燃烧场吸收光谱诊断技术研究进展

洪延姬

（装备学院激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416）

0 引 言

对于洁净燃烧以及更高性能推进系统的不断追求是发展先进诊断工具的主要推动力［1－2］。最基本的诊断方式之一是测量流场的温度和质量流量［1－3］。在燃烧动力学中，温度对化学反应速率有重要影响，可作为燃烧效率的指示器［4］。温度有潜力用作实时燃烧控制系统的控制变量以改善燃烧效率及降低污染物排放［5］。质量流量对于推进系统具有根本意义，直接出现在吸气式发动机［6］和火箭推进系统［7］的推力方程中。与发动机工作相关的其他参数如冲压阻力［8］，进气道流动紊乱［9］，比冲［10］等也依赖于质量流量。

传统的温度和质量流量测量方法是使用壁面传感器及侵入式探针［8，11－12］。随着对燃烧和推进流场研究的不断深入，传统测量技术所表现出的局限性日益凸显。如壁面传感器不能敏感流场的温度或压力梯度；侵入式探针或测量耙设备复杂、故障率高［11］；高温下长期工作时探针可能烧毁［13］。而对于推进流场，探针也往往会扰乱流动、产生激波结构［14］。为克服传统诊断技术的局限，发展非接触的激光测量技术就成为必然选择。

激光测量包括散射［15－17］、荧光［18－19］、干涉［20］和吸收［1－5，11，14］等方法。其中吸收光谱技术具有信号强度高、设备和数据分析简单等优势［1－3］。应用半导体激光器开展气体探测始于20世纪70年代中期，然而并没有导致应用的快速增长。那时可用的主要是铅盐激光器，同时工作在多个波长（多纵模），工作温度80K，因而需要复杂的闭环低温制冷设备，激光功率只有几十μW，相应波段的探测器也需工作在液氮的温度，使用极其不便［3，21］。20世纪80年代普遍应用高功率染料激光器探测气动和燃烧流场，推动了光学测量共性技术的发展，但普遍认识到这些激光器的尺寸、费用和操作的复杂性将应用限制于实验室或大尺度的工业设备［3，22］。进入20世纪90年代，在通讯工业的需求刺激下，室温可调谐半导体激光器（TDL）发展迅速。早期的室温通讯波段的Fabry－Perot（FP）激光器存在跳模，且波长不稳定，对应用来说吸引力不大［3，21－22］。其后，单模、窄线宽、长寿命的分布式反馈（DFB）激光器的出现，吸收光谱技术才获得了广泛应用，可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS：tunable diode laser absorption spectroscopy）也开始成为专有名词［21］。经过几十年的发展，商业的通讯TDL已经很成熟，性能和可靠性高，重量、尺寸、功耗和费用低。特别是这类激光器普遍用光纤耦合输出，显著降低了工程应用的难度和代价［1－3］。DFB激光器的可用波长范围从760nm到3μm［22］，包括H2O、O2、CO2、CH4等许多工业和环境小分子气体在这一谱范围呈现出较强的吸收特性［23］。随着中红外差频激光器［1－2］、量子级联激光器和间带级联激光器［22］、超连续谱激光器［24］等新型激光源的出现，将进一步扩展气体探测能力和范围。

TDLAS技术是通过被测气体组分对激光的共振吸收，使激光能量产生衰减，进而对气体参量进行分析和判断，具有非接触、响应快、灵敏和可靠的原位测量能力，由于可将激光用光纤进行远距离传输，特别适合在静态燃烧室和推进发动机上应用［1－3］。应用TDLAS技术可获得温度、组分浓度、速度、质量流量等关键的流场参数信息［1－3，11，14］。除了可用于缩比和全尺寸系统的地面测试外，还可以提供足够快的反馈使TDLAS技术有潜力用于燃烧和推进系统的闭环控制［1－3，5］。随着现代电子技术的发展，TDLAS传感器的小型化技术已获得突破，使飞行应用成为可能［3］。

由于设备和数据分析的简单，先前的TDLAS传感器大都基于直接吸收谱（DAS：direct absorption spectroscopy）技术［11，14，25－27］。扫描波长直接吸收技术可实现免标定测量［26］，然而为推断基线，扫描范围需要达到线型的无吸收翼，限制传感器的带宽一般到几kHz。另外，高压下的谱线混叠导致应用困难。固定波长直接吸收技术可显著提高测量带宽［27］，然而在弱吸收时，由于光束转向、基线误差等噪声源无法消除使得测量误差增大。

波长调制谱（WMS：wavelength modulation spectroscopy）是吸收谱的扩展，由于将探测信号移到更高频率上，WMS可显著降低激光强度和电噪声以及其它低频噪声，提高信噪比（SNR）［4，28－29］。通常，为实现定量测量，需要在一个已知成分和条件的环境中标定WMS信号，而这在实际应用中往往是困难的。一些研究者提出了免标定的 WMS测量方法［30－32］，然而这些方法只在一定条件下才能应用。比如许多环境条件要事先知道并且稳定，目标吸收谱线与其他谱线要完全分离，激光需要扫描穿过整个吸收谱线等等。近年来，Li和Rieker等人发展了包含真实二极管激光器特性的 WMS理论［33－35］，简记为WMS－2f／1f。WMS－2f／1f技术不再依赖于探测器的增益和平均激光强度，可将实验和仿真结果直接比较推断气体参数而无需现场标定。WMS－2f／1f技术几乎不受流场环境和参数范围的限制，可在燃烧和推进等恶劣流场环境中实现绝对测量，具有广阔的工程应用前景。

美国Stanford大学的Hanson教授在应用TDLAS技术开展燃烧诊断方面做出开创性工作，发表了第一篇关于高温气体温度测量［36］和第一篇关于质量流量测量［37］的文章，其领导的研究小组一直处在技术发展前沿。近年来，TDLAS技术及应用研究日益增多，所涉及的领域和侧重点也有很大不同。本文重点介绍TDLAS技术及其在燃烧场诊断中的应用，内容以Hanson小组的工作为主，也涉及部分其他研究单位及国内的研究概况。

1 理论与方法

TDLAS只关注气体的共振吸收。因为共振被限制到某些特定的波长，激光就成为理想的光源。通讯二极管激光器（如DFB）的谱线宽～2MHz，远小于大气压下吸收跃迁的典型宽度（H2O分子～3GHz），因此可认为是单色光源。吸收谱的基本方程是Beer－Lambert定律，描述了当频率为ν的单色光穿过吸收气体时，入射和透射强度的关系［1－3］

其中，τν为透射系数（或透过率），It为透射激光强度，I0为入射激光强度，αν为谱吸光度，L是吸收光路长度，cm；p为气体的总静压，atm；χi为吸收组分i的摩尔分数，p·χi也称为吸收气体的分压，S为吸收跃迁的线强度，cm－2／atm；T为气体温度，K；φ是线型函数，cm。方程（1）适合于所有具有分立吸收谱的原子和分子。

吸收跃迁的线强度是吸收组分基本的谱特性，对于给定的跃迁频率，如果在某个参考温度下的线强度S（T0）已知，在任何温度下的线强度都可以计算得到［3－4］

其中，S（T0）是在参考温度T0（通常T0＝296K）的线强度，Q（T）是吸收分子的配分函数，h是普朗克常量，J·s；c是光速，cm／s；k是玻尔兹曼常数，J／K；hc／k的数值为1.438cm⋅K，E″是跃迁的低能态能量，cm－1；ν0是跃迁的中心频率，cm－1。

吸收线型是谱线展宽的结果。在燃烧研究中，有两种主要的谱线展宽机制：多普勒展宽和碰撞（或压力）展宽［4］。多普勒展宽产生高斯线型函数，而碰撞展宽产生洛伦兹线型函数，整个线型用Voigt函数描述（是高斯线型函数和洛伦兹线型函数的卷积）。低能态能量E″是吸收前的分子能态，决定了线强度对温度依赖关系，线强度的峰值温度由E″唯一决定，因而来自相同组分的两条吸收谱线（具有不同的E″）信号之比是温度的函数，形成所谓的双线测温法［1－3］。一旦温度得到，可由任一谱线的吸收信号确定组分浓度。双线测温得到的是视线平均温度，适合在温度、压力和组分浓度等参数接近均匀的流场中应用，对于温度沿视线具有严重非均匀分布的情况，通过探测共光路的多个吸收跃迁推断温度的分布函数［38］或者与层析成像（Tomography）技术相结合对温度的二维分布进行重构［39］。

近红外区域对于燃烧场的测量特别有吸引力，两种主要的燃烧产物H2O和CO2在近红外区域都有大量的吸收谱线，图1给出了H2O和CO2在温度为1500K时的吸收线强度［40］。由于H2O在2v1，2v3和v1＋v3吸收带（约1.3～1.5μm）与成熟的通讯二极管激光器的波长范围相重合，吸收也比CO2强很多，因此应用也更普遍。

图1 H2O和CO2在1500K时的近红外吸收线强度［40］Fig.1 Absorption line strengths of H2O and CO2at 1500Kin the NIR

对于具体的实际应用，选择优化的吸收谱线是传感器开发的一个重要研究内容［28，41］。HITRAN数据库提供了大气成分和燃烧产物中许多小分子的定量光谱参数［23］，为吸收谱线的选择和传感器设计提供了重要工具。但涉及高温应用的传感器开发仍需验证所选跃迁的数据库参数［3］，包括高温条件下的谱线位置、线强度、低能态能量和展宽参数等。

扫描波长直接吸收的应用最普遍，其执行过程示意图如图2所示。

激光频率扫描穿过所选吸收跃迁的谱范围，产生谱解析的吸收线型。对无吸收翼进行多项式拟合得到零吸收基线，用Beer－Lambert关系可得到吸光度曲线。为将吸光度信号从时间域变为频率域，通常需要用标准具进行时－频转换。由两条吸收跃迁的积分吸光度之比可得到温度［1－3，26］，示意图如图3所示，图3（a）为两条跃迁吸光度随波长的变化，图3（b）为积分吸光度之比随温度的变化。

扫描波长直接吸收方法通过积分吸收信号，消除了线型函数，因而可实现免标定测量［1－3］。相比之下，固定波长方法在实际应用中的主要问题是基线强度（方程（1）中的I0）的推断困难，需要增加非共振参考光束或事先抽空被测区域［27，42－43］。另外由于无法消除线型函数，增加了应用的复杂性。

图2 扫描波长直接吸收谱的执行过程Fig.2 Implementation of scanned wavelength direct absorption spectroscopy

图3 直接吸收双线测温法示意图Fig.3 Illustration of DAS two lines thermometry

很早就认识到，通过快速调制激光波长并测量调制频率的谐波吸收信号可改善吸收测量的灵敏度［44－45］，二次谐波探测的波长调制（WMS－2f）最为常用［4，28－29，42－45］。而用一次谐波（1f）信号归一WMS－2f信号（WMS－2f／1f）可消除对激光强度和探测器增益的依赖，不但能实现免标定测量，而且可降低由于窗口污垢和激光强度的其他非共振损失带来的强度摄动影响［33－35，46］。

扫描波长WMS－2f／1f的执行过程如图4所示。二极管激光器的注入电流除扫描外还叠加了高频的正弦信号，使激光强度和频率产生高频的正弦调制，在探测器信号中产生谐波分量，可由锁相放大器分离出1f和2f信号。固定波长WMS－2f／1f除将激光波长固定在谱线中心外，在执行上和扫描波长方式无明显差异。然而为将波长准确固定在线心位置需要高精度波长计或在一个与被测流场参数接近的环境中确定，另外选择优化的调制指数有助于降低测量信号对波长偏差的敏感度［4］。

图4 扫描波长调制谱的执行过程Fig.4 Implementation of wavelength－scanned WMS

如果气流具有平行于光束路径方向的速度分量，吸收跃迁的中心频率将出现多普勒频移，可通过频移效应测量流场速度［1－3，46］。实际上，用与流速方向成不同角度的两光束吸收谱线的中心频差来确定相对频移量在应用上更为方便。激光器输出分成强度相等的两束，一束与法向成θ角指向上游，另一束以相同的角度指向下游，两束光的中心频差为：

其中，Δν是两光束中心频率差，cm－1；ν0是未移动时的线心频率，cm－1；c是光速，cm／s；U是气流速度，cm／s；2θ是两光束的夹角。光束布局及多普勒频移示意图如图5所示［46］。

在给定频移分辨率时，通过增大两条光束的夹角可提高速度测量的分辨率。然而多数发动机设备的空间约束限制了夹角范围，通常不超过90°。由于多普勒频移效应，吸收跃迁的视在中心频率会偏离未移动时的线心频率ν0，因而固定波长方式不能用于测量速度。

2 应用研究

图5 速度测量的光束布局和多普勒频移示意图［46］Fig.5 Schematic of crossed－beam configuration and Doppler－shift velocimetry

1993年，Hanson小组开展了激波管中氧气的速度、温度、压力和质量流量的测量研究［45］，标志着TDLAS技术在气动实验中应用的开端。20年来，在燃烧和推进流场中开展了广泛的工程应用研究，包括激波管中激波后气体参数测量［47－49］和化学动力学研究［50－51］，内燃机的谱线选择［52］和参数测量［53］，汽轮机的温度［54－55］和当量比［56］测量以及反馈控制［57－58］，航空发动机进气道空气质量流量测量［11，59］，脉冲爆震发动机的温度、燃料分布监测［60－62］和CO2浓度测量［63］，超燃冲压发动机试验台的多参数测量及应用［14，29，35，46，62－68］，飞行传感器设计和试验［69－73］等。TDLAS技术的基本功能是测量温度、组分浓度和速度等基本的流场参数，除此之外还可为推进系统的性能研究提供其他帮助，以下分专题介绍几种典型应用。

2.1 激波管研究

激波管能提供在确定的温度和压力下接近定容的反应条件，是化学动力学研究的理想工具。激波管参数的准确测量是开展动力学研究的基础，特别是当激波后有显著化学热释放（相比于气体混合物的热容量）时，激波后的温度不能由理论给出，准确测量波后温度就具有重要的实际意义。Hanson小组用TDLAS传感器在激波管中开展了广泛研究，下面给出两个例子，一个是测量非反应激波管中反射激波后气体的温度和组分浓度，另一个测量碳氢燃料的分解速率。

在激波管中精确测量温度是困难的，主要是由于测试时间短及高温下绝对标定的困难。Hanson小组用固定波长WMS－2f／1f传感器测量反射激波后温度和组分浓度［47－48］。两种传感器分别用1.4μm附近的H2O吸收和2.7μm附近的CO2吸收，测量带宽分别为100kHz和40kHz。两种传感器的测量过程相同，吸收视线位于激波管末端上游2cm处。CO2吸收实验的测试气体是掺入2%CO2的Ar，驱动气体是40%N2和60%He的混合物。TDLAS的温度测量如图6（a）所示，图中给出的压力由压力传感器得到。用理想激波关系式计算的反射条件：T5＝952K，p5＝1.197atm，在0～8ms的平均测量温度为955K，图6（b）给出了测量温度与计算温度的差值，标准差3K，折算成不确定度仅为0.32%。结果表明，WMS－2f／1f传感器具有快速而准确的测量能力，是化学动力学研究的有效手段。

碳氢燃料分解速率可通过测量反应物或产物的时间历程得到。Hanson小组在激波管中研究了最简单的甲基酯——甲基甲酸盐（CH3OCHO）的分解速率［50］，实验温度范围1202～1607K，压力1.36～1.72atm，初始燃料浓度0.1%～3%（用Ar稀释）。CH3OCHO的高温分解路径有3条：CH3OCHO↔CH3OH＋CO，CH3OCHO↔2CH2O，CH3OCHO↔CH4＋CO2。用激光吸收监测3种分解产物的浓度：（1）用4.6μm量子级联激光器测量CO，（2）用306nm的紫外激光测量CH2O，（3）用3.4μm的差频发生器测量CH4。通过监测每种目标产物的产生速率确定分解速率系数ki（i＝1，2，3），与Dooley等人的计算结果具有高度一致性，如图7所示。同时也分别用9.67μm和9.23μm的CO2激光监测CH3OH和反应物（CH3OCHO）的时间历程，分解过程中的氧平衡分析表明，研究中所用的多波长激光吸收技术可追踪到燃料中超过97%的初始氧原子。

图6 反射激波后温度和压力的测量结果及温度测量与计算的偏差［48］Fig.6 Measured temperature and pressure behind a reflected shock wave and difference in measured and calculated temperature

图7 测量的分解速率系数ki与计算结果的比较［50］Fig.7 Comparison of measured kiwith previous calculations

2.2 超燃冲压发动机不启动的探测

气体温度和组分浓度沿视线的非均匀性可通过多个激光波长同时监测多个吸收跃迁（具有不同低能态能量）来进行评估［38］。Hanson小组开发了多波长传感器，用于研究超燃冲压发动机早期的不启动现象，为背压诱导不启动（燃烧室背压将隔离段激波串推出进气道）的预警和控制提供了一个可能的手段［65］。

测量在美国空军研究实验室（AFRL）的超燃直连试验台进行。4个波长分成两对，7444.4cm－1（E″＝1790cm－1）和7472.2cm－1（E″＝2952cm－1）线对具有较高的低能态能量，对流场的高温区更敏感（图8中的Thigh）；7185.6cm－1（E″＝1045cm－1）和7205.2cm－1（E″＝79cm－1）线对具有较低的低能态能量，对流场的低温区更敏感（图8中的Tlow）。温度测量如图8（a）所示，图中的灰色条带表示压力传感器监测到的不启动。如果沿视线的温度和组分浓度分布均匀，Tlow应等于Thigh，而差值反应了沿视线的流动非均匀性。尽管量化非均匀性是困难的，但两个温度之比的波动却为测量温度非均匀性波动提供了一个简单的方法，Thigh／Tlow的短时Fourier变换可用于监测这种温度非均匀性的波动。两次运行的Thigh／Tlow的短时Fourier变换如图8（b）所示（过程是先分别对Thigh和Tlow进行Fourier变换，然后取1～50Hz的频率分量之和用所有频率分量之和进行归一化，再相除），其中一次稳定工作（红色线），另一次未启动（黑色线）。未启动这次除了当量比略有增加外，其余条件相同。在未启动出现之前的几秒钟，温度的低频波动急剧增加，多次的未启动运行都观察到同样现象，尽管出现这种低频波动的物理机制目前尚不清楚，但却有潜力用作未启动的预警和控制变量。

图8 未启动运行时测量温度及稳定和未启动运行时的低频温度波动［65］Fig.8 Temperature versus time for a scramjet run with unstart and low frequency fluctuations of temperature for an unstart run and a stable run

2.3 脉冲爆震发动机研究

无论在实验室还是全尺寸发动机的地面测试，都广泛开展了将TDLAS技术用于脉冲爆震发动机（PDE）的研究，在这种恶劣和动态环境中的成功应用，为演示TDLAS技术的强大功能提供了有力的证据。下面是其中的两个应用例子，一个用Cs原子作为示踪物测量温度和压力，另一个提供燃料加载的实时监测。

Hanson小组用Cs原子作示踪物，在Stanford大学的单循环PDE开展爆震波后的静温和静压测量的实验研究［61］，发动机和测量传感器的示意图如图9（a）所示。

实验中，5ppm的原子Cs以CsO的形式进入发动机。静压通过压力展宽线型确定，吸收线型在爆震波到达后会急剧改变，如图9（b）所示。可见光VCSEL（vertical－cavity surface emitting laser）激光器以500kHz的脉冲方式工作，脉冲打开时间1μs。每个脉冲期间，激光扫描约1nm的波长，穿过Cs原子在852nm附近的吸收谱线。图9（b）给出3个单次扫描的透射激光波形，第一次扫描在点火后约606μs，爆震波尚未到达传感器位置，Cs仍然以CsO的形式存在因而没有吸收；第二次扫描在点火后约608μs（爆震波在约607μs到达），得到压力展宽的Cs吸收线型；第三次扫描在点火后约4.884ms，Cs吸收线型显著变窄，因为爆震波经过大约4ms后压力已下降。通过分析Voigt线型，可得到静温的贡献（多普勒展宽）和静压的贡献（碰撞展宽），拟合测量线型可确定静压和静温随时间的变化。静温在图10中用Tkin表示，尽管图中未给出压力的时间历程，但与壁面压力传感器测量结果具有很好的一致性。

图9 单循环PDE和测量传感器示意图及三条吸收线型［61］Fig.9 The schematic of single－cycle pulse detonation engine with laser absorption and optical emission sensors and the curves of three absorption lineshapes

图10 PDE的测量温度及与仿真结果比较［61］Fig.10 Measured temperature compared with simulation calculations

当假定电子态的布居数达到热平衡时，温度也能由处于激发态和基态的Cs布居数之比得到，基态布居数由吸收确定，激发态布居数由激发态原子的热发射得到，发射与吸收之比得到的温度在图10中用Telec表示。两种不同的温度测量方法得到高度一致的结果。温度测量结果也与美国海军研究实验室（NRL）的仿真结果进行对比，显示出仿真和实验间较好的一致性。

与所有的推进装置类似，PDE的性能依赖于燃料是否有效燃烧。美国海军研究生学院（NPS）和Hanson小组，用中红外激光吸收技术在NPS的PDE联合开展燃料利用问题的研究［62］。用差频发生器（DFG）产生中红外激光，通过JP－10燃料对接近3.4μm激光的吸收来监测燃料的加载过程。实验装置示意图如图11（a）所示，图11（b）给出燃料随时间变化的结果。

在未燃烧情况，燃料脉冲穿过燃料注入口下游的测量位置，脉宽约35ms；在燃烧情况，开始时监测到燃料上升，当爆震波经过后，燃料信号迅速下降到零附近，表明燃料完全或接近完全燃烧。然而在爆震波之后大约20ms，又监测到未燃烧的燃料包经过测量位置。通过实验发现在加载管路中存在燃料间断，这部分没能燃烧，因而对推力的形成没有贡献。由于存在未燃烧燃料，导致对发动机比推力的错误理解，消除燃料间断后使发动机性能得到改善。

图11 中红外探测PDE燃料的实验装置及PDE燃料加载测量［62］Fig.11 The schematic of the experiment with mid－IR PDE fuel detection and the curve of PDE fuel loading measurement

2.4 汽轮机燃烧室控制

TDLAS传感器的最终应用目标之一是为改善燃烧和推进系统的性能而进行主动控制［1－2，5］。对改善燃烧效率和降低污染物排放的需求使低当量比燃烧室受到广泛关注［57－58］，然而低当量燃烧特别容易受到热声学不稳定性和贫燃熄火（LBO）的影响。热声学不稳定性起源于不稳定的热释放与声学（压力）振荡的闭环耦合，可导致燃烧效率降低并增加污染物排放。LBO能引发严重的安全隐患，降低发动机寿命和可用性。由于涉及到复杂的物理和化学过程，预测不稳定燃烧行为非常困难，通常在工业燃烧室中通过被动或主动控制对不稳定燃烧进行抑制。

Hanson小组的研究表明，燃烧不稳定和LBO可通过吸收光谱测量进行反馈控制［57－58］。LBO在低当量比和快速的功率震荡时容易出现，是现代航空发动机主要关注的问题之一，在实际中避免LBO的常规做法是在LBO当量比极限之上留出足够的安全裕度。LBO极限随着空气和燃料的流量、燃料成分以及燃烧室的使用时间等因素而不同，而收窄LBO的安全裕度能改善发动机的性能并降低排放。

图12（a）给出Stanford大学的模拟汽轮机燃烧室和视线吸收测量设备。H2O吸收的波长调制传感器能提供2kHz的实时测量速率，对测量温度进行快速Fourier变换获得低频（0～50Hz）的功率谱分数（FFT%［0～50Hz］）。即使沿视线的气体成分和温度非均匀或者温度测量不准确，功率谱分数的波动也可为火焰稳定性提供直接的测量。从图12（b）可以看出，当火焰接近LBO（横坐标趋于0）时，低频波动显著增加，因而可设定功率谱分数的阈值（即保持稳定燃烧的最大值）作为由稳定燃烧过渡到LBO的界限。通过观察火焰结构，实际当量比与LBO极限的差值小于0.05时（φ-φLBO＜0.05），火焰出现不稳定，因而从图12（b）可以看出设定功率谱分数的阈值为0.25是合适的。改变空气流量，LBO极限（φLBO）也随之改变，然而发现对所有的空气流量，相同的阈值（0.25）对探测LBO都是合适的。也就是说，如果将功率谱分数阈值作为控制变量，即使不知道实际的LBO极限，仍然能将当量比控制在φ-φLBO＝0.05附近，即接近LBO的稳定燃烧。用2kHz的实时传感器进行反馈控制的实验表明［58］，TDLAS传感器可用于实际燃烧系统的LBO探测并为LBO的反馈控制提供控制变量。

图12 模拟汽轮机燃烧室及吸收传感器和低频功率谱分数随当量比的变化［57］Fig.12 The schematic of a model gas turbine combustor and absorption sensor and the curve of low frequency fluctuations from running FFT versus fuel－air stoichiometry

2.5 超燃测试设备研究

TDLAS技术在超燃测试设备中的应用研究受到普遍重视，下面是其中的两个例子，一个是测量隔离段质量流量［46］，另一个是超声速燃烧过程监测［68］。

质量流量是密度和速度的乘积，TDLAS测量质量流量是先用双线测温法得到温度和多普勒频移得到速度，如果压力已知，再由理想气体方程换算密度。Hanson小组基于这种方式开发了质量流量传感器（压力值由设备压力传感器提供），在NASA兰利的直连超燃设备验证进气条件。兰利的直连台用烧氢补氧的方式加热气流，用Ma数为2.65的喷嘴模拟Ma数为6和7的飞行焓。传感器选用两个H2O吸收激光器，波长分别为1341.5nm和1349nm，发射端和接收端分别用电动平移台固定在隔离段相对的两侧，通过平移台的移动，选择测量位置。测量装置和结果如图13所示。

图13 质量流量传感器在隔离段的安装照片和质量流量测量结果及与CFD的比较［46］Fig.13 The photo of the Mass－flux sensor installed on isolator and the curve of comparison of measured mass－flux with CFD

上下游光路的测量值高度一致，说明隔离段气流均匀性好，另外测量结果与设备预测值（图中蓝色线）的一致性也非常好，验证了CFD模拟气流条件的能力。

燃料是否有效掺混和燃烧对燃烧室的性能至关重要，可通过测量燃烧室不同位置的燃料浓度或者温度与产物浓度进行判断。Hanson小组用TDLAS传感器，在Virginia大学的超声速燃烧设备中测量不同燃烧位置的温度和H2O浓度。Virginia的设备是电加热的连续流风洞，可用Ma数为2的喷嘴模拟Ma数为5的飞行焓，燃料是H2。为了验证传感器的测量精度，来流中掺入了2%的H2O。传感器也是由电动平移台改变测量位置，由纵向移动台选择燃料喷口下游的3个平面，在每个平面通过横向移动选择不同测量位置。测量设备和H2O浓度的测量结果如图14所示。

图14（b）中横坐标的0位置相应于燃料喷口所在壁面，可以看出接近燃料喷口所在壁面H2O的浓度显著增多，是H2燃烧的结果。随着测量位置远离喷口壁面，H2O的浓度逐渐降低，最后收敛于来流H2O浓度值（2%），说明H2的穿透深度不足，燃烧逐渐减弱。另外随着测量平面远离燃料喷口，H2O的浓度收敛变慢，表明掺混情况逐渐改善。

2.6 飞行试验

半导体激光器的小型化和鲁棒性为TDLAS传感器的飞行应用创造了条件。美国PSI公司最早开发了具备飞行条件的质量流量传感器［69］，并准备在NASA的科学研究飞机（F－18）上进行飞行测试，但任务最终取消。最近，美国空军研究实验室（AFRL）和澳大利亚防御科学技术委员会（DSTO）合作发起的HIFiRE工程为验证TDLAS传感器的飞行性能提供了机会［70－72］。计划进行TDLAS验证的飞行试验有3次，分别为HIFiRE 1，2和6。

HIFiRE 1TDLAS试验的目的是通过测量来流空气捕获量来验证TDLAS传感器的可靠性和飞行应用能力。为降低风险，AFRL委托Zolo Technologies和Southwest Sciences两家公司各自独立开发嵌入式TDL传感器，如图15所示，最终目标是用于测量超燃冲压发动机的空气捕获量。Zolo Technologies公司的电子包重3.5kg，功耗20W。而Southwest Sciences公司的电子包重1.8kg，功耗2W。

图14 超声速燃烧设备及传感器照片和不同位置的H2O浓度测量结果［68］Fig.14 The photo of supersonic Combustion Facility and TDLAS sensor and the curves of measured H2O mole fraction at various positions

图15 HIFiRE 1载荷舱的尾段及电子包［70］Fig.15 Aft section of HIFiRE flight 1payload and electronic packages

2010年3月，HIFiRE 1成功完成了飞行试验，总的飞行时间超过500s。遥测数据显示，Zolo Technologies公司的传感器测量系统记录了488s的数据，Southwest Sciences公司的传感器在飞行17s后开始工作不可靠，32s后完全失败。

HIFiRE 2TDLAS的试验目的是监测燃烧产物核心流中温度和水蒸气浓度的时间和空间分布。传感器包含两台Zolo Technologies公司的电子包和两只激光器，每个激光的输出分成4束，两只激光器的8束光在燃烧室出口平面组成3×5的网格，如图16所示。通过Tomography技术得到流场的空间分布信息。电子包质量2kg，功耗14W。HIFiRE 2于2012年5月完成飞行试验，但试验结果未对外公布。

图16 HIFiRE 2的TDLAS传感器布局及电子包［72］Fig.16 TDLAS sensor configuration and electronic packages of HIFiRE flight 2

3 国内研究概况

国内的TDLAS研究起步较晚，本世纪初期以环境气体检测［73－78］和仿真研究［79－83］为主。近年来逐步引起科研院所和工业企业的重视，开始涉及燃烧和推进流场诊断研究，研究团队数量也有了较快增长。安光所［84－86］、浙江大学［87－89］、中科院力学所［90－92］、西北工业大学［93］、天津大学［94－95］、西北核技术研究所［96－97］以及装备学院［98－101］等先后组织力量开展技术和应用研究。特别值得一提的是，2013年4月17～19日，中国宇航学会在成都举办了首届“光谱技术在燃烧诊断及大气检测中的应用”学术研讨会，TDLAS技术相关的论文占会议收录论文总数的1／3，反映了我国对该领域研究的重视程度。总体而言，由于起步较晚，目前仍以技术跟踪为主，有的虽已初步具备工程应用能力［91，99］，但尚未在燃烧和推进流场诊断中真正发挥作用。

4 结论和展望

可调谐半导体激光吸收光谱传感器已成为流场诊断的基本工具，主要是由于其相对简单、费用低廉，应用光纤使光束布置及远距离传输变得容易，尤其对于在燃烧和推进等恶劣的环境中应用更有吸引力。然而，目前TDLAS技术尚存在某些局限性：比如高压环境下的压力测量困难；非均匀流场二维重建技术在实际工程应用中的困难；软件处理能力还不能满足实时测量需求等等。

随着技术的进步，克服这些局限性的同时使一些新的应用方向正在变为现实或成为可能：（1）高次谐波的归一化为高压下的压力测量提供了解决途径，数据处理能力的进步为实现温度、压力、速度及质量流量、动量流量等参数的实时动态监测及反馈控制创造了条件；（2）除了流场参数测量之外，TDLAS技术还可为推进系统的性能研究提供其他帮助，如燃烧不稳定性和贫燃熄火研究、燃料掺混和燃烧效率计算、燃烧室和喷嘴的辅助设计等；（3）中红外吸收光谱诊断取得重要进展，将为大分子碳氢燃料及多相流监测提供可行的手段；（4）新的连续波激光器可扫描穿过大量吸收谱线，通过增加光谱信息量能降低层析成像技术对投影光路数目和角度需求，使发动机地面测试设备的流场二维重建成为可能，将对燃烧室的性能和效率研究产生革命性的影响；（5）随着更多光谱范围的激光器和相应光纤器件的出现，同时监测多种成分和特性将不再困难；（6）飞行传感器已开展过初步的飞行测试，可望在不久的将来实现发动机的飞行状态监测和反馈控制。

在我国，诊断技术的落后已成为制约新型发动机发展的关键因素之一。解决这一突出矛盾的有效途径就是加速发展吸收光谱诊断等光学诊断技术，科研院所和工业部门紧密合作，在开展实验室研究的同时，加快工程应用进度，促进新型发动机的研究能力和水平。

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