基于发射光谱自吸收机理的高温气体参数诊断方法

The optical emission spectrum (OES) is becoming a research hotspot in the combustion and plasma as its main advantages of unnecessary invasion, low cost and easy implement. However, the traditional OES always ignores the effect of self-absorption, and the deduced rotational temperature of excited state cannot represent the unknown classical thermodynamic temperature in many cases. Therefore, in this research, an emission-absorption coupling model, which can be used in the combustion after the shock wave, large chambers and some other large scale working conditions, is developed based on the effect of self-absorption. In this model the rotational temperatures of the excited and ground states and the species concentrations are contained through the emission and absorption processes. Then a real-time measurement method for gas temperatures and concentrations are developed based on the simulated OH and CH self-absorbed spectra. At last, the method is verified with the elevated temperature experiments in a shock tube. The method is expected to achieve the synchronized accurate measurement of classical thermodynamic temperature and species concentrations. This research will provide new measurement method and experimental support for the diagnostics of gas parameters in combustion, plasmas and some other high temperature working conditions.

发射光谱因其非接触、低成本、易操作等优点成为燃烧、等离子体等高温领域的研究热点，但目前分子发射光谱研究普遍忽略了自吸收效应，通过其确定的激发态转动温度在很多工况下不能表征待测对象的经典热力学温度。申请拟基于分子发射光谱自吸收机理，结合发射和吸收光谱理论，通过网格化计算推导出适用于燃气锅炉、发动机燃烧室、激波波后等大尺度工况，含有激发态转动温度、基态转动温度（与经典热力学温度相等）和粒子浓度信息的发射-吸收耦合模型；进而根据该模型计算OH和CH自由基自吸收光谱，建立一种基于分子发射光谱自吸收机理的气体温度和浓度在线测量理论和方法；随后通过激波管模拟多种高温环境对理论研究成果进行实验验证和优化。预期研究成果不仅可以比较精确地获得待测对象的经典热力学温度，而且还可以实现OH等粒子浓度的同步测量，从而为燃烧、等离子体等领域高温气体参数诊断和相关理论研究提供新的测试手段和实验支持。

发射光谱具有非接触式测量、设备简单、光学限制低等优势，在等离子体、碳氢燃料燃烧等高温气体参数诊断中具有广阔的应用前景。但该方法由于非平衡和自吸收的干扰，无法得到待测对象的准确热力学温度，也无法进行浓度测量，主要用于定性表征燃烧强度。为此，本项目针对自吸收现象进行一系列研究，建立了包含自由基的基态转动温度、粒子数浓度等信息的非平衡发射-自吸收耦合模型，提出了利用发射光谱进行温度和浓度准确定量测量的方法，并进行了理论与实验研究，主要内容如下：.①在已开发的点发射-自吸收模型基础上，基于爱因斯坦辐射理论和辐射传递理论，分析了发射光谱与自吸收在空间上的耦合机理，并采用双 Boltzmann 分布描述激发态中强烈的非平衡现象，建立起符合实际应用工况的非平衡发射-自吸收光谱计算模型。.②在RF放电等离子体中使用该模型对OH基态温度和浓度进行测量，通过实验验证了该模型。随后应用该模型在甲烷/空气稳态预混火焰中进行了OH、CH、C2*自由基的发射光谱实验，测得的温度与OH浓度均与直接吸收实验结果相吻合，验证了发射光谱方法在燃烧环境中的准确性。.③搭建准备了激波管测量系统，对碳氢燃料进行了点火延迟时间测量（基于压力和化学发光信号）和时间分辨的CO2浓度测量（基于TDLAS方法），验证了利用激波管模拟高温燃烧环境的能力。之后通过EMCCD高速采集功能测量了点火过程中的OH和CH发射光谱动态演变过程，利用组份光谱特征排除了其它光谱干扰得到了CH*等激发态自由基相对浓度的演变过程，相比于传统方法对燃烧过程进行了更准确的识别和研究。.本项目研究了发射光谱中的非平衡和自吸收现象的理论原理，据此建立了使用发射光谱进行定量测量的方法，可以实现火焰温度和OH等粒子浓度的同步测量，拓展了发射光谱方法的测量能力和使用范围，为燃烧、等离子体等领域高温气体参数诊断和相关理论研究提供新的测试手段和实验支持。