中紅外吸收光譜測量激波風洞自由流中NO濃度和溫度

曾 徽, 余西龍, 李 飛, 張少華

(中國科學院力學研究所 高溫氣體動力學國家重點實驗室, 北京 100190)

中紅外吸收光譜測量激波風洞自由流中NO濃度和溫度

曾 徽*, 余西龍, 李 飛, 張少華

(中國科學院力學研究所 高溫氣體動力學國家重點實驗室, 北京 100190)

JF-10氫氧爆轟驅動激波風洞內的高焓自由來流氣體中含有因電離和離解等非平衡過程產生的微量組分。利用可調諧二極管激光吸收光譜技術(TDLAS)，對自由流中NO微量組分的濃度和溫度進行測量，有助于定量理解氣體電離和離解這一非平衡過程。本實驗中，JF-10氫氧爆轟驅動激波風洞實驗段內壓力為百帕量級，在譜線加寬中多普勒加寬占據主導，多普勒半高寬可由分子平均熱運動速度獲得，其半高寬與溫度的平方根成正比，因此選取一條吸收譜線并準確測定其多普勒半高寬即可得到溫度和濃度。本實驗中采用中紅外量子級聯激光器(Quantum Cascade Laser)，選取1909.7cm-1附近6條吸收線作為吸收線，在2kHz的掃描頻率下，采用直接吸收-波長掃描法進行NO溫度和濃度測量。實驗測得自由流中NO平均分壓約為0.33Pa，自由流平均溫度約為600K。

可調諧二極管激光吸收光譜;濃度;溫度;測量;激波風洞

0 引 言

高超聲速飛行器再入大氣層，與大氣發生強烈摩擦作用，使得飛行器周圍流場溫度劇烈升高，引起氣體部分電離和離解，此時飛行器周圍存在非平衡化學效應。利用JF-10高焓激波風洞，采用氫氧爆轟的驅動方式產生高焓、高速氣流，可以開展地面模擬實驗[1]。本實驗中，激波風洞來流速度很高，達到馬赫8，試驗段有效運行時間為毫秒量級，因此要求測量手段有非常高的時間響應，吸收光譜技術可滿足以上要求。同時，吸收光譜診斷技術具有非接觸式測量、對流場無干擾等優點，因此得到了越來越多的研究[2]。國外采用可調諧二極管激光吸收光譜技術(TDLAS)已經廣泛應用于激波管、激波風洞等大型風洞設備中溫度、組分濃度的定量測量, R.K.Hanson等人利用TDLAS對H2O、CO、CO2、CH4等多種燃燒組分的濃度和溫度進行了測量[3-8]，準確獲得燃燒組分濃度和氣流溫度，這對于了解高超聲速實驗中氣流狀態有重要意義。國內中國科學院力學研究所利用TDLAS測量了超燃直聯臺燃燒室入口氣流參數[9-10]，可作為評估燃燒效率以及安排釋熱分布的定量指標。近年來，TDLAS測量技術已經成為了國際上廣泛應用的燃燒測量手段。本文的工作基于航天工程需求，需要了解高超聲速飛行器再入大氣層中氣體電離和離解所產生微量組分的濃度。因此，本實驗采用中紅外量子級聯激光器，利用TDLAS診斷方法對JF-10高焓風洞地面模擬實驗中自由流NO微量組分的濃度和自由流溫度進行了測量。

1 試驗方法

1.1 基本原理

吸收光譜的基本理論已經得到了深入的研究[11-12]。其基本原理可以簡述為：一束頻率為ν的激光通過待測流場，前后光強發生變化，入射光強和出射光強滿足Beer-Lambert定律：

(1)

其中：I0為入射光強，I為出射光強，L表示吸收長度(cm)，kν為吸收系數。kν滿足：

(2)

(3)

P表示靜壓(atm)，X:NO組分分數，測量時用PX表示NO的分壓,濃度以分壓的形式表示；S(T)表示吸收譜線的線強度(cm-2·atm-1)；φ(ν)表示線型函數，與溫度和壓力有關，φ(ν)滿足∫φ(ν)dν=1。αν表示光譜吸收率。既然線型函數φ(ν)滿足積分為1，對公式(3)積分，可得積分吸收率A：

(4)

本實驗中試驗段壓力較低，試驗段氣流壓力百帕量級，氣流溫度在400～2500K區間變化，依據當前實驗條件計算，Lorentz半高寬僅為Gauss半高寬的0.5%～3.6%，加寬機制中多普勒加寬占據主導，如圖1所示。

圖1 高斯加寬和洛倫茲加寬隨溫度變化

因此，線型函數可以高斯線型函數表示：

(5)

其中：ΔνD是譜線半高寬，由于多普勒頻移，ΔνD可通過熱運動速度獲得：

(6)

ν0為吸收譜線中心頻率(cm-1)，T為溫度(K),M是吸收組分的摩爾質量(a.m.u)。由公式(6)可見，對單一組分的單一吸收線，溫度與多普勒半高寬之間滿足如下函數關系：

(7)

實驗時，選取1909.7cm-1附近6條吸收線，6條吸收線的參數見表1。從表1可以看到，6條吸收線之間非常接近，實驗條件下會相互疊加，計算得到6條相互疊加吸收線的半高寬與單條吸收線的半高寬之間只有2%的差異，帶來的測溫誤差為4%，且低能級能量和自加寬系數幾乎完全相同，可等效為1條吸收線，其吸收系數為6條吸收線系數的疊加。選取該吸收線，對激波風洞自由流和已知濃度(NO:1.05%,總壓：659Pa)和溫度(288K)的標準吸收池進行吸收測量。對吸收譜線進行高斯擬合，得到2組實驗中譜線的多普勒半高寬，結合自由流和吸收池的多普勒加寬之比與吸收池的溫度(288K),即可得到自由流的溫度。

表1 NO吸收線及其參數

濃度測量中采用與溫度測量同樣的辦法，高斯擬合后得到2組實驗的積分吸收率，由公式(4)可知：

(8)

Af,A分別表示自由流和吸收池的積分吸收率(積分面積)，譜線線強度S(T)是溫度的單值函數：

(9)

Q(T)是組分的配分函數，可用溫度的三次多項式表示。因此，確定溫度后即可得到線強度的值，最后得到NO的分壓。

1.2 實驗裝置

本實驗是在JF-10氫氧爆轟驅動激波風洞試驗段內完成，JF-10激波風洞的運行參數見文獻[1]。

圖2 JF-10激波風洞實驗布局

TDLAS測量系統主要包括：5.2μm中心波長量子級聯激光器和溫度控制器(ALPES)；電流控制器：ILXLigntwave, LDX-3232；信號發生器(Tektronix)；InGaAs紅外探測器(頻率響應為10MHz)；以及示波器(Tektronix，DPO4032)。激光器控制器通過改變溫度和電流來調節激光器的輸出波長和功率。本實驗中，激光器控制器的參數為：溫度-2.5℃，初始電流124.4mA，信號發生器產生鋸齒波信號輸入激光器控制器，改變電流對激光器輸出波長進行調諧。 5.2μm附近吸收光譜的計算可以通過HITRAN2008數據庫獲得[13]。溫度分別選用296和1000K,壓力p=1kPa ，吸收長度L=20cm，NO的濃度X=0.01 ,吸收譜線如圖4所示。

圖3 TDLAS測量系統示意圖

圖4 296K,1000K下譜線吸收率

2 實驗結果和分析

圖5是在激波風洞和吸收池中分別獲得的1909.7cm-1附近吸收譜線原始吸收信號。信號發生器的輸出頻率為2kHz，電壓為500mV的鋸齒波信號。示波器采樣頻率為10MHz。

圖6是通過Origin軟件手動處理后自由流中起動激波波后和有效運行時間內單個周期的吸收率和擬合曲線。圖6中起動激波波后和有效運行時間內峰值吸收率分別為1.5%和1%，信噪比不高，僅有2～3。不過，本實驗是通過積分吸收率獲得自由流定量參數，而多次實驗得到的原始吸收信號可以擬合得到穩定的Gauss曲線，能獲得較好重復性的積分吸收率，因此我們判斷此信噪比下獲得的實驗結果仍能較好地反映激波風洞自由流的真實情況。分析造成這種波動的主要原因，可以歸納為2點：(1)激波風洞尺度大，噪聲信號很難抑制；(2)自由流湍流脈動，氣流梯度引起光線偏折。實際上，這種波動很難避免，這也是TDLAS應用于大尺度、脈沖高超設備的通病。在實際數據處理中需要通過F-P腔進行標定，將時域坐標轉換為頻域坐標，如圖7(b)所示。圖8是自由流溫度和NO濃度(分壓)隨時間的變化趨勢，實線代表溫度和NO分壓的實際變化值，虛線代表4～26ms自由流平均溫度和NO平均分壓的走勢，圖8(b)給出了NO分壓的局部放大圖。從圖中可以看到，激波波后的溫度為2500K左右，激波過后，溫度迅速降低。4～26ms內自由流溫度在400～1000K之間波動，特別在11～20ms這段時間氣流平均溫度趨于穩定，維持在600K左右，之后氣流溫度逐步降低，可以判斷激波風洞自由流有效運行時間內氣流溫度值在600K左右。圖8(b)中NO分壓在起動激波到達時達到最大值，約為17Pa，之后迅速回落。從4～26ms內NO分壓的局部走勢圖可以看到，自由流中NO分壓逐漸降低，具體數值從1.08Pa降到0.03Pa。通過數據統計，此段時間內自由流中NO分壓平均值為0.37Pa。進一步分析可以得到在11～20ms氣流溫度較穩定的這段時間,NO分壓的平均值為0.33Pa。因此，氣流平均溫度600K和NO平均分壓0.33Pa可以表征激波風洞有效運行時間內自由流的參數。

圖5 原始吸收信號

圖6 JF-10實驗吸收率

圖7 吸收池內吸收率

圖8 自由流溫度和NO濃度

3 結 論

本實驗采用5.2μm中紅外量子級聯激光器，利用TDLAS測量方法對JF-10激波風洞自由流中NO濃度和氣流溫度進行了測量。實驗測量結果顯示：

(1) 溫度測量結果顯示自由流平均溫度在11～20ms時間內穩定在600K左右，之后逐漸降低，同時，實驗測得的激波波后溫度為2500K左右，低于實際溫度值，造成溫度值偏低的原因是因為吸收光譜測量獲得的溫度值是沿光程的線平均，激波風洞試驗段中貼近壁面的冷流區會拉低平均溫度值；

(2) NO濃度(分壓)測量結果顯示了激波風洞有效運行時間內NO微量組分的變化趨勢。自由流中NO分壓逐漸降低，從1.08Pa降低到0.03Pa,整段時間內NO分壓平均值為0.37Pa。同時，對應11～20ms自由流溫度較穩定這段時間內NO分壓平均值為0.33Pa。

本實驗的測量結果表明激波風洞有效運行時間內自由流參數可以用600K平均氣流溫度、NO平均分壓0.33Pa表征，實驗結果能反映激波風洞自由流的真實情況，顯示了中紅外TDLAS技術對此類高超設備氣流微量組分的測量能力以及應用前景。同時，從實驗結果來看，除了激波風洞氣流不均勻引起的湍流脈動，溫度和NO分壓測量值的脈動仍然較大，后續實驗可以采用波長調制吸收光譜方法，此方法可以進一步提高弱吸收測量的信噪比，從而使測量值波動得到降低。

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(編輯：張巧蕓)

Nitric oxide concentration and temperature measurement for shock tunnel free stream using mid-infrared absorption spectroscopy

Zeng Hui, Yu Xilong, Li Fei, Zhang Shaohua

(Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics, Institute of Mechanics, Chinese Acdemy of Sciences, Beijing 100190, China)

In this paper, JF-10 shock tunnel is driven by H2/O2detonation and the free-stream contains some trace components which are generated by non-equilibrium processes such as ionization and dissociation. Tunable diode absorption spectroscopy (TDLAS) is used for temperature and concentration measurement of nitric oxide in the free-stream and this quantitative measurement is helpful to understand the non-equilibrium processes. In the experiments, the test section’s static pressure of JF-10 shock tunnel is just several hPa. Thus, Doppler broadening dominates, which is caused by random thermal motion of the absorber species. The half width of Doppler broadening is temperature dependent and this functional relation provides a method for gas temperature and species concentration measurement. A mid-infrared quantum cascade laser of 5.2μm central wavelength is used and gas temperature and nitric oxide concentration are measured using a single line of 1909.7cm-1wavelength by direct absorption-wavelength scanning method under 2kHz scanning frequency. The measured partial pressure of nitric oxide is about 0.33Pa which represents its concentration and the temperature is about 600K in the free-stream.

TDLAS;concentration;temperature;measurement;shock tunnel

1672-9897(2015)02-0079-05

10.11729/syltlx20140044

2014-04-15;

2014-08-20

ZengH,YuXL,LiF,etal.Nitricoxideconcentrationandtemperaturemeasurementforshocktunnelfreestreamusingmid-infraredabsorptionspectroscopy.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(2): 79-83. 曾 徽, 余西龍, 李 飛, 等. 中紅外吸收光譜測量激波風洞自由流中NO濃度和溫度. 實驗流體力學, 2015, 29(2): 79-83.

V231.2

A

曾 徽(1989-)，男，湖南益陽人，博士研究生。研究方向：吸收光譜、發射光譜燃燒診斷。通信地址：北京市北四環西路15號中國科學院力學研究所(100190)。E-mail：zenghui@imech.ac.cn

*通信作者 E-mail: zenghui@imech.ac.cn