基于TDLAS技术对高温环境中CO气体参数的测量方法研究

摘要

航空发动机作为飞机的“心脏”，对安全飞行起着至关重要的作用，是国家科学技术水平、工业发展水平和国防综合实力的体现。航空发动机燃烧室的燃烧产物主要有CO、CO2、NO、NO2、H2O和残余空气以及固态细微颗粒。其中CO气体是反映燃烧特性的重要指示性气体。对燃烧室出口CO浓度分布的准确测量，是优化燃烧过程，提高燃烧效率的有效途径。同时，CO气体也是空气质量指数的主要评价因子之一。实现对工业生产过程中CO浓度的实时监测，有利于建立相应的监管方法和排放标准。可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术具有灵敏度高、精度高、响应速度快、非侵入性等优点，适用于痕量气体检测和燃烧过程诊断等领域。单光路TDLAS系统只能测量路径上气体参数的平均值，将TDLAS技术与计算机断层诊断(Computed Tomography，CT)技术相结合，可以实现燃烧场气体参数分布的测量。本文基于TDLAS技术，展开了对高温环境中CO气体参数的测量方法研究。主要工作与创新点有:
　　1、筛选出适用于测量燃烧火焰中CO浓度的吸收谱线，搭建了三段式高温管式炉测量系统，通过实验验证了免标定波长调制法测量CO浓度的准确性。根据选线原则，在CO气体的第一泛频带选择了孤立的吸收谱线4297.7046cm-1(R(10))，通过仿真定量分析了温度、压强对CO浓度测量的影响。分析了O2、H2O、CO2气体对CO谱线碰撞展宽和谐波峰值高度的影响。在773K～1473K的温度范围，测量了不同浓度的CO标准气体，实验结果与设定值吻合良好，相对误差小于2.0％。
　　2、为了消除气体压强不确定性对组分浓度测量的影响，提出了一种气体压强和组分浓度同时测量的方法。通过理论分析和数值仿真，发现了CO吸收谱线的二次谐波中间峰值与旁瓣峰值的比值随压强线性变化的关系。结合免标定波长调制方法，实现了气体压强和组分浓度的同时测量。实验结果表明:气体压强和CO浓度的测量值与设定值基本符合，相对误差分别小于2.4％和1.9％。
　　3、提出了适用于弱吸收情况下非均匀流场浓度分布重建的方法，实现了对航空发动机燃烧室出口CO浓度分布的测量。基于弱吸收情况下谱线中心处一次谐波归一化二次谐波信号的幅值(Sv02f/1f)具有可叠加性的特点，利用谱线R(10)的吸收信号结合代数迭代重建算法(Algebraic Reconstruction Technique，ART)对CO浓度分布进行重建。在正交和多角度两种光线布置方式下，展开了对CO浓度分布重建的仿真研究，将重建结果与设定分布的模型对比，验证了重建算法的可行性。系统地分析了路径矩阵误差和测量值随机噪声对重建结果的影响。通过热电偶和燃气分析仪测量了燃烧室出口不同位置的温度和CO浓度，验证了发动机燃烧的稳定性。根据现场环境，使用工业机器人搭建了多角度光线测量系统，实现了对航空发动机燃烧室出口CO浓度分布的测量。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 气体检测技术的发展现状

1．2．1 非光谱法

1．2．2 光谱法

1．3 激光吸收光谱技术的发展与研究现状

1．3．1 激光吸收光谱技术的发展

1．3．2 国内外研究应用现状

1．4 本文主要研究内容及章节安排

第二章 气体吸收光谱测量原理

2．1 激光吸收光谱的基本定律

2．2 吸收谱线的线型函数

2．3 激光吸收光谱的典型测量方法

2．3．1 直接吸收光谱法

2．3．2 波长调制光谱法

2．4 本章小结

第三章 基于免标定波长调制法测量高温C0浓度

3．1 CO谱线筛选

3．2 基于峰值点的免标定波长调制方法

3．3 频率响应特性测量

3．4 高温环境中CO浓度的测量

3．4．1 实验设备

3．4．2 实验结果与分析

3．5 温度对CO浓度测量的影响

3．6 压强对CO浓度测量的影响

3．7 燃烧产物中其它组分对CO浓度测量的影响

3．8 本章小结

第四章 气体压强和CO浓度的测量研究

4．1 基本原理

4．2 数值仿真

4．3 实验结果与分析

4．4 本章小结

第五章 航空发动机燃烧室出口CO浓度分布重建的研究

5．1 基本原理

5．1．1 谱线中心处WMS-2f／1f幅值可叠加性验证

5．1．2 代数迭代重建算法

5．2 仿真验证

5．2．1 温度和浓度分布模型

5．2．2 浓度分布重建仿真

5．3 浓度分布重建的影响因素

5．3．1 路径矩阵误差

5．3．2 测量值随机噪声

5．4 测量方案

5．4．1 燃烧稳定性验证

5．4．2 现场光线布置

5．5 实验结果与分析

5．5．1 数据处理

5．5．2 误差分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的主要学术成果