可调谐半导体激光吸收光谱技术用于火焰中CO和H2O的浓度测量研究

论文摘要

燃烧是化学变化和物理变化耦合的复杂反应过程,CO和H2O作为重要的燃烧产物,研究其在火焰中的浓度分布情况可以为燃烧系统的优化控制和燃烧反应机理分析提供重要的数据支持。可调谐半导体激光吸收光谱技术作为一种非侵入式检测技术,具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等特点,将该技术应用于火焰中温度和浓度的测量,对燃烧火焰的机理研究及实际工程应用具有十分重要的意义。本文首先对主要的燃烧测量技术进行概述,重点介绍了可调谐半导体激光吸收光谱技术的研究背景和现状、基本原理以及相应测量技术。根据谱线选取原则,选取了7154 cm-1和7153 cm-1附近四根谱线用于H2O的温度和浓度测量,选取4343cm-1附近谱线用于CO浓度测量,借助高温管式炉验证了CO浓度测量准确性,结果显示,CO浓度（1%10%）的峰值测量误差小于8%。对不同当量比的甲烷和空气的平面火焰中CO和H2O的浓度以及温度进行测量,利用热电偶测温系统测量了平面火焰的温度分布,并验证了所选H2O谱线进行温度测量的可行性与准确性,其温度测量结果与热电偶测温结果的峰值误差小于5.3%。为进一步探究稀释剂对火焰气体组分和温度的影响,开展了CO2和N2稀释下的气体组分浓度测量,重点探究了CO2稀释对CO和H2O浓度的影响。最后对CO2稀释的反应机理进行探究,使用Chemkin软件包结合GRI 3.0反应机理对预混火焰进行化学动力学分析,分别对CO浓度、H2O浓度和火焰温度进行计算,并与实验值进行比较,浓度变化趋势基本一致,验证了反应机理与实验测量结果的可靠性。利用敏感性分析进一步从机理角度分析了CO2稀释对H2O和CO浓度影响的原因。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题背景及意义
•   1.2 燃烧测量技术概述
•     1.2.1 热电偶温度探针法
•     1.2.2 激光光谱学测量方法
•   1.3 可调谐半导体激光吸收光谱技术的研究现状
•   1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 可调谐半导体激光吸收光谱技术测量原理
•   2.1 分子吸收光谱
•     2.1.1 Beer-Lambert定律
•     2.1.2 谱线强度
•     2.1.3 分子吸收光谱的线型函数
•   2.2 可调谐半导体激光吸收光谱测量技术
•     2.2.1 扫描波长法直接吸收技术
•     2.2.2 固定波长法直接吸收技术
•     2.2.3 波长调制技术
•   2.3 吸收光谱技术的气体温度测量
•     2.3.1 高斯展宽法
•     2.3.2 双线比值法
•   2.4 本章小结
• 第三章 可调谐半导体激光吸收光谱技术测量方案设计与实验验证
•   3.1 引言
•   3.2 谱线选取与分析
•     3.2.1 谱线选取原则
•     3.2.2 CO吸收谱线的选取与模拟分析
• 2O谱线对的选取与模拟分析'>    3.2.3 H₂O谱线对的选取与模拟分析
•   3.3 激光器及控制装置
•     3.3.1 半导体激光器
•     3.3.2 信号发生器与激光控制器
•     3.3.3 激光器波长标定
•   3.4 信号采集与数据处理
•     3.4.1 探测器
•     3.4.2 信号采集
•     3.4.3 数据处理
•   3.5 高温环境下的CO浓度测量
•     3.5.1 高温气体浓度测量系统
•     3.5.2 实验工况设定
•     3.5.3 实验结果与分析
•   3.6 本章小结
• 2O和 CO浓度的测量'>第四章 火焰中温度、H₂O和 CO浓度的测量
•   4.1 引言
• 2O和 CO浓度测量'>  4.2 火焰中温度、H₂O和 CO浓度测量
•     4.2.1 火焰气体浓度和温度激光测量系统
•     4.2.2 火焰燃烧系统
•     4.2.3 热电偶温度测量系统
• 2O的浓度测量'>    4.2.4 甲烷/空气火焰中温度、CO和 H₂O的浓度测量
• 2 稀释对甲烷/空气火焰影响'>  4.3 CO₂稀释对甲烷/空气火焰影响
•   4.4 本章小结
• 第五章 火焰的化学动力学数值模拟与实验结果对比分析
•   5.1 引言
•   5.2 火焰的化学动力学数值模拟
•   5.3 模拟结果与实验结果对比分析
•   5.4 敏感性分析
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 本文创新点
•   6.3 研究展望
• 参考文献
• 作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张雅琪

导师: 王飞

关键词: 吸收光谱,半导体激光,温度测量,浓度测量,燃烧火焰

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,航空航天科学与工程,动力工程

单位: 浙江大学

分类号: O433.51;TK16

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.001924

总页数: 82

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