波長掃描直接吸收光譜法燃燒診斷技術適用情況討論

楊 斌, 潘科瑋, 楊薈楠, 黃 斌, 劉佩進

(1.上海理工大學上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室,上海 200093;2.上海航天動力技術研究所,上海 201109;3.西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室,西安 710072)

波長掃描直接吸收光譜法燃燒診斷技術適用情況討論

楊 斌1,3, 潘科瑋2, 楊薈楠1, 黃 斌3, 劉佩進3

(1.上海理工大學上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室,上海 200093;2.上海航天動力技術研究所,上海 201109;3.西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室,西安 710072)

針對波長掃描直接吸收光譜法(SDAS)在燃燒診斷應用中受溫度與壓強等參數影響的問題,采用光譜仿真計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光譜數據庫,對不同溫度和壓強下分子吸收光譜影響因素進行分析.根據目前二極管激光器調制范圍一般在2 cm-1以內,得到了燃燒診斷應用中SDAS技術適用的一般原則,并對適用范圍的拓展提出了建議.

燃燒診斷技術是揭示燃燒機理和認識燃燒過程的重要工具之一[1-3].可調諧二極管激光器吸收光譜技術(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)對于碳氫燃料燃燒環境下的氣體參數測量極具優勢,可實現諸如溫度、組分濃度、速度及流量等多參數在線測量,并且具有高靈敏度、高光譜分辨率、快時間響應、高可靠性及非接觸等特點[4-5].由于系統實現和處理方法簡單,波長掃描直接吸收光譜法(scanned-wavelength direct absorption spectroscopy, SDAS)是TDLAS技術應用最為廣泛的技術之一[6-9].但是,在燃燒診斷應用中,由于分子吸收光譜峰值、線寬等參數受到溫度、壓強等參數影響,要獲得準確、完整的吸收光譜,對波長掃描范圍有一定要求,然而目前TDLAS技術廣泛采用的通信用二極管激光器調制范圍一般在2 cm-1以內,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光譜數據庫,編寫分子吸收光譜仿真程序,開展不同溫度、壓強下分子吸收光譜影響因素分析.根據目前二極管激光器調制范圍一般在2 cm-1以內,討論燃燒診斷應用中SDAS技術適用情況,以此為TDLAS技術燃燒診斷應用提供參考.

1 基本原理

TDLAS技術是將激光波長調制到特定組分吸收頻域,通過測量激光束經待測區域內某一特定波長范圍內的衰減程度,實現氣態流場參數測量的一種燃燒診斷技術,其基本原理為Beer-Lambert定律.如圖1所示,半導體激光器產生激光,光強為I0,激光通過待測氣體后由光電探測器接收,透射光強為It,激光頻率為v,單位為cm-1.當激光頻率v與氣體吸收組分躍遷頻率相同時,激光能量被吸收.

圖1 TDLAS技術原理示意圖Fig.1 Schematic of TDLAS

定義傳播分數Tv,入射光強與透射光強滿足Beer-Lambert定律.

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

式中,h為Planck常數;c為真空中光速;k為Boltzmann常數;E″為低能級能量;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.

2 分子吸收光譜仿真計算

為了深入理解分子吸收光譜與溫度、壓強等參數的關系,有必要對分子吸收光譜開展系統的理論分析,分子吸收光譜仿真計算必可不少.本文基于HITRAN數據庫,編寫分子吸收光譜仿真程序,開展分子吸收光譜影響參數分析.

HITRAN光譜數據庫是由空軍劍橋研究實驗室(Air Force Cambridge Research Laboratories,AFCRL)在20世紀60年代針對大氣分子躍遷而創建,歷經50余年的發展,目前已成為可見光和紅外區域大氣分子光譜定量的重要工具.數據庫匯編了眾多小分子光譜參數的實驗測量、理論計算和預估結果,包括譜線中心、譜線強度、低能級能量、空氣加寬系數、自加寬系數及溫度指數等重要光譜參數[10].由于HITRAN光譜數據庫壓強單位統一采用標準大氣壓(atm)(1 atm=101 325 Pa),為了同國際慣例一致,本文壓強單位統一采用標準大氣壓(atm).

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

3 分子吸收光譜影響參數分析

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p影響較為復雜,本文以常用于燃燒診斷應用的H2O分子7 185.597 cm-1譜線為例,開展詳細的分子吸收光譜參數影響分析,其中,H2O組分濃度取10%.

3.1 溫度參數

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

3.2 壓強參數

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

圖2 譜線強度、線型函數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 線型函數與吸收光譜隨壓強的變化情況Fig.3 Lineshape function and molecular absorption spectrum at different pressure

4 SDAS技術適用情況討論

能否有效獲得吸收光譜是SDAS技術的關鍵.溫度對吸收光譜影響主要體現在峰值的變化,而壓強對吸收光譜的影響非常大.由于目前半導體激光器調制范圍在2 cm-1以內,因此,SDAS技術就有一定的適用范圍,現將壓強分為幾個范圍進行討論.

4.1 低壓(p≤1 atm)

如圖4所示,在壓強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制進行該范圍吸收光譜的掃描,此時SDAS技術完全適用,即使有鄰近譜線的干擾,只要譜線強度大小差別較大,SDAS技術仍然能夠通過多峰函數擬合實現有效分辨,從而準確獲得確定譜線的吸收光譜.

4.2 較高壓強(1 atm＜p≤3 atm)

如圖5所示,在壓強p＞1 atm情況下,譜線由于壓強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制范圍,因此,認為當1 atm＜p≤3 atm時,SDAS技術仍然適用.但壓強越大,對激光器調制范圍的要求越高,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,利用SDAS技術獲取吸收光譜的準確度會降低,此時,應對吸收光譜進行一定的修正.

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

4.3 高壓(p＞3 atm)

如圖5所示,當壓強p＞3 atm時,吸收光譜線寬繼續增大,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, SDAS技術不再適用.

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

5 進一步拓寬壓強適用范圍的建議

本文是基于常用作燃燒診斷的H2O分子7 185.597 cm-1譜線進行分析,以通常激光器調制范圍2 cm-1作為SDAS技術適用條件,討論得到SDAS技術適用原則.目前來說,該討論是具有代表性的.但進一步來說,若能選取更為孤立的譜線,隨著壓強增大,鄰近譜線的干擾將進一步減弱,這對拓寬SDAS技術壓強適用范圍具有積極意義.此外,隨著激光器的進一步發展,調制范圍也能進一步加寬,這也能擴寬SDAS技術壓強適用范圍.

與其它技術相比,SDAS技術具有系統實現與處理方法簡單等優點,是TDLAS技術優先考慮的技術,但是,由于燃燒環境下分子吸收光譜受壓強影響較大,因此,存在一定的壓強適用范圍,這是本文研究的出發點.但對于SDAS技術無法實現的更高壓強范圍,可利用固定波長直接吸收光譜技術(fixwavelength direct absorption spectroscopy,FDAS)和二次諧波調制光譜技術(wavelength modulation spectroscopy with the second harmonic detection, WMS-2f)[11].由于FDAS技術將激光固定調制在譜線中心處,僅需測量該波長下激光的衰減程度實現參數測量,無需獲得整個光譜形狀,不受壓強影響;而WMS-2f技術利用譜線中心處2f信號高度開展參數測量,同樣不需要獲得整個光譜2f信號,不受壓強增大造成光譜線寬加寬影響,因此,這兩種方法為TDLAS技術對高壓流場參數的測量提供可能.

6 結 論

基于HITRAN光譜數據庫,通過開展不同溫度和壓強下分子吸收光譜的仿真計算,討論SDAS燃燒診斷技術適用情況,得到如下結論:

a.開展溫度和壓強參數對吸收光譜的影響分析發現,溫度對譜線強度影響較大,且譜線強度決定吸收光譜吸收率峰值的大小;壓強對線型函數影響較大,譜線線寬增大,鄰近譜線疊加嚴重.

b.根據壓強對吸收光譜影響的特點,結合SDAS技術適用條件(通常激光器調制范圍2 cm-1),確定在低壓情況(p≤1 atm)下,SDAS技術完全適用;在較高壓強(1＜p≤3 atm)下,利用SDAS技術需通過理論分析進行測量結果修正;而對于高壓(p＞3 atm)情況,SDAS技術不再適用.

c.譜線的優化與激光器調制范圍的進一步加寬都能拓寬SDAS技術的壓強適用范圍,而對于SDAS技術無法實現的更高壓強范圍,可利用FDAS技術和WMS-2f技術.

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(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

可調諧二極管激光器吸收光譜技術;波長掃描法;波長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

國家自然科學基金資助項目(51306123);教育部博士點基金聯合資助項目(20133120120008);上海市科委科研計劃項目(13DZ2260900)

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

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