【摘要】：可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對流場溫度、組分濃度、流速等多種流場參數(shù)的同時(shí)測量。該技術(shù)以其非接觸、靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于流場診斷之中。針對非均勻流場,該技術(shù)可與計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜非均勻流場的二維層析式診斷測量。本文深入研究了可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)在高速、燃燒等復(fù)雜流場診斷中的應(yīng)用:開展了水蒸氣非平衡凝結(jié)的吸收光譜實(shí)驗(yàn)研究,分析了不同膨脹時(shí)間尺度和水蒸氣含量下的凝結(jié)過程;通過數(shù)值仿真研究了二維層析重建算法,并利用平面燃燒流場溫度及水蒸氣濃度二維分布重建測量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了重建算法的有效性。主要研究結(jié)果如下:(1)利用TDLAS技術(shù)對高速膨脹流場中水蒸氣非平衡凝結(jié)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中,提出了一種創(chuàng)新高效的實(shí)驗(yàn)方法,設(shè)計(jì)了一套便捷的膨脹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中集成了TDLAS以及片光測量系統(tǒng)。利用兩條近紅外水蒸氣以及一條甲烷吸收譜線,分別研究了不同膨脹時(shí)間尺度和不同初始水蒸氣含量情況下水蒸氣非平衡凝結(jié)過程。片光測量結(jié)果直觀展示了水蒸氣的非平衡凝結(jié)過程,TDLAS技術(shù)則定量跟蹤測量了凝結(jié)過程中流場溫度及水蒸氣濃度的變化過程,兩種測量方法得到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相同。利用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)仿真驗(yàn)證了 TDLAS測量的可靠性,同時(shí)分析了測量光路上流場分布不均勻性對TDLAS測量結(jié)果的影響。(2)實(shí)現(xiàn)了兩類典型重建算法:代數(shù)迭代重建算法(ART)和模擬退火算法(SA),通過數(shù)值仿真研究了影響兩種算法重建精確度的主要因素以及兩種算法對測量噪聲的耐受性。定量仿真研究了TDLAS測量中的測量噪聲,分析了直接吸收光譜(DAS)和波長調(diào)制光譜(WMS)方法對噪聲的抑制機(jī)制。實(shí)現(xiàn)了基于波長調(diào)制光譜方法的線性二維層析算法,并研究了不同測量噪聲情況下基于波長調(diào)制光譜方法以及基于直接吸收光譜方法的二維層析算法重建效果,結(jié)果直觀揭示了基于波長調(diào)制光譜方法的二維層析算法對測量噪聲的顯著抑制作用。進(jìn)一步,通過仿真研究了有限射線布置情況下,線性及非線性算法對復(fù)雜分布流場的重建效果,結(jié)果表明在有限射線布置下非線性算法重建效果更好。(3)搭建了平面燃燒流場溫度及水蒸氣濃度二維重建測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。選擇波長為1392nm和1395nm附近兩條水蒸氣吸收譜線,實(shí)現(xiàn)了不同燃燒狀態(tài)下燃燒流場溫度及水蒸氣濃度的基于直接吸收光譜方法的二維重建測量,并通過熱電偶測量結(jié)果分析了不同燃燒狀態(tài)下溫度分布二維重建測量精度,結(jié)果表明,兩種燃燒狀態(tài)下溫度分布重建的最大誤差均小于10%。通過改變射線布置方式,研究了射線布置對重建精度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果規(guī)律一致。提出了一種用于波長調(diào)制光譜的流場參數(shù)求解方法,設(shè)計(jì)室溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該參數(shù)求解方法的可行性。實(shí)現(xiàn)了基于波長調(diào)制光譜方法的二維燃燒流場重建測量,使用該方法獲得的溫度二維分布結(jié)果與熱電偶測量的最大誤差為5.9%,結(jié)果表明,相同燃燒狀態(tài)下基于波長調(diào)制光譜方法的溫度二維重建結(jié)果明顯優(yōu)于基于直接吸收光譜方法的二維重建結(jié)果。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O433.51;O657.3
【圖文】：

圖１．２ＴＤＬＡＳ技術(shù)在超燃診斷中的應(yīng)用［５Ｉ］逡逑美國空軍研宄實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞防御科學(xué)技術(shù)委員會合作進(jìn)行的ＨＩＨＲＥ，ＴＤＬＡＳ技術(shù)被首次應(yīng)用于高超聲速飛行試驗(yàn)中［５２，５３］。在試驗(yàn)中，ＴＤＬ感器經(jīng)過集成后被安裝于載荷倉中如圖１．３所示，飛行試驗(yàn)中ＴＤＬＡＳ傳５逡逑

６００邋ＭＷ＾邋Ｉ邋＂ｐ＊？邐－＊－邋ＡＤＣｉ逡逑ＯｅＭＨ‘Ｓ邐Ａ——逡逑圖１．１邋ＴＤＬＡＳ技術(shù)在燃煤發(fā)電廠中的應(yīng)用ｌ５￣逡逑畫＾逡逑圖１．２ＴＤＬＡＳ技術(shù)在超燃診斷中的應(yīng)用［５Ｉ］逡逑在美國空軍研宄實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞防御科學(xué)技術(shù)委員會合作進(jìn)行的ＨＩＨＲＥ項(xiàng)目逡逑中，ＴＤＬＡＳ技術(shù)被首次應(yīng)用于高超聲速飛行試驗(yàn)中［５２，５３］。在試驗(yàn)中，ＴＤＬＡＳ逡逑傳感器經(jīng)過集成后被安裝于載荷倉中如圖１．３所示，飛行試驗(yàn)中ＴＤＬＡＳ傳感器逡逑５逡逑

ＴＤＬＡＳ技術(shù)在進(jìn)行吸收光譜信號分析時(shí)有兩種方式：直接吸收逡逑光譜法（ＤＡＳ）以及波長調(diào)制光譜法（ＷＭＳ）。其中直接吸收光譜法測量直接，逡逑能得到具體的吸收強(qiáng)度信息，且不需要提前標(biāo)定｜５４］，然而直接吸收光譜法在弱逡逑吸收環(huán)境下易受探測系統(tǒng)中存在的低頻噪聲影響，此外高壓環(huán)境下吸收譜線展寬逡逑增大會給基線擬合帶來較大誤差，同樣會降低測量的信噪比。而波長調(diào)制方法則逡逑因其高頻調(diào)制機(jī)制，可有效抑制測量中的低頻噪聲，因此在弱吸收條件下有較大逡逑優(yōu)勢。在早期使用的波長調(diào)制方法中，為了消除探測系統(tǒng)增益和平均激光強(qiáng)度的逡逑影響，需要在己知條件的流場環(huán)境下對ＷＭＳ信息進(jìn)行標(biāo)定，這在實(shí)際復(fù)雜流場逡逑診斷應(yīng)用中往往難以實(shí)現(xiàn)。為了解決該問題，一些學(xué)者提出了免標(biāo)定ＷＭＳ測量逡逑方法［５５，５６］，但上述方法只能在某些特定條件下才能使用，不具備普適性。此后，逡逑Ｈａｎｓｏｎ課題組的Ｌｉ以及Ｒｅｉｋｅｒ等人發(fā)展了包含二極管激光器特性的免標(biāo)定逡逑ＷＭＳ理論［５７＿５９］，該理論提出使用一次諧波信號（７／信號）對二次諧波信號（２／逡逑信號）進(jìn)行歸一化處理，歸一化處理后的二次諧波信號（記為２／／／／信號）不再逡逑與探測系統(tǒng)增益和平均激光強(qiáng)度相關(guān)，因此可通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比直接逡逑獲得氣體參數(shù)信息。上述免標(biāo)定ＷＭＳ方法，簡記為ＷＭＳ－２ｆ／ｌｆ方法，可以幾乎逡逑

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