用于超声速燃烧诊断的多波长吸收光谱断层测量技术

超声速燃烧作为超燃冲压发动机的基础，已成为目前各航空航天大国争相研究的热点。而高温高速条件下测量技术的欠缺限制了超燃实验研究的高速发展。在各种非接触测量手段中，可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)以其定量准确、高重复频率和结构较简单等优点，成为国际上用于超燃诊断的最有效光谱诊断技术之一。然而沿光程的积分吸收测量决定了其低空间分辨率，如何提高TDLAS的空间分辨能力成为吸收技术发展的重要方向。本项目就针对这点开展研究，计划将同光路多频测量和断层重建术两种方法结合起来。充分利用同光路多吸收谱线的易于实现、对不同温度敏感等特性，再结合基于重建判据的优化迭代重建算法，用尽可能少的吸收光路(最多20路)和吸收波长(最多10个)，完成一套具有中等空间分辨能力(小于5mm)的TDLAS断层测量系统。应用于超燃燃烧室内高温高速气流诊断，实现高重复频率(千赫兹)下，气流静温和水蒸气浓度的截面分布测量。

可调谐二极管吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)已成为高速气流中燃烧诊断的重要测量手段之一。提高TDLAS 的空间分辨能力成为吸收技术发展的重要方向。本项目就针对这点开展研究，实现了全部研究计划要点，取得了如下研究结果：.(1) 利用双线TDLAS系统和位移机构，利用吸收波长为7185.6 cm-1 和7444.3 cm-1 双线，扫描测量截面，获得了燃烧室入口、燃烧室内和燃烧室出口的气流静温、速度和水蒸气浓度的高度分布，得到了燃烧室内和出口气流马赫数分布，鉴别燃烧模态，计算了发动机燃烧效率。.(2) 设计基于6 平行光束-旋转测量的新型TDLAT系统，吸收波长为7185.6 cm-1 和7444.3 cm-1 双线，采用分时-直接吸收探测策略。重建中，使用代数重建算法(ART)，先分别反演计算两吸收线的吸收率和吸收比分布，再获得温度和浓度分布。利用该系统，在CH4/Air 预混平面燃烧炉上开展初步验证试验。结果表明，TDLAT 系统可以反演出温度和浓度分布特征，反演的温度分布结果与热电偶测量值吻合较好。.(3) 结合多光谱拓扑重建技术(Hyperspectroscopy Tomography,HT)设计了一套基于6X6 正交光束的TDLAS-HT 系统，使用四条水蒸气吸收谱线： 7185.6cm-1、7444.3cm-1、6807.8cm-1 和7466.3cm-1。重建中，使用模拟退火算法(SA)，以温度T 水蒸气分压PX 为变量，直接重构温度、浓度的二维分布。利用该新型系统，在2.5kHz 的测量频率下，在CH4/Air 预混平面燃烧炉上开展初步验证试验。结果表明，TDLAS-HT 能够捕捉到平面炉点火瞬间的火焰传播动态过程。.(4)利用TDLAS-HT系统(4个波长，16(8X8)光束，测量频率2.5kHz)，实现了超燃直连台燃烧室出口测量，获得了静温和水蒸气分压的二维分布动态数据。记录了H2和C2H4燃料点火过程的气流参数变化。测量结果为超燃燃烧室设计提供重要数据依据。