[发明专利]基于调制光谱实现非均匀燃烧场气体参数定量测量的方法

说明书

本发明基于调制光谱技术，提供了一种实现非均匀燃烧场气体参数定量测量的方法，该方法包括波长调制光谱测量步骤、波长调制光谱拟合步骤、非均匀流场中气体参数计算步骤。其具体内容是选择在被测温度范围内线强度随温度线性变化的吸收谱线；通过实验测得透射光强信号，获得实验测得的谐波信号；以积分吸光度、高斯线宽和洛伦兹线宽为自由变量，基于最小二乘方法拟合谱线的谐波信号；计算非均匀燃烧场中的气体参数。

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，是针对非均匀燃烧场气体参数定量测量开发的一种方法。

背景技术

针对燃烧场开始研究时，大部分的燃烧场都是非均匀的，非均匀流场中气体参数的定量测量对于分析燃烧效率以及研究燃烧过程具有十分重要的意义。热电偶、压力传感器等常用的测量手段具有明显的局限性，如侵入式测量干扰流场、容易产生激波、测量精度有限等。本发明涉及的波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy,WMS)技术属于光谱测量技术，能够在不干扰流场的情况下实现流场内气体参数的快速测量，在燃烧场诊断等领域具有广阔的应用前景。

WMS技术是利用吸收光谱信号实现气体参数的测量，在瞬态、强震动等恶劣环境中优势十分明显。利用WMS实现均匀燃烧场内气体参数的定量测量问题已经得到解决，但由于吸收光谱的光线积分效应，如何实现非均匀燃烧场内气体参数的定量测量成为了一个难题。

下述的文献也涉及到了燃烧场气体参数测量实现方法的相关内容。

1、美国斯坦福大学L.S.Chang,C.L.Strand等人(“Supersonic Mass-FluxMeasurements via Tunable Diode Laser Absorption and Nonuniform FlowModeling”，AIAA Journal,Vol.49,No.12,2011,pp.2783-2791.),发现了采用波长调制光谱测量时，边界层对测量结果影响很大，选择对边界层不敏感的谱线对，能够有效减少边界层的影响。

2、美国斯坦福大学Liu X，J.B.Jeffries等人(“Measurement of Non-uniformTemperature Distributions Using Line-of-Sight Absorption Spectroscopy”，AIAAJournal,Vol.45,No.2,2007,pp.411-419.),提出了采用多波长方法实现非均匀燃烧场气体参数的测量，研究了吸收谱线数目和温度区间长度对测量结果的影响。然而多波长方法的缺点十分明显，多波长方法主要有形状拟合法和温度分区法，形状拟合法需要根据经验预先给出流场内温度和组分浓度的分布形状，在实际中的应用十分有限而温度分区法只能获得温度和组分浓度沿光路的概率密度函数，无法获得在光路上的具体分布。

3、英国剑桥大学的Cai W和C.F.Kaminski等人(“Multiplexed absorptiontomography with calibration-free wavelength modulation spectroscopy”，AppliedPhysics Letters,No.104,2014,pp.154106.),提出了基于波长调制光谱方法实现非均匀流场区域的二维重建研究。该方法将吸收光谱技术与图像重建技术相结合，能够实现气体的温度和组分浓度的二维分布测量。这种方法需要大量的探测和接收装置，才能保证重建结果质量，对测量系统的硬件设备要求较高。另外该方法以基于搜索的重建算法为核心，通过大量的数值仿真过程，才能获得较好的重建结果，具有空间分辨率低、计算周期长等显著缺点。