波長(zhǎng)掃描直接吸收光譜法燃燒診斷技術(shù)適用情況討論

楊 斌, 潘科瑋, 楊薈楠, 黃 斌, 劉佩進(jìn)

(1.上海理工大學(xué)上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093;2.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所,上海 201109;3.西北工業(yè)大學(xué)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072)

波長(zhǎng)掃描直接吸收光譜法燃燒診斷技術(shù)適用情況討論

楊 斌1,3, 潘科瑋2, 楊薈楠1, 黃 斌3, 劉佩進(jìn)3

(1.上海理工大學(xué)上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093;2.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所,上海 201109;3.西北工業(yè)大學(xué)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072)

針對(duì)波長(zhǎng)掃描直接吸收光譜法(SDAS)在燃燒診斷應(yīng)用中受溫度與壓強(qiáng)等參數(shù)影響的問題,采用光譜仿真計(jì)算討論該方法的適用情況,以常用的H2O分子7 185.597 cm-1譜線為例,基于HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫,對(duì)不同溫度和壓強(qiáng)下分子吸收光譜影響因素進(jìn)行分析.根據(jù)目前二極管激光器調(diào)制范圍一般在2 cm-1以內(nèi),得到了燃燒診斷應(yīng)用中SDAS技術(shù)適用的一般原則,并對(duì)適用范圍的拓展提出了建議.

燃燒診斷技術(shù)是揭示燃燒機(jī)理和認(rèn)識(shí)燃燒過程的重要工具之一[1-3].可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)對(duì)于碳?xì)淙剂先紵h(huán)境下的氣體參數(shù)測(cè)量極具優(yōu)勢(shì),可實(shí)現(xiàn)諸如溫度、組分濃度、速度及流量等多參數(shù)在線測(cè)量,并且具有高靈敏度、高光譜分辨率、快時(shí)間響應(yīng)、高可靠性及非接觸等特點(diǎn)[4-5].由于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和處理方法簡(jiǎn)單,波長(zhǎng)掃描直接吸收光譜法(scanned-wavelength direct absorption spectroscopy, SDAS)是TDLAS技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一[6-9].但是,在燃燒診斷應(yīng)用中,由于分子吸收光譜峰值、線寬等參數(shù)受到溫度、壓強(qiáng)等參數(shù)影響,要獲得準(zhǔn)確、完整的吸收光譜,對(duì)波長(zhǎng)掃描范圍有一定要求,然而目前TDLAS技術(shù)廣泛采用的通信用二極管激光器調(diào)制范圍一般在2 cm-1以內(nèi),因此, SDAS方法具有一定的局限性.但其具體適用范圍并未見有文獻(xiàn)討論,因此,本文以常用的H2O分子7 185.597 cm-1譜線為例,基于HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫,編寫分子吸收光譜仿真程序,開展不同溫度、壓強(qiáng)下分子吸收光譜影響因素分析.根據(jù)目前二極管激光器調(diào)制范圍一般在2 cm-1以內(nèi),討論燃燒診斷應(yīng)用中SDAS技術(shù)適用情況,以此為TDLAS技術(shù)燃燒診斷應(yīng)用提供參考.

1 基本原理

TDLAS技術(shù)是將激光波長(zhǎng)調(diào)制到特定組分吸收頻域,通過測(cè)量激光束經(jīng)待測(cè)區(qū)域內(nèi)某一特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的衰減程度,實(shí)現(xiàn)氣態(tài)流場(chǎng)參數(shù)測(cè)量的一種燃燒診斷技術(shù),其基本原理為Beer-Lambert定律.如圖1所示,半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光,光強(qiáng)為I0,激光通過待測(cè)氣體后由光電探測(cè)器接收,透射光強(qiáng)為It,激光頻率為v,單位為cm-1.當(dāng)激光頻率v與氣體吸收組分躍遷頻率相同時(shí),激光能量被吸收.

圖1 TDLAS技術(shù)原理示意圖Fig.1 Schematic of TDLAS

定義傳播分?jǐn)?shù)Tv,入射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)滿足Beer-Lambert定律.

式中,kv為光譜吸收系數(shù);L為激光光程;(kvL)為光譜吸收率αv;p為壓強(qiáng);Xabs為吸收組分摩爾濃度;Φ為線型函數(shù)(在燃燒場(chǎng)條件下通常采用Voigt線型函數(shù)描述);S(T)為譜線強(qiáng)度,是溫度T的函數(shù).

式中,h為Planck常數(shù);c為真空中光速;k為Boltzmann常數(shù);E″為低能級(jí)能量;T0為參考溫度; v0為譜線中心頻率;Q(T)為吸收組分配分函數(shù).

2 分子吸收光譜仿真計(jì)算

為了深入理解分子吸收光譜與溫度、壓強(qiáng)等參數(shù)的關(guān)系,有必要對(duì)分子吸收光譜開展系統(tǒng)的理論分析,分子吸收光譜仿真計(jì)算必可不少.本文基于HITRAN數(shù)據(jù)庫,編寫分子吸收光譜仿真程序,開展分子吸收光譜影響參數(shù)分析.

HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫是由空軍劍橋研究實(shí)驗(yàn)室(Air Force Cambridge Research Laboratories,AFCRL)在20世紀(jì)60年代針對(duì)大氣分子躍遷而創(chuàng)建,歷經(jīng)50余年的發(fā)展,目前已成為可見光和紅外區(qū)域大氣分子光譜定量的重要工具.數(shù)據(jù)庫匯編了眾多小分子光譜參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量、理論計(jì)算和預(yù)估結(jié)果,包括譜線中心、譜線強(qiáng)度、低能級(jí)能量、空氣加寬系數(shù)、自加寬系數(shù)及溫度指數(shù)等重要光譜參數(shù)[10].由于HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫壓強(qiáng)單位統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)(1 atm=101 325 Pa),為了同國際慣例一致,本文壓強(qiáng)單位統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm).

本文基于Matlab軟件編寫了分子吸收光譜仿真計(jì)算程序,包括線型函數(shù)計(jì)算、譜線強(qiáng)度計(jì)算和分子吸收光譜仿真計(jì)算模塊,該程序是本文開展SDAS技術(shù)適用情況討論的理論工具.

3 分子吸收光譜影響參數(shù)分析

由Beer-Lambert定律(式(1))可知,吸收光譜與光程、組分濃度成正比,而受溫度T和壓強(qiáng)p影響較為復(fù)雜,本文以常用于燃燒診斷應(yīng)用的H2O分子7 185.597 cm-1譜線為例,開展詳細(xì)的分子吸收光譜參數(shù)影響分析,其中,H2O組分濃度取10%.

3.1 溫度參數(shù)

由于吸收光譜是譜線強(qiáng)度與線型函數(shù)等的乘積,溫度對(duì)分子吸收光譜的影響可分解為對(duì)譜線強(qiáng)度與線型函數(shù)的影響.壓強(qiáng)p=1 atm情況下,計(jì)算不同溫度(296,600,1 000,1 500,2 000 K)下H2O分子譜線強(qiáng)度隨溫度T的變化情況、線型函數(shù)與吸收光譜隨波長(zhǎng)λ的變化情況,如圖2所示.隨著溫度的升高,譜線強(qiáng)度先增大,在580 K左右達(dá)到最大值后降低.而對(duì)于線型函數(shù)來說,溫度的變化對(duì)其影響不大.因此,壓強(qiáng)等其它參數(shù)相同,吸收光譜吸收率峰值隨溫度的變化趨勢(shì)與譜線強(qiáng)度一致,吸收率峰值隨溫度的升高先增大,在580 K左右達(dá)到最大值后降低.此外,由圖2(c)可以看出,吸收光譜的線寬隨溫度變化不大,這便是實(shí)現(xiàn)SDAS技術(shù)的基礎(chǔ).

3.2 壓強(qiáng)參數(shù)

壓強(qiáng)對(duì)分子吸收光譜的影響主要是對(duì)線型函數(shù)的影響,在溫度T=1 000 K情況下,開展不同壓強(qiáng)(0.5,1,2,5,10 atm)下H2O分子線型函數(shù)與吸收光譜計(jì)算,如圖3所示(見下頁).隨著壓強(qiáng)的升高,線型函數(shù)的峰值減小,線寬增大,這是因?yàn)閴簭?qiáng)增大造成碰撞加寬增大,線型函數(shù)寬度增大,而面積積分不變,因此,峰值隨之降低.對(duì)于吸收光譜來說,壓強(qiáng)升高導(dǎo)致線寬增大的同時(shí),還會(huì)造成碰撞漂移,并且漂移量與壓強(qiáng)成正比.從圖2(b)可以看出,吸收光譜隨壓強(qiáng)的升高變化十分劇烈,當(dāng)p=1 atm時(shí),吸收光譜頻率跨度1 cm-1左右,當(dāng)p=5 atm時(shí),吸收光譜兩翼已無法達(dá)到零值,即無零吸收翼,因此,無法再通過SDAS技術(shù)獲得該譜線完整的吸收光譜.

圖2 譜線強(qiáng)度、線型函數(shù)與吸收光譜隨溫度的變化情況Fig.2 Line strength,lineshape function and molecular absorption spectrum at different temperature

圖3 線型函數(shù)與吸收光譜隨壓強(qiáng)的變化情況Fig.3 Lineshape function and molecular absorption spectrum at different pressure

4 SDAS技術(shù)適用情況討論

能否有效獲得吸收光譜是SDAS技術(shù)的關(guān)鍵.溫度對(duì)吸收光譜影響主要體現(xiàn)在峰值的變化,而壓強(qiáng)對(duì)吸收光譜的影響非常大.由于目前半導(dǎo)體激光器調(diào)制范圍在2 cm-1以內(nèi),因此,SDAS技術(shù)就有一定的適用范圍,現(xiàn)將壓強(qiáng)分為幾個(gè)范圍進(jìn)行討論.

4.1 低壓(p≤1 atm)

如圖4所示,在壓強(qiáng)p≤1 atm情況下,零吸收翼間距小于1.1 cm-1,而二極管激光器通常都能通過電流調(diào)制進(jìn)行該范圍吸收光譜的掃描,此時(shí)SDAS技術(shù)完全適用,即使有鄰近譜線的干擾,只要譜線強(qiáng)度大小差別較大,SDAS技術(shù)仍然能夠通過多峰函數(shù)擬合實(shí)現(xiàn)有效分辨,從而準(zhǔn)確獲得確定譜線的吸收光譜.

4.2 較高壓強(qiáng)(1 atm＜p≤3 atm)

如圖5所示,在壓強(qiáng)p＞1 atm情況下,譜線由于壓強(qiáng)的增大使得碰撞加寬增大,光譜整體上移,零吸收翼逐漸消失.以p=3 atm為例,零吸收翼間隔為2 cm-1,正好為二極管激光器調(diào)制范圍,因此,認(rèn)為當(dāng)1 atm＜p≤3 atm時(shí),SDAS技術(shù)仍然適用.但壓強(qiáng)越大,對(duì)激光器調(diào)制范圍的要求越高,并且由于鄰近譜線光譜疊加,零吸收翼的范圍越來越小,此時(shí),利用SDAS技術(shù)獲取吸收光譜的準(zhǔn)確度會(huì)降低,此時(shí),應(yīng)對(duì)吸收光譜進(jìn)行一定的修正.

圖4 較低壓強(qiáng)下吸收光譜Fig.4 Molecular absorption spectrum at lower pressure

4.3 高壓(p＞3 atm)

如圖5所示,當(dāng)壓強(qiáng)p＞3 atm時(shí),吸收光譜線寬繼續(xù)增大,零吸收翼間距大于2 cm-1,超出二極管激光器通常的調(diào)制范圍,并且由于鄰近譜線的疊加,吸收光譜甚至不存在有效的零吸收翼,此時(shí), SDAS技術(shù)不再適用.

圖5 較高壓強(qiáng)下吸收光譜Fig.5 Molecular absorption spectrum at higher pressure

5 進(jìn)一步拓寬壓強(qiáng)適用范圍的建議

本文是基于常用作燃燒診斷的H2O分子7 185.597 cm-1譜線進(jìn)行分析,以通常激光器調(diào)制范圍2 cm-1作為SDAS技術(shù)適用條件,討論得到SDAS技術(shù)適用原則.目前來說,該討論是具有代表性的.但進(jìn)一步來說,若能選取更為孤立的譜線,隨著壓強(qiáng)增大,鄰近譜線的干擾將進(jìn)一步減弱,這對(duì)拓寬SDAS技術(shù)壓強(qiáng)適用范圍具有積極意義.此外,隨著激光器的進(jìn)一步發(fā)展,調(diào)制范圍也能進(jìn)一步加寬,這也能擴(kuò)寬SDAS技術(shù)壓強(qiáng)適用范圍.

與其它技術(shù)相比,SDAS技術(shù)具有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與處理方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),是TDLAS技術(shù)優(yōu)先考慮的技術(shù),但是,由于燃燒環(huán)境下分子吸收光譜受壓強(qiáng)影響較大,因此,存在一定的壓強(qiáng)適用范圍,這是本文研究的出發(fā)點(diǎn).但對(duì)于SDAS技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的更高壓強(qiáng)范圍,可利用固定波長(zhǎng)直接吸收光譜技術(shù)(fixwavelength direct absorption spectroscopy,FDAS)和二次諧波調(diào)制光譜技術(shù)(wavelength modulation spectroscopy with the second harmonic detection, WMS-2f)[11].由于FDAS技術(shù)將激光固定調(diào)制在譜線中心處,僅需測(cè)量該波長(zhǎng)下激光的衰減程度實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量,無需獲得整個(gè)光譜形狀,不受壓強(qiáng)影響;而WMS-2f技術(shù)利用譜線中心處2f信號(hào)高度開展參數(shù)測(cè)量,同樣不需要獲得整個(gè)光譜2f信號(hào),不受壓強(qiáng)增大造成光譜線寬加寬影響,因此,這兩種方法為TDLAS技術(shù)對(duì)高壓流場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量提供可能.

6 結(jié) 論

基于HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫,通過開展不同溫度和壓強(qiáng)下分子吸收光譜的仿真計(jì)算,討論SDAS燃燒診斷技術(shù)適用情況,得到如下結(jié)論:

a.開展溫度和壓強(qiáng)參數(shù)對(duì)吸收光譜的影響分析發(fā)現(xiàn),溫度對(duì)譜線強(qiáng)度影響較大,且譜線強(qiáng)度決定吸收光譜吸收率峰值的大小;壓強(qiáng)對(duì)線型函數(shù)影響較大,譜線線寬增大,鄰近譜線疊加嚴(yán)重.

b.根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)吸收光譜影響的特點(diǎn),結(jié)合SDAS技術(shù)適用條件(通常激光器調(diào)制范圍2 cm-1),確定在低壓情況(p≤1 atm)下,SDAS技術(shù)完全適用;在較高壓強(qiáng)(1＜p≤3 atm)下,利用SDAS技術(shù)需通過理論分析進(jìn)行測(cè)量結(jié)果修正;而對(duì)于高壓(p＞3 atm)情況,SDAS技術(shù)不再適用.

c.譜線的優(yōu)化與激光器調(diào)制范圍的進(jìn)一步加寬都能拓寬SDAS技術(shù)的壓強(qiáng)適用范圍,而對(duì)于SDAS技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的更高壓強(qiáng)范圍,可利用FDAS技術(shù)和WMS-2f技術(shù).

[1] Soid SN,Zainal ZA.Spray and combustion characterization for internal combustion engines using optical measuring technique—A review[J].Energy,2011,36(2):724-741.

[2] Candel S,Durox D,Schuller T,et al.Advances in combustion and propulsion applications[J].European Journal of Mechanics-B/Fluids,2013,40(7/8): 87-106.

[3] 王美清,郁鴻凌,陳夢(mèng)潔,等.城市污水污泥熱解和燃燒的實(shí)驗(yàn)研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014,36(2): 185-188.

[4] Hanson R K.Applications of quantitative laser sensors to kinetics,propulsion and practical energy systems [J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33 (1):1-40.

[5] 洪延姬.燃燒場(chǎng)吸收光譜診斷技術(shù)研究進(jìn)展[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2014,28(3):12-25.

[6] Baer D S,Nagali V,Furlong E R,et al.Scanned-and fixed-wavelength absorption diagnostics for combustion measurements using multiplexed diode lasers[J].AIAA Journal,1996,34(3):489-493.

[7] 許振宇,劉文清,劉建國,等.基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜的溫度測(cè)量方法研究[J].物理學(xué)報(bào), 2012,61(23):232-239.

[8] 李飛,余西龍,陳立紅,等.TDLAS測(cè)量甲烷/空氣預(yù)混平面火焰溫度和H2O濃度[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2009,23(2):40-44.

[9] 陶波,胡志云,張立榮,等.基于激光吸收光譜技術(shù)在線測(cè)量燃燒場(chǎng)溫度研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào), 2010,5(6):438-444.

[10] Rothman L S,Gordon I E,Barbe A,et al.The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2009,110(9/10):533-572.

[11] Zhou X.Diode laser absorption sensors for combustion control[D].California:Stanford University,2005.

(編輯:石 瑛)

Application Conditions of Scanned-Wavelength Direct Absorption Spectroscopy for Combustion Diagnostics

YANGBin1,3, PANKewei2, YANGHuinan1, HUANGBin3, LIUPeijin3
(1.Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai Space Propulsion Technology Research Institute, Shanghai 201109,China;3.Science and Technology on Combustion,Internal Flow and Thermal-Structure Laboratory,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

For understanding the influences of temperature and pressure on combustion diagnostics by the scanned-wavelength direct absorption spectroscopy(SDAS),the molecular absorption spectrum simulation method was used to discuss the application conditions.Based on HITRAN database,taking 7 185.597 cm-1water-vapor line as an example,the influence factors were analyzed at different temperature and pressure.Considering the modulation range of diode laser is about 2 cm-1at present,the application criterions of SDAS for combustion diagnostics were discussed and summarized,and the suggestions which broaden the application range were presented.

tunable diode laser absorption spectroscopy;scanned-wavelength method; scanned-wavelength direct absorption spectroscopy;combustion diagnostic

可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜技術(shù);波長(zhǎng)掃描法;波長(zhǎng)掃描直接吸收光譜法;燃燒診斷

TK 31

A

1007-6735(2015)05-0445-05

10.13255/j.cnki.jusst.2015.05.006

2014-07-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51306123);教育部博士點(diǎn)基金聯(lián)合資助項(xiàng)目(20133120120008);上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(13DZ2260900)

楊 斌(1985-),男,講師.研究方向:燃燒與多相流在線測(cè)量方法.E-mail:yangbin@usst.edu.cn

楊薈楠(1983-),女,講師.研究方向:激光光譜測(cè)量方法.E-mail:yanghuinan@usst.edu.cn