基于吸收光谱技术的高速燃烧环境燃气组分温度三维同时重建关键技术研究

The combustion flow field monitoring and efficiency increasing is the key technology for the development of supersonic engine in recent years. Because of limited information provided by line-of-sight absorption measurement or two-dimensional gas distribution reconstruction, the three-dimensional diagnosis is suggested to reconstruct the gas concentration and temperature distribution in high-velocity combustion by tunable diode laser absorption spectroscopy. At the request of transient conditions in combustion, the fixed optical paths design is studied with wavelength division multiplexing technology to increase the projections in the reconstruction system. The tunable diode laser absorption feature is analyzed in high-velocity combustion. Non-absorption attenuation in laser intensity is eliminated by the methods of fast wavelength scanning and wavelength modulation technology. A fiber coupled component is designed to reduce the effect on optical beam deflecting by mechanical vibration and density gradient in the combustion flow. The large nonlinear equation is solved by the development of global optimal iterative algorithm with auto-adjustment relaxation parameter. Projections dependence is weakened with the help of utilization of temperature sensitivity difference in linestrength of appropriate transitions. Two-line ratio method is used to simplify the nonlinear equation solving procedure and the three-dimensional reconstruction is improved by line-of-sight gas distribution research. The research would be useful for the design and performance improvement on supersonic engine to improve the research level of propulsion technology in the new generation.

高速流场内燃烧组织与效率提升等问题成为新型超音速发动机研发的关键。激光单光路测试与二维重建技术获取信息量有限，本项目提出了基于可调谐激光吸收光谱技术的三维燃烧诊断技术，研究高速燃烧环境燃气（CO、CO2等）浓度与温度三维同时耦合重建。针对于燃烧瞬态变化的特点，研究固定光路三维光学系统设计，利用波分复用技术增加光路投影数据；分析高速燃烧环境吸收光谱特性及影响因素，利用高频波长扫描与调制等技术消除光强非吸收性衰减；设计高效光路耦合系统以减少机械振动与燃气密度梯度光路偏转效应对激光耦合与光谱测量的影响。在此基础上研究大型非线性方程组全局最优自适应迭代算法，利用不同波长谱线强度的温度敏感性差异降低光路投影信息相关性，借助于双谱线比率温度算法简化方程组求解过程，结合最小二乘单光路气体分布结果修正三维重建图像。研究结果将为发动机结构设计与性能提升提供宝贵试验数据，提高我国在新一代推进技术中的研发水平。

高速流场内燃烧组织与效率提升是新型超音速发动机研发过程中的核心。在超音速、高压环境以及非均匀流动条件下进行可调谐半导体激光光谱测试面临诸多问题，同时单一光路测试方法获取信息量过少也影响了吸收光谱技术在发动机诊断方面的进一步应用。. 本项目针对基于可调谐激光吸收光谱技术的燃气分布重建与燃烧诊断技术，研究高速燃烧环境燃气浓度与温度三维同时耦合重建，解决可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于脉冲爆轰发动机燃烧诊断中的关键问题。提出了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的高速流动燃气组分温度分布重建算法，以及相应平滑性以及温度浓度优化正则化方法，实现了针对脉冲爆轰发动机的三维燃烧诊断；针对高压环境燃气诊断和波分复用激光吸收光谱测量环境，提出了基于光谱率和光强同步拟合的测量方法，解决了高压环境下光谱基线无法获取的难题；通过结合波分复用技术，解决了多波长测量过程中分光复杂的问题；针对于脉冲爆轰发动机工作过程，提出了基于吸收光谱技术的非接触式比冲测试方法，可实现对于爆轰过程推力变化特征的细致分析；针对于高速流动过程边界层对于速度测量的影响，提出了一种基于傅里叶变换和多普勒效应相结合的高速燃气流动速度分布重建算法，可实现对于边界层厚度、边界层和核心区速度同步重建，有效提升了发动机气体流动诊断精度；针对爆轰声波传播近远场判定问题，提出了基于激光吸收光谱温度修正的声波速度判定方法，确定了爆轰声波近远场分界点，为爆轰声波控制提供技术支撑；研制了一套基于多波长波分复用技术的光纤分布式激光吸收光谱测试系统，可实现对于脉冲爆轰发动机内燃气组分浓度、温度、速度、推力等多参数的同时测量。本项目研究研究结果将为发动机结构设计与性能提升提供宝贵试验数据，提高我国在新一代推进技术中的研发水平。