统计值、按式(4)计算：

(4)

图10 工况三拟合温度分布

不确定度描述了测量结果相对于测量均值的分散程度。

表2给出了三种工况第50个空间点的测量相对不确定度。

表2 线CARS测量相对不确定度

从表2可以看出：线CARS方法的测量相对不确定度优于7%、具有与常规点CARS相同的测量精度。

4 结 论

实验结果表明：线CARS方法能够对稳态燃烧流场的温度进行有效测量、实现了CARS测量能力由“点”到“线”的提升。

下一步可以开展线CARS片光系统优化设计、提高线CARS的“线”测量长度。

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Study on Line CARS for Temperature Measurement in Combustion Flow Field

LI Ren-bing1,2,SU Tie2,ZHANG Long2,BAO Wei-yi2,YAN Bo2,CHEN Li2,CHEN Shuang2

1. Science and Technology on Scramjet Laboratory、China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China 2. Facility Design and Instrumentation Institute,China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China

Some laser beams meet at a single point by a convex len in normal coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS),and the CARS signal with temperature information of the focal piont yields under phase matching. Normal CARS can only get the temperature of one spatial piont in one measurement,which can not meet the needs of deep research on combustion flow field. In order to get more information in one test and improve the measuring capacity of CARS,line CARS (L-CARS) was presented. In L-CARS,convex lens are replaced by cylindrical convex lens to get a focal line,and nearly all the points on the line meet the phase matching. So,the CARS signal of each point on the line yield in one test. Cylindrical convex lens are also used in subsequent beam path to focus the CARS signals into spectrometer,and ICCD camera transfers the signals to computer to acquire the temperature of each point. Then,the measuring capacity of CARS is advanced from piont measuring to line measuring. Experimental results based on plain flame furnace suggest that L-CARS can acquire about 200 points’ temperatures effectively in one test,and the length of the measuring line is about 3.6mm. The spatial resolution is about 18μm and the uncertainty is less than 7%,which is as the same as the ordinary CARS’s.

Laser spectrum; Temperature measurement; Flow field diagnosis; Line CARS; Experimental study

Mar. 3,2016; accepted Jul. 24,2016)

2016-03-03、

2016-07-24

国家自然科学基金面上项目(11272337、11272338)、高超声速冲压发动机技术重点实验室开放基金项目(STS/MY-KFKT-2015001)资助

李仁兵、1982年生、中国空气动力研究与发展中心副研究员 e-mail：pioneerbull@qq.com

O433.1

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-3968-05