吸收光谱技术在复杂流场诊断中的应用研究

论文摘要

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术可实现对流场温度、组分浓度、流速等多种流场参数的同时测量。该技术以其非接触、灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点被广泛应用于流场诊断之中。针对非均匀流场,该技术可与计算机层析成像技术相结合,实现对复杂非均匀流场的二维层析式诊断测量。本文深入研究了可调谐二极管激光吸收光谱技术在高速、燃烧等复杂流场诊断中的应用:开展了水蒸气非平衡凝结的吸收光谱实验研究,分析了不同膨胀时间尺度和水蒸气含量下的凝结过程;通过数值仿真研究了二维层析重建算法,并利用平面燃烧流场温度及水蒸气浓度二维分布重建测量实验验证了重建算法的有效性。主要研究结果如下:(1)利用TDLAS技术对高速膨胀流场中水蒸气非平衡凝结进行了实验研究。实验中,提出了一种创新高效的实验方法,设计了一套便捷的膨胀实验系统,实验系统中集成了TDLAS以及片光测量系统。利用两条近红外水蒸气以及一条甲烷吸收谱线,分别研究了不同膨胀时间尺度和不同初始水蒸气含量情况下水蒸气非平衡凝结过程。片光测量结果直观展示了水蒸气的非平衡凝结过程,TDLAS技术则定量跟踪测量了凝结过程中流场温度及水蒸气浓度的变化过程,两种测量方法得到的实验现象相同。利用计算流体动力学(CFD)仿真验证了 TDLAS测量的可靠性,同时分析了测量光路上流场分布不均匀性对TDLAS测量结果的影响。(2)实现了两类典型重建算法:代数迭代重建算法(ART)和模拟退火算法(SA),通过数值仿真研究了影响两种算法重建精确度的主要因素以及两种算法对测量噪声的耐受性。定量仿真研究了TDLAS测量中的测量噪声,分析了直接吸收光谱(DAS)和波长调制光谱(WMS)方法对噪声的抑制机制。实现了基于波长调制光谱方法的线性二维层析算法,并研究了不同测量噪声情况下基于波长调制光谱方法以及基于直接吸收光谱方法的二维层析算法重建效果,结果直观揭示了基于波长调制光谱方法的二维层析算法对测量噪声的显著抑制作用。进一步,通过仿真研究了有限射线布置情况下,线性及非线性算法对复杂分布流场的重建效果,结果表明在有限射线布置下非线性算法重建效果更好。(3)搭建了平面燃烧流场温度及水蒸气浓度二维重建测量实验系统。选择波长为1392nm和1395nm附近两条水蒸气吸收谱线,实现了不同燃烧状态下燃烧流场温度及水蒸气浓度的基于直接吸收光谱方法的二维重建测量,并通过热电偶测量结果分析了不同燃烧状态下温度分布二维重建测量精度,结果表明,两种燃烧状态下温度分布重建的最大误差均小于10%。通过改变射线布置方式,研究了射线布置对重建精度的影响,实验结果与仿真结果规律一致。提出了一种用于波长调制光谱的流场参数求解方法,设计室温标定实验验证了该参数求解方法的可行性。实现了基于波长调制光谱方法的二维燃烧流场重建测量,使用该方法获得的温度二维分布结果与热电偶测量的最大误差为5.9%,结果表明,相同燃烧状态下基于波长调制光谱方法的温度二维重建结果明显优于基于直接吸收光谱方法的二维重建结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 复杂流场诊断中的光谱学方法
•   1.3 吸收光谱一维流场诊断研究现状
•   1.4 吸收光谱复杂流场层析式诊断研究现状
•   1.5 本文主要研究内容
•   参考文献
• 第2章 吸收光谱技术及其二维重建测量原理
•   2.1 吸收光谱技术基本理论
•     2.1.1 BEER-LAMBERT定律
•     2.1.2 吸收谱线线型函数
•   2.2 吸收光谱技术测量原理
•     2.2.1 直接吸收光谱
•       2.2.1.1 直接吸收光谱基本理论
•       2.2.1.2 直接吸收光谱法测量原理
•     2.2.2 波长调制光谱
•       2.2.2.1 波长调制光谱基本理论
•       2.2.2.2 波长调制光谱法测量原理
•   2.3 基于TDLAS的二维重建测量原理
•     2.3.1 二维重建基本理论
•     2.3.2 二维重建算法
•       2.3.2.1 代数迭代重建（ART）算法
•       2.3.2.2 模拟退火（SA）算法
•   2.4 小结
•   参考文献
• 第3章 基于TDLAS技术的水蒸气非平衡凝结研究
•   3.1 水蒸气非平衡凝结
•   3.2 吸收谱线选择
•     3.2.1 吸收谱线选择规则
•     3.2.2 所选吸收谱线参数
•   3.3 基于TDLAS的高速膨胀流场水蒸气非平衡凝结实验研究
•     3.3.1 “空间转时间”的实验方法
•     3.3.2 实验系统
•     3.3.3 CFD数值计算模型
•   3.4 结果与分析
•     3.4.1 验证实验
•     3.4.2 初始水蒸气8.77%不同膨胀时间尺度下TDLAS结果
•     3.4.3 初始水蒸气4.58%不同膨胀时间尺度下TDLAS结果
•     3.4.4 总结与讨论
•       3.4.4.1 实验现象总结
•       3.4.4.2 沿测量路径流场参数不均匀性分析
•   3.5 小结
•   参考文献
• 第4章 基于TDLAS的二维重建算法研究
•   4.1 重建模型
•     4.1.1 温度场分布模型
•     4.1.2 射线布置方式
•     4.1.3 吸收谱线选择
•   4.2 射线布置及吸收谱线数目对不同算法重建精度影响
•     4.2.1 ART算法仿真结果
•     4.2.2 SA算法仿真结果
•   4.3 测量噪声对重建精度的影响
•     4.3.1 TDLAS测量中的测量噪声
•     4.3.2 测量噪声对ART算法及SA算法重建精度的影响
•     4.3.3 基于WMS方法的二维重建方法对噪声的抑制作用
•   4.4 复杂温度场下不同重建算法对重建精度的影响
•   4.5 小结
•   参考文献
• 第5章 燃烧流场二维重建测量实验研究
•   5.1 实验系统设计
•     5.1.1 硬件部分
•       5.1.1.1 测量装置及实验系统
•       5.1.1.2 网格划分及射线布置模型
•     5.1.2 软件部分
•   5.2 吸收谱线选择
•   5.3 基于直接吸收光谱的二维燃烧场重建测量实验研究
•     5.3.1 不同燃烧状态下燃烧场重建测量结果
•     5.3.2 射线布置对重建结果的影响
•   5.4 基于波长调制光谱的二维燃烧场重建测量实验研究
•     5.4.1 基于WMS的“双线相交”流场参数求解方法
•       5.4.1.1 “双线相交”流场参数求解方法原理
•       5.4.1.2 室温标定实验
•     5.4.2 基于WMS的燃烧流场二维重建测量
•   5.5 小结
•   参考文献
• 第6章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 论文主要创新点
•   6.3 待研究内容及展望
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 彭冬

导师: 翟超,金熠

关键词: 可调谐二极管激光吸收光谱,高速膨胀流场,水蒸气非平衡凝结,计算机层析重建算法,燃烧流场二维诊断

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O433.51;O657.3

总页数: 132

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