電弧加熱器高溫流場激光吸收光譜診斷

曾 徽, 陳連忠, 林 鑫,2,*, 歐東斌, 董永輝

(1. 中國航天空氣動力技術研究院 電弧等離子應用裝備北京市重點實驗室, 北京 100074; 2. 中國科學院力學研究所, 北京 100090)

電弧加熱器高溫流場激光吸收光譜診斷

曾 徽1, 陳連忠1, 林 鑫1,2,*, 歐東斌1, 董永輝1

(1. 中國航天空氣動力技術研究院 電弧等離子應用裝備北京市重點實驗室, 北京 100074; 2. 中國科學院力學研究所, 北京 100090)

激光吸收光譜；電弧加熱器；等離子體流場診斷；原子氧粒子密度；氣流溫度

0 引 言

高焓電弧加熱器可以復現高超聲速飛行器再入飛行時的主要熱參數(焓，熱流)，依托空氣為介質的電弧風洞地面試驗可以有效地進行地球大氣再入飛行器防熱材料的篩選和考核，是目前各國進行熱防護的主要地面試驗設備[1-3]。地面模擬試驗的關鍵問題之一是獲得準確的電弧加熱器氣流運行參數，由于電弧加熱器內離解空氣溫度高于5000K，等離子體平動-轉動-振動激發和氣流組分(N2,N,NO,O2,O)的離解復合，傳統接觸式測量手段難以對高溫流場進行準確定量，限制了飛行器防熱材料及防熱結構研究的發展。近年來，以激光吸收光譜技術為代表的非接觸式光譜測量方法因具備對流場多參數實時診斷的能力和對流場無干擾的優點，成為了國際上高溫、高超設備流場診斷技術的發展熱點[4]。

國內外開展激光吸收光譜技術對大功率電弧加熱器診斷的應用較晚，在近10年才有相關研究結果發表。Stanford大學的Suhong Kim等選用O, N, Ar, Cu等原子譜線，對NASA Ames IHF 60MW電弧加熱器內和試驗艙內氣流進行了在線診斷，在國際上首次獲得了加熱器氣流溫度[5]。該研究小組應用外腔半導體激光器，選用777.19nm附近原子O譜線獲得了該加熱器在不同焓值下加熱器截面不同位置的氣流溫度，并與相關數值計算結果對比，獲得了良好的一致性[6]。日本東京大學的Makoto Matsui等基于777.19 nm原子O譜線，對高頻感應風洞(ICP)內氣流進行了診斷，基于測量的溫度結果計算獲得了氣流總焓，與其他接觸式手段測量結果一致[7]。在國內，中國航天動力技術研究院歐東斌等利用原子O激光吸收光譜技術，對某電弧風洞試驗艙內平頭圓柱體模型脫體激波波后氣體溫度和氧原子數密度進行了測量[8]，填補了國內在電弧風洞氣流診斷研究方面的空白。

1 激光吸收光譜(LAS)

1.1 基本原理

激光吸收光譜的基本理論已經得到研究人員的深入研究[10-11]。其基本原理可以歸納為：一束頻率為ν的單色激光通過待測流場，激光光子被待測組分吸收，入射光強和出射光強滿足Beer-Lambert定律：

其中I0為入射光強，I為出射光強，αν表示譜線吸收率,其滿足：

其中ΔνD，ΔνL分別表示Gauss半高全寬和Lorentz半高全寬，對譜線吸收率積分，獲得積分吸收率A：

基于電弧加熱器內熱平衡等離子體假設，通過獲得待測譜線的積分吸收率可以獲得待測粒子的數密度[6]。表1給出了本實驗所選原子O譜線的光譜基本參數。

表1 原子O吸收躍遷光譜參數Table 1 Fundamental spectroscopic data for the O

1.2 熱平衡等離子體

電弧加熱器通過電加熱的方式升溫獲得高焓氣流，對于高壓低速氣流，可以認為加熱器內等離子體處于局部熱平衡，相關的研究結果驗證了這一假設[12]。

基于局部熱平衡等離子體假設，氧原子低能級粒子數密度和總粒子數據密度滿足Boltzmann分布:

Qo表示原子O配分函數，它反映吸收躍遷對應低態粒子數占總粒子數的比值，可以用經驗公式[13]表示：

同時，總粒子數密度no滿足道爾頓分壓定律：

基于NASA平衡計算程序CEA[9]，圖1給出了2×105Pa和6×105Pa壓力下空氣平衡等離子體主要組分(N,NO,N2,O,O2)摩爾分數隨溫度(4000～10000K)的變化趨勢。基于公式(5)和(6)迭代求解，可以獲得氣流溫度。

圖1 (2,6)×105Pa壓力下空氣平衡等離子體組分濃度隨溫度的變化

Fig.1 Equilibrium gas composition for air plasma at different temperatures and at 2 and 6 atmospheric pressures

2 試驗部分

本實驗是在中國航天空氣動力技術研究院FD-04高焓電弧風洞上進行。如圖2所示，該電弧風洞主要組成部分包括：電弧加熱器、噴管、試驗段、冷卻器和真空系統。光學測量布置于電弧加熱器下游、噴管收縮段上游的位置，通過一套與電弧加熱器匹配安裝的光學測量夾片進行吸收測量，圖2左下角是光學夾片的簡要示意圖。通過在光學夾片對向設計通孔，并設計一體安裝的石英窗口和透鏡，保證入射激光的聚焦和透射激光被準確接收。光學夾片兩側水冷設計滿足試驗過程中光學系統安裝和實驗氣密要求，保證電弧加熱器長時間運行時光學夾片正常工作。

Fig.2 Schematic of the experimental setup of the arc-heated wind tunnel and the LAS system

圖2同時給出了激光吸收測量部分的示意圖。LAS光學系統主要由2部分構成：(1) 光學發射端；(2) 光學接收端。光學發射端由外腔半導體激光器、激光控制器、信號發生器、單模光纖及準直透鏡組成，激光控制器通過溫度控制和電流控制來調諧激光器腔長，改變激光器輸出波長，試驗中通過信號發生器輸出100Hz鋸齒波信號來進行電流調諧。光學接收端由多模光纖、探測器，示波器組成。試驗中采用Si探測器獲得激光光譜，由多通道Tek示波器接收。試驗獲得的吸收信號是基于時域的結果，需將其轉換為頻域分布。通過F-P腔精確標定，可以獲得時域-頻域的轉換關系。

需要強調的是，電弧加熱器運行面臨電磁、機械干擾的問題，因此光學元件需要進行電磁屏蔽處理，光學測量平臺遠離風洞試驗臺，通過長距離光纖進行激光傳輸。同時在光路安裝調試過程中，為避免風洞機械振動引起的光路偏離，引起吸收信號信噪比的下降，要進行專門的防振處理。圖3給出了電弧加熱器某一工況運行條件下獲得的原始吸收信號，局部放大圖給出了單個吸收掃描周期內的吸收信號，顯示出較高的信噪比。在整個24s的采集周期內，t=0.5s之前，風洞未啟動運行，之后隨氬氣起弧，吸收信號有一個很短的延遲，之后光譜吸收率逐漸增加并穩定，顯示電弧加熱器達到穩定的運行狀態。

本試驗針對電弧加熱器運行的2個狀態進行光學測量，電弧加熱器的運行工況如表2所示(總焓來自于平衡聲速法[14]，壓力來自于試驗測量，總溫來自于高溫平衡氣流表[15])：

表2 電弧加熱器運行工況Table 2 The operation conditions for the arc heater

Fig.3 Raw absorption signal under an operation condition，H0=15.8MJ/kg

3 試驗結果與分析

直接吸收光譜的關鍵在于獲得準確的基線通過吸收信號(透射光強)與基線(入射光強)之比獲得掃描周期內的吸收信號。本試驗采用的外腔式激光器，其輸出特性隨調諧電流的變化呈現非單調、非線性的變化趨勢，因此以往通過提取單個掃描周期內非吸收位置的數據進行多項式擬合來獲取基線已不適用。試驗通過記錄試驗前常溫空氣的背景吸收信號(吸收率為0)，以此為參照，通過背景吸收信號與目標周期信號光強之比獲得當前周期實際的背景基線，通過此方法處理得到當前周期的光譜吸收率，能減少光譜后處理過程中引入的人為誤差，得到信噪比高的的結果。同時，通過FP標準具標定單個吸收周期內時域與頻域關系，可獲得基于頻域的吸收結果。如圖4所示，對采用上述方法獲得的單周期內吸收率結果，采用Voigt線型對吸收信號進行擬合，可以獲得單周期內譜線的積分吸收率，通過進一步處理可獲得氣流的溫度和原子O的粒子數密度。

圖5給出了電弧加熱器2組工況下測量位置處等離子體氣流靜溫隨時間的變化。如圖5所示，在電弧加熱器起弧階段，氣流靜溫迅速上升并建立平衡。對于59-A工況，穩定后氣流平均靜溫為6057K，對應表2中總溫為6335K；對于59-B工況，穩定后氣流平均靜溫為5843K, 對應表2中總溫為5950K。

Fig.5 Measured temperature in the arc heater under two operation conditions

圖6(a)和(b)分別給出了電弧加熱器2組工況下測量位置處原子O總粒子數密度和低能級粒子數密度隨時間的變化。如圖6(a)所示,加熱器啟動后，原子O粒子數密度迅速上升，并迅速達到穩定，2組工況下原子氧數密度的數量級在(1.1～1.2)×1018cm-3。比較2組工況，在測量周期內，較低焓值、壓力的59-B工況的原子O低能級粒子數密度要高于較高焓值、壓力的59-A工況，這與圖1中平衡計算的結果是一致的。59-A、59-B工況靜溫在5800～6100K之間，在此溫度區間內，原子O的濃度隨溫度、壓力的增加而下降，進而引起 O原子總粒子數密度的減少。圖6(b)中2典型工況下電弧加熱器啟動，原子O低能級粒子數密度迅速升高，并逐漸平衡。59-A 工況原子O低能級粒子數密度在1.6×1010cm-3左右，59-B工況原子O低能級粒子數密度在1×1010cm-3左右，較高焓值下出現更高密度的原子O低能級粒子數密度躍遷。

Fig.6 Measured number density of atomic oxygen in the arc heater under two operation conditions

對于59-A和59-B 2組工況，氣流穩定后，溫度和原子氧粒子密度結果均出現小幅、規律性的周期振蕩，振蕩頻率約為1Hz，與圖3中原始吸收信號一致。分析此振蕩的原因：光學夾片采用切向進氣的方式進入弧室，經逐步加熱升溫至穩定，因此在光學夾片內側形成局部不穩定的薄冷流區，局部冷流區內氣流溫度低于弧室核心流，因而當此區域冷氣通過光路時，激光光譜沿光路線積分平均測量的特性引起實際測量值被拉低，待冷氣逐漸升溫穩定，溫度又重新升高，出現周期振蕩的規律。同時，對于59-A較高焓值的運行工況，溫度振蕩幅度低于59-B較低焓值的狀態，其原因在于59-A工況光學夾片處冷流區要小于59-B工況，與不同工況下光學夾片的進氣量相關。

4 結 論

本研究將激光吸收光譜技術(LAS)應用于高焓電弧風洞弧室內等離子體氣流診斷。針對總焓15.8MJ/kg和17.4MJ/kg 2組典型工況，獲得了弧室內等離子體氣流溫度和原子O (5s0)低能級粒子數密度，獲得如下結論：

(1) 本研究驗證了激光吸收光譜對大功率電弧加熱器的準確定量能力。利用LAS測量技術獲得了59-A、59-B 2組工況的氣流平均靜溫，分別為5843K和6057K,對應高溫平衡氣流表獲得的總溫分別為5950K,6335K；

(2) 激光吸收光譜技術驗證了弧室熱平衡等離子體假設的可靠性。59-A、59-B 2組工況測得了原子粒子數密度，對比基于NASA-CEA局部熱平衡假設的計算結果，2組工況的粒子數密度差異吻合。

(3) 本研究工作說明激光吸收光譜診斷電弧加熱器流場具有非常高的測量靈敏度。59-A、59-B工況狀態接近(ΔH0:1.6MJ/kg, ΔP:0.1 atm，ΔT0<400K)，光譜測量結果準確地獲得2工況參數(溫度、粒子密度)的差異，與平衡計算和接觸式測量結果基本一致。

本研究驗證了LAS光譜方法對高焓電弧加熱器氣流參數的在線診斷能力，該測量結果可以直接應用于對風洞運行參數的評估，同時為相關數值計算提供數據支撐，激光吸收光譜技術可作為電弧加熱器和風洞試驗艙高溫等離子體氣流診斷的常規測量手段。下一步工作將應用多光路-激光吸收光譜技術對電弧加熱器截面氣流參數進行診斷，獲得弧室截面的二維定量信息。此外，該光譜診斷技術將擴展應用于高頻感應風洞等其他類型的高焓電弧設備的多組分(O,CO,NO等)流場診斷。

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(編輯：張巧蕓)

Laser absorption spectroscopy diagnostics in the arc-heater of an arcjet facility

Zeng Hui1, Chen Lianzhong1, Lin Xin1,2,*, Ou Dongbin1, Dong Yonghui1

(1. Beijing Key Laboratory of Arc Plasma Application Equipment, China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China; 2. Institute of Mechanics, China Academy of Science, Beijing 100090, China)

laser absorption spectroscopy;arc heater;plasma flow diagnostics;number density of atomic oxygen;gas temperature

1672-9897(2017)04-0028-06

10.11729/syltlx20160179

2016-11-25;

2017-01-03

ZengH,ChenLZ,LinX,etal.Laserabsorptionspectroscopydiagnosticsinthearc-heaterofanarcjetfacility.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 28-33. 曾 徽, 陳連忠, 林 鑫, 等. 電弧加熱器高溫流場激光吸收光譜診斷. 實驗流體力學, 2017, 31(4): 28-33.

V556.4

A

曾 徽(1989-)，男，湖南益陽人，工程師。研究方向：氣動熱試驗分析、吸收光譜、發射光譜燃燒診斷。通信地址：北京市云崗西路17號中國航天空氣動力技術研究院(100074)。E-mail: zenghuikeda@outlook.com

*通信作者 E-mail: linxin_bit@163.com