基于激光吸收光谱技术的脉冲爆轰发动机流场测试研究

摘要

脉冲爆轰发动机（Pulse Detonation Engine，简称PDE）作为一种基于爆轰燃烧的新概念推进系统，具有非常广泛的应用前景。目前针对PDE的理论与实验研究均得了很大的进展，但是实现其工程化应用还面临着很多难题和挑战。流场温度、速度及燃气组分浓度等参数的动态变化能够更加准确的描述PDE的整个工作过程，从而为PDE性能提升研究提供重要辅助作用。开展针对PDE流场参数的测试研究工作具有重要的工程应用价值。激光吸收光谱技术作为一种非接触式气体在线测试手段，凭借其独特的单谱线扫描方式、极快的响应速度与极高的环境适应性等优点，成为PDE流场参数的有效诊断技术。本文基于激光吸收光谱技术，针对无阀式气液两相PDE的管内外流场参数开展了测试研究，对PDE的工作过程、冲量特性及燃气温度组分分布进行了诊断分析，对多光路非均匀流场二维重建算法进行了仿真研究。主要内容如下:
　　(1)针对变压力环境下的吸收光谱特性进行了研究分析。在负压环境下对4388.77cm-1CO谱线进行了谱线参数标定，为PDE燃气组分CO测试研究提供更准确的谱线参数。以CO2为特征气体，对6330～6337cm-1波段谱线在高压环境下的吸收光谱加宽特性进行了仿真与实验研究。针对高压环境下吸收光谱严重加宽且基线上移从而导致吸收率计算误差加大的问题，提出了一种基于直接完整透射光的吸收率计算方法，从透射光信号中直接获取光谱吸收率、线宽及谱线中心波数等关键光谱参数，为激光吸收光谱技术应用于PDE工作过程中高压燃气喷射阶段的测试研究计算基础。
　　(2)根据双谱线测试原理设计搭建了基于波分复用技术的光纤分布式PDE管内燃气测试系统，实现了流场参数测试的远程控制，并对PDE的工作过程进行了诊断分析。采用7158.6/7444.35cm-1谱线对PDE管内流场燃气温度与H2O组分浓度进行了同步测试实验。创新性地利用PDE工作循环过程中吸收光谱峰值变化与激光信号强度变化两种方法对无阀式PDE填充进程完成所需时间进行判断，并以此判断填充系数对应点火时间间隔。对不同填充系数条件下的发动机爆轰效果进行测试研究，分析稳定爆轰形成所需填充系数条件。当前实验条件下，当填充系数大于或等于84％时PDE管内可形成稳定爆轰，而填充系数小于等于76％时PDE管内的燃烧方式为爆燃，并未形成稳定爆轰;对PDE工作过程中燃气温度及H2O气体浓度变化情况进行了同步监测，并对PDE从爆轰形成传播、高温高速燃气喷射、废气排放及燃料氧化剂填充的整个工作过程进行了分析研究;采用4338.77cm-1吸收谱线对不同工况下CO气体浓度的变化情况进行监测，研究不同燃料当量比对PDE工作过程的影响。在燃料当量比1.09～1.31范围内，当量比对PDE工作循环前期的爆轰形成传播及高温高速燃气排放阶段的影响要低于管内缓燃效应的影响。
　　(3)基于吸收光谱技术对PDE冲量特性进行了分析研究。根据双谱线测温法及多普勒测速法分别对PDE管口处燃气温度及速度开展了测试研究工作，根据动量原理计算燃气冲量，实现了PDE冲量的间接测量，获得了PDE单个工作循环过程中的燃气密度、冲量及排气质量等燃气排放参数的变化情况。当前实验条件下，单次爆轰循环过程中PDE产生的总冲量为1.87N·s，其中燃气动量贡献的部分占总冲量的69.7％。爆轰燃气动量对冲量的贡献在爆轰附着膨胀阶段、壅塞膨胀阶段、膨胀减弱阶段及缓燃阶段分别占总冲量的53.0％、27.8％、6.7％和12.5％，相应的燃气排放质量占总质量百分比分别为17％、29.6％、16％和37.4％，缓燃阶段所产生的冲量要远低于爆轰附着膨胀及壅塞膨胀阶段所产生的冲量。
　　(4)针对PDE管外流场边界不确定且实时变化的特点，引入单光路非均匀流场测试技术，对PDE管外非均匀流场燃气温度及H2O浓度分布情况进行了测试研究。采用CE/SE算法对PDE管外流场分布情况进行了数值仿真研究，并以此建立两段式矩形分布模型、考虑温度边界效应的梯形分布模型及高斯分布模型三种管外流场分布模型假设，并通过误差分析选取梯形分布模型开展PDE管外非均匀流场参数测试研究。基于单光路非均匀流场测试原理选取四条特征吸收谱线(7170.28cm-1、7170.28cm-1、7185.60cm-1和7444.35cm-1)，利用时分复用技术使选取的吸收谱线同时扫描PDE管外流场测试区域，并根据吸收谱线穿过测试区后的光谱吸收率建立非线性方程组，采用最小二乘计算方法进行求解，获得了不同测试点处燃气温度及H2O组分浓度在PDE单个工作循环过程中的参数变化情况。基于PDE管外温度场分布重建结果计算当地声速，提出利用声波与爆轰波在传播速度上的显著差异对PDE噪声近远场分界点进行判定的方法。
　　(5)针对PDE管外流场温度变化范围较广的测试条件，提出了应用于多光路吸收光谱二维流场重建中的自适应代数迭代重建算法(SAATA)，并通过多种投影重建仿真，对SAATA算法在燃烧场二维重建中的可行性进行了考察。SAATA算法具有较高的温度灵敏度，在300～3000K温度范围内均能较好地实现温度场与浓度场的重建;在温度变化平缓与陡峭两种情况下的流场重建中均能较准确地捕捉到流场形状、温度峰值位置与幅值等流场特征;SAATA算法对测量噪声灵敏度较低，在噪声等级0.1％～10％范围内均具有较好的算法稳定性。
　　本文基于激光吸收光谱技术对PDE流场进行了诊断研究，研究结果直观描述了PDE的整个工作过程。通过仿真对SAATA算法在PDE非均匀流场重建的可行性进行了理论研究，为PDE流场全方位诊断提供方案设计参考。本文研究对于推动激光吸收光谱技术在燃烧场诊断应用方面具有非常重要的理论意义与工程价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 脉冲爆轰发动机工作过程及研究进展

1．2．1 PDE结构及工作过程

1．2．2 PDE性能特点及应用前景

1．2．3 脉冲爆轰发动机国内外研究进展

1．3 激光吸收光谱流场测试技术

1．3．1 激光吸收光谱技术特点

1．3．2 激光吸收光谱测试系统

1．3．3 多谱线信号传输技术

1．3．4 激光吸收光谱测试技术应用领域

1．3．5 激光吸收光谱技术在燃烧场测试中的研究进展

1．4 论文主要研究内容

2 激光吸收光谱技术及变压力吸收光谱特性研究

2．1 激光吸收光谱流场测试技术

2．1．1 激光吸收光谱技术原理

2．1．2 激光吸收光谱技术谱线选择

2．1．3 激光吸收光谱技术浓度涮量下限

2．2 激光器输出特性研究

2．2．1 不同工作温度与电流条件下的激光器输出特性研究

2．2．2 激光器高频电流扫描条件下的输出特性研究

2．3 变压力环境下吸收光谱特性分析

2．3．1 负压环境下吸收光谱特性及谱线参数标定研究

2．3．2 高压吸收光谱特性研宄

2．3．3 基于直接拟合完整透射光的光谱吸收率计算方法研究

2．4 本章小结

3 基于激光吸收光谱技术的脉冲爆轰发动机工作过程诊断分析

3．1 研究意义

3．2 双谱线温度测试方法静态实验研究

3．3 PDE管内流场参数温度与H2O浓度同步在线测试研究

3．3．1 光纤分布式流场测试系统设计

3．3．2 PDE燃料填充过程吸收光谱诊断分析

3．3．3 PDE稳定爆轰形成所需填充系数研究

3．3．4 PDE管内流场温度爰H2O浓度测试研宄

3．4 PDE管内燃气组分CO测试研究

3．4．1 CO吸收谱线选择

3．4．2 PDE管内CO测试实验及燃料当量比对PDE爆轰过程的影响分析

3．5 本章小结

4 基于吸收光谱多普勒测速的脉冲爆轰发动机冲量特性研究

4．1 PDE冲量间接测量与吸收光谱多普勒测速原理

4．1．1 PDE冲量间接测量原理

4．1．2 吸收光谱多普勒测速原理

4．2 PDE管口燃气速度及温度在线测试

4．2．1 PDE管口燃气速度测试研究

4．2．2 PDE管口燃气温度测试研究

4．3 PDE工作过程冲量变化特性分析

4．3．1 PDE管口燃气密度变化

4．3．2 PDE冲量特性分析

4．4 本章小结

5 脉冲爆轰发动机管外非均匀流场组分温度测试研究

5．1 单光路非均匀流场测试技术

5．2 PDE管外流场分布模型及计算方法

5．2．1 时-空守恒元(CE／SE)算法

5．2．2 PDE管外流场分布模型

5．2．3 多谱线吸收光谱测试技术的谱线选择

5．2．4 非线性最小二乘算法及模型重建误差分析

5．3 基于多谱线吸收光谱的PDE管外温度组分同步测试研究

5．3．1 多谱线时分复用激光吸收光谱测试系统

5．3．2 PDE管外流场测试光谱信号分析

5．3．3 PDE管外流场温度及H2O浓度变化

5．3．4 PDE噪声近远场分界点判定研究

5．4 本章小结

6 自适应代数迭代重建算法在燃烧场二维重建中的仿真研究

6．1 流场二维分布代数迭代重建原理

6．2 基于自适应代数迭代的流场重建算法研究

6．2．1 自适应平滑准则

6．2．2 温度最优化与浓度最优化准则

6．2．3 SAATA算法实现

6．3 SAATA算法仿真研究

6．2．1 大范围温度变化流场分布重建仿真

6．2．2 双峰温度场温度分布重建仿真

6．2．3 不同温度变化趋势流场重建仿真

6．2．4 SAATA算法稳定性研究

6．4 本章小结

7 工作总结与展望

7．1 主要研究工作与相关成果

7．2 论文创新点

7．3 工作展望

致谢

参考文献

附录