電弧風(fēng)洞中基于TDLAS的氣體溫度和氧原子濃度測試

歐東斌, 陳連忠, 董永暉, 林 鑫,*, 李 飛, 余西龍

(1. 中國航天空氣動力技術(shù)研究院, 北京 100074; 2. 中國科學(xué)院力學(xué)研究所 高溫氣體動力學(xué)國家重點實驗室, 北京 100190)

電弧風(fēng)洞中基于TDLAS的氣體溫度和氧原子濃度測試

歐東斌1, 陳連忠1, 董永暉1, 林 鑫1,*, 李 飛2, 余西龍2

(1. 中國航天空氣動力技術(shù)研究院, 北京 100074; 2. 中國科學(xué)院力學(xué)研究所 高溫氣體動力學(xué)國家重點實驗室, 北京 100190)

電弧風(fēng)洞是對防熱材料/結(jié)構(gòu)進(jìn)行地面考核的關(guān)鍵設(shè)備，其流場參數(shù)是評估設(shè)備性能和品質(zhì)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。由于高溫氣流的惡劣環(huán)境，尚無有效診斷手段。本文使用可調(diào)諧二極管吸收光譜技術(shù)(TDLAS)，針對氣流中氧原子，選用氧原子特征吸收譜線(λ=777.2nm)，測量了電弧風(fēng)洞中水冷平頭圓柱體模型脫體激波后的氣體溫度和氧原子數(shù)密度，試驗測量與工程計算結(jié)果較為一致。試驗顯示出TDLAS具有高溫電弧風(fēng)洞應(yīng)用的潛在優(yōu)勢。

TDLAS；電弧風(fēng)洞；流場參數(shù)；氣體溫度；氧原子濃度

Keywords:Tunable Ddiode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS); arc heated wind tunnel; flowfield parameter; gas temperature; number density of atomic Oxygen

0 引 言

高超聲速飛行器再入大氣層時，由于氣流的強(qiáng)激波壓縮和粘性滯止，激波后的氣體被急劇加熱。如飛行器在大氣中間層(50～80km)中以10km/s速度再入時，激波后氣體溫度接近7000K，這將導(dǎo)致飛行器周圍的空氣離解或電離成等離子體。等離子體熱力學(xué)狀態(tài)(包括平動、轉(zhuǎn)動、振動、電子溫度和密度等熱力學(xué)參數(shù))的變化和氣體組分(O2、N2、O和N)的離解、復(fù)合和電離等真實氣體效應(yīng)都對飛行器防熱設(shè)計帶來極大困難。電弧加熱設(shè)備可以模擬長時間高焓氣動加熱條件，且能提供較真實的空氣化學(xué)組分，因此成為防熱材料和防熱結(jié)構(gòu)地面考核的重要手段。電弧風(fēng)洞中溫度、原子濃度等參數(shù)是評估模擬狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，需要進(jìn)行準(zhǔn)確測量[1-3]。

由于電弧加熱器內(nèi)部工作條件惡劣，傳統(tǒng)的接觸式測試分析手段難以應(yīng)用，利用非接觸方法診斷高焓氣流是診斷技術(shù)的發(fā)展方向。光譜法是非接觸測試方法的重要分支，也是等離子體診斷的主要方法。它利用等離子體發(fā)射或吸收光譜，測量溫度、密度和化學(xué)組分。20世紀(jì)50年代初，H.邁克等人提出這一方法，其最初應(yīng)用于天體物理和基礎(chǔ)試驗研究，后來又應(yīng)用于航天環(huán)境模擬、化工冶煉、熱加工和能源等方面[4-5]。在60年代中后期，激光器發(fā)明之后，開始用激光光譜診斷法(吸收光譜法、熒光光譜法、拉曼光譜法等)對等離子體狀態(tài)和輸運性質(zhì)進(jìn)行試驗研究。可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)，利用窄線寬二極管激光器(帶寬<10MHz)掃描譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，避開輻射及其它吸收的干擾，極大提高了測量信噪比，除此之外，它還具備環(huán)境適用性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)點。在數(shù)據(jù)提取中，它利用吸收譜強(qiáng)度隨溫度變化特性實現(xiàn)溫度測量，利用吸收率的絕對強(qiáng)度獲取氣體濃度信息，是一種極具應(yīng)用前景的新型光譜技術(shù)[6-7]。美國Suhong Kim[8]在NASA Ames IHF(60MW)進(jìn)行了O(777.2nm)和N(844.6nm)的吸收光譜測量，在假設(shè)熱平衡條件下，由測得的O和N原子的摩爾分?jǐn)?shù)比推算電弧加熱器溫度，測量溫度范圍5000～9000K，壓力范圍1.5～6bar；日本Hiroki Takayanagi[9]在氬氣等離子炬中，利用Ar吸收線(842.5nm)測量Ar原子數(shù)密度。在國內(nèi)，TDLAS技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用。中科院李飛等利用H2O吸收譜線測量了超燃沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒室入口、燃燒室內(nèi)和燃燒室出口氣流靜溫、濃度和速度[10-11]；林鑫利用CO吸收譜線，測量了激波管中激波波后的CO濃度等[12]。然而國內(nèi)對于TDLAS在電弧風(fēng)洞中的應(yīng)用尚未見報道。

本文利用TDLAS技術(shù)，選擇O(777.19nm)吸收線對電弧風(fēng)洞中水冷平頭圓柱體模型脫體激波后氣體溫度和氧原子濃度進(jìn)行測量并取得初步試驗結(jié)果，試驗測量與工程計算結(jié)果較為一致，驗證了吸收光譜方法應(yīng)用于電弧風(fēng)洞的可行性。

1 TDLAS測量基本原理

當(dāng)頻率為v的激光通過一個沿光程準(zhǔn)均勻的待測流場時，入射光強(qiáng)I0和透射光強(qiáng)I滿足Beer-Lambert公式[13-14]：

=exp(-S·ni·L·φ

本文是從譜線的線型信息中提取溫度T。線型函數(shù)的描述形式主要有2種：Lorenz線型和Gauss線型。Lorenz線型是由粒子之間的互相碰撞引起的，不僅依賴于壓強(qiáng)，而且還依賴于分子的碰撞截面；Gauss線型只依賴于溫度T。在低壓情況下，多普勒展寬占優(yōu)勢，而在壓強(qiáng)很高的情況下吸收線碰撞展寬(Lorenz線型)占優(yōu)勢[15]。在本文的測量環(huán)境中(總溫6000～8000K，靜壓2～3kPa)，雖然Gauss線型半寬是Lorentz半寬的數(shù)倍，但并不能以單純的Gauss線型來擬合吸收線，而應(yīng)當(dāng)考慮復(fù)合線型Voigt線型，它為Gauss和Lorentz 2種線型函數(shù)的卷積：

式中：ΔvD為Gauss線型半寬，ΔvL為Lorentz線型半寬，v0為譜線中心頻率(已知)，v′是卷積自變量(中間參數(shù)，積分后消失)。因此實際的Voigt線型的φV(v)是ΔvD和ΔvL的函數(shù)，當(dāng)吸收測量的信噪比很高時，理論上可以通過尋優(yōu)的方法通過實測的吸收線型信息推導(dǎo)出最可能的ΔvD和ΔvL。即可以通過吸收線的線型擬合得到ΔvD，利用該值計算出熱運動溫度(平動溫度)T：

式中：M為吸收組分的分子量，c為光速，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為氣流靜溫。在準(zhǔn)平衡條件下，原子能級的分布符合玻爾茲曼分布[8]，因此利用溫度T測量結(jié)果結(jié)合低能級粒子數(shù)密度ni與總粒子數(shù)密度n的關(guān)系，進(jìn)而獲得n。

2 電弧風(fēng)洞中TDLAS的應(yīng)用

試驗在FD04電弧風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞是一座壓力-真空式高超聲速電弧風(fēng)洞，主要由電弧加熱器、噴管、試驗段、擴(kuò)壓器、冷卻器和真空系統(tǒng)組成。試驗采用超聲速自由射流駐點試驗技術(shù)，在錐形噴管出口中心軸線上，距離噴管出口一定距離的位置放置平頭圓柱模型，模型采用紫銅制作，利用高壓水進(jìn)行循環(huán)冷卻，以減少燒蝕產(chǎn)物和表面溫度對流場光譜的干擾，試驗布局示意如圖1所示。

圖1 電弧風(fēng)洞及TDLAS系統(tǒng)布置示意圖

譜線選擇是TDLAS系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。針對氧原子譜線[引用NIST]和商用窄線寬半導(dǎo)體激光器的波長范圍，本文選取了777.19nm吸收線，該線的高低能級分別為2s22p3(4s*)3s和2s22p3(4s*)3p，對應(yīng)能量分別為73768.2cm-1和86631.454cm-1，該吸收線也是國際常用的氧原子吸收線[3,9]。圖1的中間部分對應(yīng)為電弧風(fēng)洞試驗設(shè)備，上下2部分為TDLAS整套系統(tǒng)。吸收策略為波長掃描-直接吸收方法，信號發(fā)生器產(chǎn)生100Hz的鋸齒波調(diào)制激光控制器的輸出電流大小進(jìn)而調(diào)節(jié)激光器波長使之掃過氧原子777.2nm吸收譜線進(jìn)行測量。激光器(Toptics，777nm)的發(fā)射光由準(zhǔn)直透鏡收集到光纖中引導(dǎo)到遠(yuǎn)處試驗艙的窗口處,光纖輸出激光由準(zhǔn)直器進(jìn)行準(zhǔn)直，再入射到試驗艙內(nèi)，這部分是試驗硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵：光強(qiáng)/光功率的大小決定了原始信號的信噪比；光束直徑?jīng)Q定了TDLAS的空間分辨能力。

由于本文所用的近紅外激光器并非尾纖輸出，風(fēng)洞附近的強(qiáng)電磁干擾不允許激光器安裝于風(fēng)洞設(shè)備旁邊，因此將激光傳輸?shù)皆囼炁摃r需要使用光纖耦合。試驗中使用了長度10m，芯徑0.6mm的多模石英光纖進(jìn)行激光耦合和傳輸。使用較粗芯徑主要是為了盡可能地提高耦合效率，增加探測光強(qiáng)以提高信噪比。激光準(zhǔn)直的效果決定了模型表面附近的光束直徑，由于使用多模光纖傳輸激光，且試驗艙較大(直徑2m)，這極大的增加了光纖準(zhǔn)直的難度，試驗中嘗試了數(shù)組3～15mm焦距的準(zhǔn)直鏡，最佳的準(zhǔn)直效果是，到達(dá)鈍頭處的激光光束直徑約為6～7mm。在未來的試驗中應(yīng)設(shè)法改進(jìn)激光器的光學(xué)耦合，使用760nm單模光纖進(jìn)行激光耦合和長距離激光傳輸，并且改善光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)，以期盡量減小光束直徑。穿過流場后的激光光束由透鏡聚焦后照射在硅探測器上。光信號轉(zhuǎn)為電信號后由示波器記錄(采樣頻率250kS/s)，最后由計算程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

試驗中光路的具體位置如圖2所示。由于到達(dá)鈍頭處的激光光斑直徑為6～7mm，有約2mm的光斑被鈍頭體擋住，未能到達(dá)對面的探測器。不過由于模型為平頭圓柱體，脫體激波也應(yīng)該是近似平面激波，光路前后方向的密度梯度不大，不存在嚴(yán)重的光線偏折現(xiàn)象。

試驗進(jìn)行了2個狀態(tài)，其狀態(tài)參數(shù)如表1所示，其中總焓H0由總壓流量法計算得到，總溫T0由TD-1333查表獲得，總壓p0為弧室壓力，由壓力傳感器測量得到，靜壓p1、p2分別為激波前后的氣流靜壓，由等熵關(guān)系式得到。

圖2 試驗中光路位置圖

表1 試驗狀態(tài)Table 1 Test conditions

3 試驗結(jié)果

圖3為00CH1工況下原始數(shù)據(jù)及局部放大圖。放大后的原始數(shù)據(jù)可以明顯看到每個掃描周期后段對應(yīng)的吸收。在試驗設(shè)計和光譜標(biāo)定中，吸收譜線應(yīng)位于掃描波長的中間位置，而具體試驗中由于壓力頻移，吸收峰位置偏移，偏向鋸齒波的后半段，總體而言，吸收線型基本完整，能夠完成測量。值得注意的是，每個周期的峰值吸收率(下降幅度)并不完全相同，從圖3(a)可看到周期性吸收的趨勢，這一現(xiàn)象的具體原因有待未來更多試驗和進(jìn)一步分析。

逐個周期提取原始信號，進(jìn)行基線擬合后可以得到吸收率信號，對該信號可進(jìn)行線型擬合，如圖4所示。結(jié)合前文關(guān)于擬合線型的分析，對此數(shù)據(jù)分別進(jìn)行Gauss擬合和Voigt線型擬合。可見，Voigt線型在兩翼和峰值處均優(yōu)于Gauss線型，使用Voigt線型擬合更能吻合實際的吸收線線型。從該Voigt線型擬合可以分別得到Lorentz和Gauss半寬(平動溫度T信息)。而擬合后的積分吸收率能夠用于計算低能級氧原子數(shù)密度ni。

利用Gauss半寬和式(4)，可得到鈍頭體前平動溫度T，如圖5所示。工況00CH1的平均溫度為7873K，03CH1的平均溫度為6675K。在0～2s間，2次試驗的測量溫度都較高，這可能是風(fēng)洞啟動階段加熱器空氣量較少，極高的來流總溫所致。在試驗穩(wěn)定運行狀態(tài)中，也存在溫度的波動，這應(yīng)該是半寬擬合誤差所致。在未來的試驗中，嘗試采用其它光譜測量手段，例如原子發(fā)射光譜雙線法或多線波爾茲曼圖斜率法等，與吸收光譜測量結(jié)果相互對比及分析。

利用每個周期的積分吸收率，可以計算處于低能級的氧原子數(shù)密度，其結(jié)果如圖6(a)所示。利用該低能級數(shù)密度和圖5的溫度測量結(jié)果(先擬合得到平滑溫度分布，再計算n)，根據(jù)準(zhǔn)平衡假設(shè)，可用波爾茲曼分布計算氣流中總的氧原子數(shù)密度，如圖6(b)所示。

圖3 原始吸收數(shù)據(jù)及局部放大圖

圖4 原始數(shù)據(jù)的線型擬合

圖5 流場溫度隨時間的分布曲線

圖6 氧原子數(shù)密度隨時間的分布曲線

4 分析和討論

采用等熵關(guān)系式和正激波關(guān)系式對上述的測試結(jié)果進(jìn)行驗證[16]，并利用式(6)計算氧原子數(shù)密度，得到的鈍頭體波后溫度T2和氧原子數(shù)密度n，與TDLAS試驗測量結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 試驗與計算結(jié)果對比Table 2 Experiment and calculation results

可見試驗值和計算的氣流溫度較為接近，兩者相差6.2%(00CH1)和3.2%(03CH1)。氧原子數(shù)密度的測量和計算值相差稍大，測量值是計算值的0.36倍(00CH1)和1.61倍(03CH1)。其可能原因有以下幾個方面：

(1) 吸收長度不準(zhǔn)確

如式(1)所示，試驗中的吸收光程L使用的是鈍頭體的直徑(35mm)，而實際中，鈍頭前的激波范圍大于鈍頭體截面積(見圖2)，因此有效吸收長度大于35mm，這會導(dǎo)致測量值偏大。

(2) 流向溫度和密度梯度

如圖2所示，試驗中的光斑直徑6～7mm，僅有2mm被鈍頭體遮擋。這說明實際光斑在流向方向有4～5mm寬帶。因此，測量值實際上是鈍頭體前4～5mm厚度內(nèi)的氣流參數(shù)平均值。該平均值與理論計算值會存在一定偏差。

(3) 非平衡特性

高焓氣流中，激波波后存在強(qiáng)烈非平衡特性。其主要特征是：平動溫度(TDLAS測量結(jié)果)、轉(zhuǎn)動溫度，遠(yuǎn)高于振動溫度和電子溫度，也高于平衡后的溫度；該非平衡性隨著遠(yuǎn)離激波波面而快速減弱。因此，隨著測量光束靠近激波或遠(yuǎn)離鈍頭體，非平衡特性影響的可能性較大。本文中TDLAS測量光束直徑較大，很可能受到非平衡氣流影響，導(dǎo)致溫度和濃度測量不準(zhǔn)確。

(4) 測溫誤差

本文使用Voigt線型擬合，推導(dǎo)Gauss半寬進(jìn)而計算溫度。這種方法受到信噪比的影響較大，如圖4所示，本文試驗狀況下，原始信號的信噪比約為8。此時半寬擬合誤差約為5%，溫度測量誤差約10%。在7500K溫度下，溫度誤差約為750K。根據(jù)玻爾茲曼分布計算的濃度誤差約為300%。因此，濃度測量誤差的主要來源應(yīng)是溫度誤差。

5 結(jié) 論

針對大功率、大尺度電弧風(fēng)洞氣流參數(shù)難以定量測量的難題，搭建一套基于O原子吸收譜線的TDLAS系統(tǒng)并將其成功應(yīng)用于電弧風(fēng)洞中氣流參數(shù)診斷。利用O原子譜線777.19nm的譜線半寬獲得氣流平動溫度，利用積分吸收率獲得低能級O原子(5s0)數(shù)密度，結(jié)合溫度結(jié)果計算總的O原子數(shù)密度。在總焓22MJ/kg和18MJ/kg 2個典型工況下，測量水冷紫銅模型脫體激波后的溫度和O原子數(shù)密度。與計算結(jié)果對比，溫度相差分別為6.2%和3.2%，氧原子數(shù)密度的測量值是計算值的0.36和1.61倍。結(jié)果驗證了TDLAS在電弧風(fēng)洞中的氣流參數(shù)動態(tài)診斷能力，為下一步的電弧混合室氣流參數(shù)測量奠定基礎(chǔ)。

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(編輯：張巧蕓)

Measurements of gas temperature and atomic oxygen density in the arc-heated wind tunnel based on TDLAS

Ou Dongbin1, Chen Lianzhong1, Dong Yonghui1, Lin Xin1,*, Li Fei2, Yu Xilong2

(1. China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China; 2. State Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Large-scale, high-enthalpy arc heated wind tunnels are the most reliable ground test facilities to test thermal protection materials and heat shield structures for space vehicles. Flow conditions in the facility need to be monitored. Currently, the facility conditions are defined using either the anticipated surface temperature with an assuming emissivity or the expected heat flux level. While this is useful to evaluate relative performance of the facility, it is not sufficient for quantitative measurement of the flow conditions. Temperature is one of the most important thermodynamic quantities in determining arc heated wind tunnel because it is a key parameter in determining arc-heater operating status and chemical reactions. Therefore, the development of accurate quantitative diagnostic techniques is necessary for better understanding the complex physics involved in the arc heated wind tunnel. The design of a tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) system to probe gas parameters during a bow shock wave ahead of a water cooled copper cylinder is presented in this paper. TDLAS is an effective method for measuring gas temperature and concentration in many fields due to its advantage of non-intrusive, high sensitivity, gas-specific and quick response. In our studies, an atomic oxygen absorption line near 777.2nm is utilized for detecting the arc-heated plasma using scanned-wavelength direct absorption mode with 100Hz repetition rate. The value of temperature is inferred directly from the Doppler broadening component of the absorption lineshape. Moreover, the number density of atomic oxygen is also determined through the integrated absorbance assuming local thermal equilibrium conditions. The agreement of the experimental observations and theoretical calculations shows that the thermal equilibrium assumption is valid. The current experimental results of this study illustrate the high potential of TDLAS measurements for routine and economical monitoring of arc heated wind tunnel operating status (gas temperature) as well as the time-resolved flow conditions in front of the model.

1672-9897(2015)03-0062-06

10.11729/syltlx20140071

2014-06-25;

2014-12-20

OuDB,ChenLZ,DongYH,etal.Measurementsofgastemperatureandatomicoxygendensityinthearc-heatedwindtunnelbasedonTDLAS.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(3): 62-67. 歐東斌, 陳連忠, 董永暉, 等. 電弧風(fēng)洞中基于TDLAS的氣體溫度和氧原子濃度測試. 實驗流體力學(xué), 2015, 29(3): 62-67.

V556.4

A

歐東斌(1979-)，男，四川閬中人，高級工程師。研究方向：氣動熱試驗研究。通信地址：北京市7201信箱15分箱(100074)。E-mail：oudongbin@sina.com

*通信作者 E-mail: linxin_bit@163.com