超声速非均匀流场TDLAT精细化测量研究

Nonlinear and underdetermined characteristics of tunable diode laser absorption tomography technique (TDLAT), complexities of supersonic combustion and limited projection render that TDLAT cannot effectively resolve the supersonic non-uniform parameters. Considering this, An investigation of modeling the supersonic non-uniform flow and a refined TDLAT measurement technique is proposed in this project. First, computational fluid dynamics (CFD) is used to simulate the supersonic non-uniform flow. Then, characteristics of the simulated data are extracted and analyzed using data mining method， and a mathematical model of the flow parameters is established and trained. Besides, through analyzing the influence of the high-pressure on the spectroscopic absorption, parameters of the TDLAT system are optimized. Based on this, a single /multiple species mathematical model based on the trained function and the TDLAT data are investigated, and an optimization algorithm on the basis of maximum-likelihood is developed to resolve this model to obtain refined supersonic flow parameters. Through this project, refined supersonic non-uniform flow parameters can be obtained, which is able to guide the calculation of the combustion efficiency and the design of scramjets.

激光吸收光谱断层诊断技术（TDLAT）的非线性和欠定性、超声速非均匀流场的复杂性以及空间光谱投影受限，使得传统TDLAT解算算法不能有效的求解超声速非均匀流场参数。基于此，本研究提出基于数值仿真计算和TDLAT技术相结合的超声速非均匀流场参数精细化测量算法。首先，利用数值计算开展超声速非均匀流场数值仿真，提取数值计算的流场参数的特征开展数据挖掘及其数理模型建立和训练。其次，通过分析高压环境对超声速流场吸收光谱的影响，开展超声速非均匀流场测量的TDLAT系统参数优化。在此基础上，通过建立基于训练模型和TDLAT技术的单组分参数测量模型，开展多组分流场参数测量研究，以最大似然估计算法为牵引开展超声速非均匀流场参数单组分、多组分的精细化计算。通过本项目的研究，可以为超声速非均匀流场提供精细化流场参数，进而为超声速燃烧的效率计算和超燃冲压发动机的优化设计提供指导。

激光吸收光谱断层诊断技术（TDLAT）的非线性和欠定性、超声速非均匀流场的复杂性以及空间光谱投影受限，使得传统TDLAT解算算法不能有效的求解超声速非均匀流场参数。基于此，本研究提出基于数值仿真计算和TDLAT技术相结合的超声速非均匀流场参数精细化测量算法。.在第一方面研究内容中，利用AHL3D软件对标准HiFiRE2发动机构型开展了数值仿真，验证了CFD计算的可靠性和有效性；基于CFD数值仿真流场建立了先验模型，提出了一种基于TDLAT激光吸收光谱线强非线性拟合和CFD先验模型的稀疏TDLAT测量布局的非均匀流场二维重构算法。.在第二方面研究内容中，对高压环境非均匀流场，分析研究了波长调制法各谐波信号与待测流场压强、气体组分和温度的变化关系；分析研究了低态能级、中心频率等参数对激光谱线线强的影响，建立了吸收光谱线强拟合系数矩阵，获得了谱线最优光谱组合；基于先验流场的混合高斯密度函数分析研究了TDLAT不同光路数量的影响；开展了基于先验模型的稀疏TDLAT测量数值仿真研究，优化了先验模型权重因子，验证了结合线强非线性拟合方法和先验模型可以获得流场参数精细化二维分布，仿真研究结果显示重构精度优于2%。.在第三方面研究内容中，开展了模拟马赫数6.0来流发动机不同工况的数值仿真和直连式试验。冷流、当量比0.6、0.8和1.0工况的CFD数值仿真壁面压力与试验测量壁面压力符合较好；开展了当量比0.6工况的5×11光路布局的TDLAT测量，结合先验模型获得了超声速非均匀流场温度和H2O分压的精细化流场分布，与数值仿真结果相比相对误差在5%以内。.在第四方面研究内容中，获得了发动机在煤油喷注条件下燃烧室出口数值仿真流场，筛选了吸收谱线，获得了H2O和CO2双组分的稀疏TDLAT光路布局的超声速非均匀流场二维重构流场，验证了引入不同组分的光谱数量，可以进一步提高TDLAT重构精度。.通过上述研究，项目完成了研究计划内容，达到了预期目标，该研究对超燃冲压发动机设计和性能评估具有广阔应用前景。