发动机燃烧火焰的综合诊断研究是推进技术研究中十分重要的部分, 火焰温度是燃烧诊断研究中最常用也是最重要的物理量, 是对燃烧过程最直观的描述.测量火焰温度及其分布规律, 有助于探讨物理过程和化学反应机理, 了解燃烧过程, 对于发动机燃烧效率、性能评估、燃料最佳配比的确定以及发动机结构设计的改进都具有重要意义[1-3].
发动机燃烧火焰具有高温、高压、非稳态、强振动及强辐射等特点, 使得传统的接触测量应用非常困难.随着激光技术的发展, 基于激光光谱学的非接触测量技术在发动机燃烧火焰的测量中应用愈加广泛, 相干anti-Stokes Raman散射(coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS)技术作为一种非接触测量手段, 由于其方向性好、不受背景辐射干扰、测量精度高、测量动态范围大等优点[4], 已成功应用于内燃机[5]、涡轮/涡扇发动机[6]、超燃冲压发动机[7]、双模态冲压发动机[8-9]等模型燃烧室温度测量及地面试验[10]. 2010年, Purdue大学的Thariyan等利用CARS技术测量了湍流燃烧室温度, 取得了(2 020±370)K的最高温度测量结果[6]; 2015年怀特-帕特森空军基地开发了用于发动机尾焰温度测量的空心光波导ns-CARS系统和可移动式ps-CARS系统, 并测量了大推力轻型涡轮喷气发动机J85-GE-5尾焰温度[10].华盛顿大学Cutler等[8], Gallo等[9]开发了基于WIDECARS技术的温度组分测量系统, 并先后(2014年、2016年)对双模超燃冲压发动机H2/air和C2H2/air预混合区、燃烧室及燃烧室出口的温度和组分分布进行了同时测量, 获得了不同平面的温度和组分(H2, C2H2, N2, O2, CO, CO2)浓度分布, 并依据CARS测量结果获得了火焰结构. 2018年, Cutler等利用双泵浦CARS技术测量了双模超燃发动机燃烧室不同平面上的温度和组分浓度分布, 分析了空间平均效应对温度测量结果的影响, 并对温度测量结果进行了校正, 结果显示, 不同反应物和燃烧产物在不同混合情况下的温度在500~3 000 K区间内[11].
虽然CARS技术在燃烧诊断中得到广泛应用, 但目前主要集中在稳态燃烧场温度的测量, 缺乏用高分辨率的单脉冲来测量瞬变的燃烧火焰温度及组分浓度的研究.与稳定流场测量相比, 瞬态流场单脉冲测量的最主要缺点是信号强度低, 信噪比较差, 并且在测量发动机点火等瞬态特性时, 环境压强处于剧烈变化中, 往往须读取监测系统的数据来修正压力对CARS光谱的影响, 然而目前的CARS测量手段大部分基于Sandia CARSFT[12]计算结果来构建数据库, 这在一定程度上限制了系统的灵活性和兼容性, 因此需要自主开发CARS计算和拟合程序并与监测系统集成以满足复杂环境下瞬态测量的应用需求.本文基于CARS理论, 结合多参数拟合算法, 开发了基于MATLAB的CARS光谱计算和拟合程序CARSCF, 利用McKenna平面火焰炉在不同工况下进行了温度测量, 并与DLR测量结果[13]进行对比, 最后将CARS技术应用于测量超燃冲压发动机点火过程中的温度测量.
1 理论基础气体介质中的CARS效应是一种3阶非线性光学效应, 当3束强光入射到气体介质时会发生强非线性相互作用, 耦合产生第4束光即为CARS光[16]. CARS过程的能级跃迁如图 1所示.
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| 图 1 CARS过程示意图 Fig.1 Schematic diagram of the CARS |
| $ I_{4}=\frac{\mu^{2} \omega_{4}^{2}}{n_{1} n_{2} n_{3} n_{4}}\left|\chi_{\mathrm{R}}^{(3)}+\chi_{\mathrm{NR}}\right|^{2} I_{1} I_{2} I_{3} L^{2} \frac{\sin ^{2}(\Delta k L / 2)}{(\Delta k L / 2)^{2}} $ | (1) |
式中, μ为磁导率, ni, Ii分别为介质在光波频率为ωi(i=1, 2, 3, 4)时的折射率和光强, χR(3), χNR分别为3阶非线性极化率的共振和非共振部分, L为相干长度即3阶非线性极化作用长度, Δk为波矢失配量.在不存在单光子电子共振的条件下, 共振3阶非线性极化率可近似为
| $ \chi_{\mathrm{R}}^{(3)}=\frac{8 \pi^{2} \varepsilon_{0} c^{4}\left(N_{\mathrm{a}}-N_{\mathrm{b}}\right)}{h \omega_{2}^{4}\left(\omega_{j}-\omega_{1}+\omega_{2}-i {\mathit{\Gamma }}_{j}\right)}\left(\frac{\mathrm{d} \sigma}{\mathrm{d} {\mathit{\Omega }}}\right)_{J} $ | (2) |
其中,
| $ N(v, J)=\frac{N}{{{Q}_{\text{v}}}{{Q}_{\text{J}}}}{{I}_{\text{J}}}(2J+1){{\text{e}}^{-\frac{hc}{kT}G\left( \mathit{v}, J \right)}} $ | (3) |
G(v, J)为分子的振转能级, Qv, QJ分别为振动配分函数、转动配分函数, IJ为核自旋简并.由此可见, CARS光谱分布强烈依赖于气体温度, 因此可以根据CARS光谱来反演出气体温度.
2 实验及装置CARS温度测量实验方案如图 2所示, CARS系统由激励光源、光路系统、数据采集系统和时序控制系统4个部分组成.光源系统包括中心波长为532 nm的Nd: YAG激光和染料激光器组成, 532 nm激光经分光后, 一束作为泵浦和探测光, 另一束作为染料激光器的泵浦光源用于产生中心波长为607 nm、线宽不低于100 cm-1的Stokes光.泵浦光和探测光经光束整形为环形光束后与Stokes光以非稳腔空间增强探测(unstable-resonator spatially enhanced detection, USED)的相位匹配方式聚焦于待测流场, 利用配备1 200 lines/mm闪耀光栅及ICCD阵列的光谱仪采集CARS信号, 测量过程中ICCD积分时间tw=100 ns, 光谱仪入口狭缝宽度50 μm.相机用于拍摄火焰发光, 为判断是否点火提供依据.利用DG535统一控制激光器、光谱仪和相机之间的时序关系, 并且为超燃冲压发动机测控系统提供反馈, 以保证CARS测量系统与超燃冲压发动机测控系统间的同步.
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| 图 2 CARS测温装置示意图 Fig.2 Schematic diagram of CARS experimental setup |
CARS温度测量标定平台如图 3所示, 利用McKenna平面火焰炉结合稳焰器来产生具有稳定结构的层流火焰, 并且在平面火焰炉外围通氮气以稳定中心流场, 防止火焰外围与空气反应而干扰火焰状态影响测量结果.利用移测装置可以调整光路位置从而实现不同火焰位置的温度测量.
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| 图 3 CARS测温标定平台 Fig.3 Temperature calibration system for CARS |
实测CARS信号除受到温度的影响外还受到激光器线宽、探测系统展宽及实验环境的影响, 拟合实测光谱和理论光谱时须综合考虑激光线形及光谱探测系统对CARS信号的展宽作用、理论计算与实测CARS信号波长的误差以及光栅色散对不同波长的非线性效应, 因此须选择合适的多参数拟合算法, 选取合适的目标函数, 实现理论CARS光谱和实测CARS信号的有效拟合, 最终得到可信的温度测量结果.本文基于CARS理论, 开发了CARS计算程序CARSCF, 其程序算法流程如图 4所示.
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| 图 4 CARS光谱计算与拟合程序流程图 Fig.4 Flow diagram of CARS spectrum calculation and fitting program |
为了验证本文算法用于燃烧流场温度测量的可行性, 利用McKenna平面火焰炉在不同工况下开展了温度测量实验, 测量位置位于平面火焰炉上方15 mm处, 并利用本文开发的CARS计算和拟合程序对测量结果进行拟合. 图 5给出了CH4和air流量分别在1.100 L/min和15.00 L/min下的实测光谱及拟合结果, 拟合结果为1 731 K.
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| 图 5 CH4/air火焰实测CARS光谱及拟合结果(T=1 731 K) Fig.5 Measurement of CARS spectrum and corresponding fitting result of CH4/air flame(T=1 731 K) |
不同工况下的CH4和空气当量比及测量结果如表 1所示, ϕ代表当量比, Tref表示DLR对CH4/air火焰1 200次测量统计结果[13], Tm表示本文20次测量结果平均值及标准差.由表 1可知, 本文测量结果的标准差与平均值的比值的最大值为2.13%, 表明本文测量结果具有很好的重复性, |Tm-Tref/Tref|的计算结果最大值为4.75%, 表明本文测量结果与DLR的测量结果一致, 具有很好的准确性.
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下载CSV 表 1 不同测量工况下的测试条件工况 Tab.1 Test conditions for different cases |
本文开发的CARS计算和拟合程序CARSCF标定结果如图 6所示, 其中横坐标为参考值(DLR的测量结果), 纵坐标CARDC代表本文的测量结果, 图中直线(y=x)用于表征测量结果与参考值(DLR测量结果)间的一致性, 图中数据点越靠近直线代表测量结果与参考值越接近.由图可见, 测量值与参考值间具有较好的一致性, 而二者间的微小差别则可能来源于测量误差及实验条件的差异.
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| 图 6 平面火焰炉标定结果 Fig.6 CARS calibration results of McKenna burner |
利用本文搭建的CARS测试系统及开发的CARS计算和拟合程序CARSCF, 在中国空气动力研究与发展中心某脉冲型燃烧风洞[17]开展了温度测量试验, 风洞运行时间约为450 ms, 流量1~3 kg/s.试验模型如图 7所示, 该直连式模型全长约1.1 m, 入口面积为30 mm×150 mm, 隔离段全长300 mm, 凹槽深11 mm, 长深比为11. H2燃料的喷注位置位于凹槽内, 距离凹槽前台阶15 mm.实验测量点距离凹槽前台阶10.8 cm, 距离凹槽上壁面14 mm.
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| 图 7 直连式发动机模型 Fig.7 Diagram of scramjet model |
来流Mach数为3时超燃冲压发动机H2点火过程中相机所拍摄的火焰自发光成像如图 8所示.根据火焰自发光成像结果可知, 伴随着超燃冲压发动机的点火, 燃烧室内出现较大的火焰结构并伴随强烈的自发光, 随后火焰宽度逐渐减小, 自发光强度逐渐降低, 但火焰长度变化不大, 经过约400 ms后火焰形貌和自发光消失, 试验结束.
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| 图 8 超燃冲压发动机点火过程中火焰自发光成像结果(测量点距离凹槽前台阶10.8 cm, 距离凹槽上壁面14 mm) Fig.8 Illumination of scramjet ignition process(the measuring point is 10.8 cm from the front step of the tunnel slots and 14 mm from the upper wall of the tunnel slots) |
试验测量了来流Mach数为3时超燃冲压发动机H2点火过程中的燃烧室温度, 测量位置如图 8所示, 实测光谱及拟合结果如图 9所示, 温度拟合结果为1 511 K.
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| 图 9 超燃冲压发动机点火过程实测CARS光谱及拟合结果(T=1 511 K) Fig.9 Measurement of CARS spectrum and corresponding fitting result of scramjet ignition process (T=1 511 K) |
整个点火过程中的温度变化趋势如图 10所示, 其中入口压力为H2/air混合气体进入燃烧室前测控系统所测得的压力, H2压力为喷嘴处的压力.由图可知, 点火前由于燃烧室内处于负压, N2浓度低, CARS信号弱, 随着H2/air混合气体的注入, 燃烧室内气体浓度上升, CARS信号增强, 但温度基本保持不变; 当点火后温度急剧上升, 导致跃迁能级高低能态上的布居数之差迅速降低, CARS信号随之急剧下降, 整个过程持续约400 ms; 点火过程结束, 由于后续来流空气温度较低, 在燃烧室内与高温气体混合后导致燃烧室内温度逐渐降低, CARS信号逐渐上升.对比图 8中的火焰自发光成像结果, CARS信号与拟合温度在试验过程中的变化趋势与火焰自发光成像结果具有很好的一致性.
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| 图 10 超燃冲压发动机H2点火过程温度CARS测量结果 Fig.10 CARS temperature measurement results of H2 flame at scramjet ignition process |
CARS技术作为一种非接触测量手段, 已广泛应用于多种发动机模型燃烧室温度测量及地面试验.然而, 目前的工作主要集中在稳态燃烧场温度的测量, 缺乏用高分辨率的单脉冲来测量瞬变的燃烧火焰温度及组分浓度的研究.本文基于CARS理论, 开发了灵活性和兼容性较好的CARS光谱计算和拟合程序, 利用平面火焰炉在不同工况下进行了重复性和准确性验证, 获得了与DLR一致的结果.在来流Mach数为3的条件下, 利用本文搭建的CARS测试系统及开发的CARS计算和拟合程序CARSCF在某脉冲型超燃台架上, 测量了H2/air点火过程中的CARS光谱, 获取了点火过程中的温度, 结果显示温度呈现急剧上升然后缓慢下降, 而CARS信号则呈现急剧上升然后急剧下降随后又缓慢上升的趋势, 并且在点火过程中最高温度为1 511 K.本文的结果表明了CARS技术用于瞬态流场、点火过程等环境参数跨度范围较大的温度测量的可行性, 对开展发动机极端条件下的流场温度测量以及发动机的研制具有重要的意义.
致谢 本研究得到了国家自然科学基金(91641118)的资助, 在此表示感谢.| [1] |
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