基于TDLAS的電弧風(fēng)洞流場(chǎng)Cu組分監(jiān)測(cè)

陳衛(wèi)，伍越，黃禎君，王磊，袁竭，胡江華，王茂剛，朱濤

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所，綿陽(yáng) 621000

電弧風(fēng)洞是目前唯一具有模擬飛行馬赫數(shù)8～20的高超聲速飛行器長(zhǎng)時(shí)間氣動(dòng)熱環(huán)境的地面試驗(yàn)設(shè)備，可將空氣溫度迅速加熱到上萬(wàn)開(kāi)爾文，主要用于飛行器材料防熱特性或部件熱結(jié)構(gòu)性能的考核與鑒定，在軍事和商業(yè)航天領(lǐng)域，包括導(dǎo)彈、行星再入飛行器、高超聲速飛機(jī)、軍事/民用航天運(yùn)載工具、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等地面試驗(yàn)研究中得到了廣泛應(yīng)用和持續(xù)發(fā)展[1-3]。但是，電弧加熱器中水冷銅電極的燒損一直是影響流場(chǎng)品質(zhì)和加熱器性能的重要問(wèn)題。在大電流和高溫環(huán)境下，銅電極通過(guò)表面原子蒸發(fā)、剪切力作用、氣流引射等多種方式相互作用造成質(zhì)量損失，并污染流場(chǎng)[4-6]。首先，流場(chǎng)中額外增加的銅原子電離改變了電弧等離子體流場(chǎng)的導(dǎo)電特性[7]，影響“黑障”通信問(wèn)題研究[8]。其次，流場(chǎng)中大量的銅原子/離子改變了流場(chǎng)組分，加劇了地面試驗(yàn)與實(shí)際飛行的天地差異，影響對(duì)防熱材料燒蝕和表面催化等氣動(dòng)熱效應(yīng)的研究[9-10]。再次，電極的質(zhì)量損失也嚴(yán)重制約了電弧風(fēng)洞的長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)?zāi)芰妥陨硎褂脡勖Ｒ虼耍訌?qiáng)流場(chǎng)中銅原子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，既是加強(qiáng)流場(chǎng)分析與建模，以提高高超聲速地面試驗(yàn)精細(xì)化的需要，也是分析電極燒蝕機(jī)理，監(jiān)測(cè)電弧加熱設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的需要。

以往對(duì)銅污染和電極燒蝕研究的測(cè)量主要限于稱(chēng)重法和發(fā)射光譜法[11-12]，2004年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)阿姆斯研究中心和斯坦福大學(xué)的研究人員開(kāi)始采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技術(shù)對(duì)電弧加熱設(shè)備中銅原子(793.3 nm)含量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究[13]，而國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)導(dǎo)。稱(chēng)重法通過(guò)稱(chēng)量燒蝕前后的電極質(zhì)量變化來(lái)計(jì)算銅的燒損量，方法簡(jiǎn)單，但不能進(jìn)行過(guò)程測(cè)量，對(duì)電極燒蝕機(jī)理研究作用有限。而且為了稱(chēng)量電極質(zhì)量，需要完全拆卸電弧加熱設(shè)備，實(shí)際中不便于操作。發(fā)射光譜方法則由于受光學(xué)玻璃窗口和輻射光發(fā)散角度的影響，需要利用其他輻射譜線對(duì)銅原子輻射譜線進(jìn)行強(qiáng)度校正，而這種定量校正往往是非常困難的[13]。TDLAS技術(shù)以氣體分子的光譜共振吸收為原理，利用窄線寬的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器對(duì)待測(cè)氣體分子某一根或幾根譜線進(jìn)行掃描測(cè)量[14]。與光譜儀相比，激光器具有極高的光譜分辨率，能同時(shí)獲得譜線強(qiáng)度和譜線寬度等信息，比發(fā)射光譜技術(shù)更適合定量研究。并結(jié)合各種調(diào)制技術(shù)手段，可進(jìn)一步提高微量組分的測(cè)量極限[15]。雖然TDLAS技術(shù)在H2O、O2、CO2等分子氣體診斷中已經(jīng)應(yīng)用非常成熟，但由于在近紅外及以下波段的可調(diào)諧激光器選擇性非常少，使得其在高溫氣體原子組分診斷應(yīng)用中受到了極大限制。國(guó)際上，美國(guó)NASA阿姆斯研究中心在其60 MW電弧風(fēng)洞中成功實(shí)現(xiàn)了O、N、Ar、Cu、K等多種原子的TDLAS定量測(cè)量[13,16-17]，日本也在其高頻感應(yīng)等離子高焓風(fēng)洞中進(jìn)行了多次針對(duì)O和Ar原子的TDLAS試驗(yàn)[18-20]。在國(guó)內(nèi)，僅有中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院和中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所共同合作，基于O原子777.19 nm譜線實(shí)現(xiàn)了TDLAS技術(shù)在電弧風(fēng)洞內(nèi)外流場(chǎng)診斷中的應(yīng)用[21-22]。

1 TDLAS測(cè)量Cu濃度基本原理

根據(jù)Beer-Lambert定律[23]，可調(diào)諧激光被待測(cè)組分吸收后，透射光信號(hào)強(qiáng)度為

I(v)=I0(v)exp[-α·φ(v-v0)·L]

(1)

(2)

式中：λ0=1/v0，cm；gk和gi分別為上下能級(jí)的簡(jiǎn)并度；kB為玻爾茲曼常數(shù)，J/K；c為真空中光速，cm/s；h為普朗克常數(shù)，J·s；ΔEki為上下能級(jí)能量差，cm-1；T為電子激發(fā)溫度，K。本文采用的Cu原子809.25 nm譜線的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1[27]。

表1 Cu原子809.25 nm譜線的光譜參數(shù)[27]Table 1 Spectral line parameters of Cu atom at 809.25 nm[27]

在熱力學(xué)平衡條件下，低能級(jí)數(shù)密度ni與總原子數(shù)密度n0之間滿足玻爾茲曼關(guān)系[28]：

(3)

圖1 考慮玻爾茲曼分布和電離后Cu原子低能態(tài)占比與溫度的關(guān)系Fig.1 Fraction of lower state to total Cu species at different temperatures considering Boltzmann distribution and ionization

2 Cu組分含量監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方法

該次試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的20 MW片式電弧風(fēng)洞上開(kāi)展。電弧風(fēng)洞的核心設(shè)備就是電弧加熱器，起到將上游的常溫高壓空氣瞬時(shí)加熱到數(shù)千甚至上萬(wàn)開(kāi)爾文的作用，并通過(guò)高超聲速噴管產(chǎn)生高速高焓氣流用于模型試驗(yàn)。由于氣流經(jīng)過(guò)噴管后，溫度(靜溫)和壓力(靜壓)均急劇下降，不利于測(cè)量到Cu原子的吸收信號(hào)，因此本試驗(yàn)將電弧加熱器內(nèi)部流場(chǎng)氣體作為待測(cè)氣體，測(cè)量位置處于陰極與冷氣混合室之間，如圖2(a)所示。加熱器工作時(shí)，在陰極和陽(yáng)極之間持續(xù)產(chǎn)生電弧，為避免弧根固定在電極上某一位置造成嚴(yán)重電極燒損，電弧在磁旋和氣旋等方式作用下高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)電極也以高壓水冷方式進(jìn)行冷卻保護(hù)。流場(chǎng)中的銅便主要來(lái)自于電極的燒損，而電極燒損受電流加熱、流場(chǎng)剪切力、等離子體碰撞、弧根抖動(dòng)、氣流引射等多種因素綜合影響，機(jī)理復(fù)雜。由于加熱器內(nèi)部為高壓高溫環(huán)境，為了將激光順利穿透內(nèi)流場(chǎng)，特別設(shè)計(jì)了如圖2(b)所示的光學(xué)測(cè)量片。設(shè)計(jì)的光學(xué)測(cè)量片具有相互垂直的兩路激光通道，在本次試驗(yàn)中僅利用了其中的一路，通光孔徑為?4 mm。假設(shè)氣體吸收路徑長(zhǎng)度等于測(cè)量片內(nèi)孔直徑?100 mm。

每個(gè)光學(xué)轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部包含一柱狀藍(lán)寶石玻璃，用于傳輸激光的同時(shí)，也用于密封加熱器內(nèi)的高溫高壓氣體，并且轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)為內(nèi)SM1螺紋，便于與光纖準(zhǔn)直器(Thorlabs,F280APC-780)連接。激光出射端準(zhǔn)直器和接受端準(zhǔn)直器均通過(guò)多模光纖分別與可調(diào)諧激光器(Nanoplus,DFB)和光電探測(cè)器(Thorlabs,PDA100A-EC)連接。由于原子吸收具有非常低的飽和強(qiáng)度[13,26]，為避免吸收飽和，試驗(yàn)中除采用多模光纖(芯徑0.6 mm)進(jìn)行激光傳輸外，還對(duì)激光器的出射光強(qiáng)進(jìn)行了部分衰減，使得出射光功率密度約為0.02 mW/mm2，同時(shí)為了盡量提高測(cè)量信噪比，透射光進(jìn)入探測(cè)器之前進(jìn)行了適當(dāng)濾光。激光器的輸出波長(zhǎng)在試驗(yàn)前通過(guò)波長(zhǎng)計(jì)進(jìn)行了準(zhǔn)確測(cè)量，試驗(yàn)中以周期為0.25 s的鋸齒波進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，采用直接吸收法對(duì)CuⅠ的809.25 nm吸收譜線進(jìn)行測(cè)量。

為了反應(yīng)電極燒蝕的過(guò)程變化，結(jié)合電弧加熱器運(yùn)行特點(diǎn)，采用固定電壓和氣體流量、改變電流的工作方式，在同一車(chē)次中設(shè)計(jì)了如表2所示的4個(gè)狀態(tài)臺(tái)階，其中狀態(tài)I屬于起弧和流場(chǎng)建立階段，其在表中的狀態(tài)參數(shù)讀取自該階段后期某一時(shí)刻。表2中的電壓、氣流量、電流和弧室壓力參數(shù)均來(lái)自于實(shí)測(cè)，焓值采用能量法[30]計(jì)算得到，總溫根據(jù)焓值和壓力通過(guò)查表[31]得到。

表2 試驗(yàn)中電弧加熱器運(yùn)行參數(shù)Table 2 Running parameters of arc-heater in test

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

線性調(diào)諧激光波長(zhǎng)(即波長(zhǎng)掃描)，當(dāng)其接近Cu原子躍遷譜線時(shí)，便發(fā)生共振吸收。圖3中黑色點(diǎn)畫(huà)線表示的就是在一個(gè)波長(zhǎng)掃描周期內(nèi)光電探測(cè)器的輸出信號(hào)(即式(1)中的I(v))，可以看到明顯的吸收凹陷。由于在波長(zhǎng)掃描時(shí)，激光功率也會(huì)發(fā)生變化，甚至可能是非線性變化，為了準(zhǔn)確提取吸收系數(shù)，基線(即I0(v))的測(cè)量非常重要。試驗(yàn)中利用電弧加熱器點(diǎn)火之前和熄火之后的多次信號(hào)進(jìn)行平均得到I0(v)，多次平均可以提高I0(v)的信噪比。這樣使得在測(cè)量I0(v)和I(v)時(shí)，除激光穿透的氣體不一樣之外，激光器狀態(tài)、加熱器振動(dòng)、光路傳輸?shù)纫蛩鼗疽恢隆Ｎ諒?qiáng)度可以通過(guò)式(1)按-In(I(v)/I0(v))操作進(jìn)行基線校正后得到，即圖3中實(shí)線表示，實(shí)點(diǎn)表示按Voigt線型函數(shù)擬合曲線。

圖3 試驗(yàn)中代表性的Cu原子TDLAS吸收信號(hào)Fig.3 Representative TDLAS signal of copperatom in test

從圖4中可以看到：① 在臺(tái)階I的前期，即起弧和流場(chǎng)建立階段(弧室壓力在急劇上升)，TDLAS信號(hào)強(qiáng)度起伏非常劇烈，甚至出現(xiàn)了一次高達(dá)70.8%的極強(qiáng)吸收，反應(yīng)出此時(shí)電極燒損相對(duì)更加嚴(yán)重，而且十分不穩(wěn)定；② 在每次變狀態(tài)(即圖中電流或功率躍變)時(shí)，TDLAS信號(hào)會(huì)階躍式突然增強(qiáng)，一旦狀態(tài)穩(wěn)定后信號(hào)強(qiáng)度又出現(xiàn)明顯回落，而在不同功率臺(tái)階中TDLAS信號(hào)強(qiáng)度相差不大。粗略概算，狀態(tài)躍變時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)的2倍左右。TDLAS信號(hào)突變，反應(yīng)出在狀態(tài)躍變時(shí)電極燒損突然增強(qiáng)，這可能是由于狀態(tài)的突然改變使得原本相對(duì)穩(wěn)定的電弧出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)所致。當(dāng)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，電弧在磁旋和氣旋作用下以大約200～400 Hz頻率圍繞電極旋轉(zhuǎn)，并且弧根與電極表面之間也保持著一定的間距[11]，因此對(duì)電極的加熱比較均勻，同時(shí)電極的熱量大部分傳導(dǎo)進(jìn)入了冷卻水系統(tǒng)。而當(dāng)電弧劇烈抖動(dòng)時(shí)，電弧旋轉(zhuǎn)有所紊亂，致使其在電極某一位置滯留時(shí)間相對(duì)變長(zhǎng)，同時(shí)弧根也可能更靠近電極表面，造成電極局部熱流劇增，并且來(lái)不及被冷卻水帶走，從而突然增大了電極的燒損。之前研究表明，當(dāng)局域熱流低于40 MW/m2時(shí)，電極燒蝕量較小，但是隨著電弧的擾動(dòng)，瞬時(shí)熱傳導(dǎo)急劇升高，導(dǎo)致嚴(yán)重?zé)g[11]。

圖4 測(cè)量結(jié)果Fig.4 Measuring results

文獻(xiàn)[11]報(bào)道了采用稱(chēng)重法對(duì)美國(guó)空軍阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)H1電弧加熱器電極燒損的研究情況，在弧室壓力50～100 atm (1 atm=1.013 25×105Pa)、焓值4.6 ～7.0 MJ/kg、電流1 000 A 的狀態(tài)下，得到流場(chǎng)中銅組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為200×10-6，電極燒蝕率約為 2.6×10-4g/C。

表3 每個(gè)狀態(tài)下Cu組分含量與電極燒蝕的測(cè)量平均值Table 3 Average concentration of Cu species and erosion of electrodes in each running state

而文獻(xiàn)[13]報(bào)道了采用TDLAS方法對(duì)美國(guó)NASA 60 MW級(jí)電弧加熱器內(nèi)流場(chǎng)中銅組分診斷情況，在運(yùn)行功率21.5 MW時(shí)，得到銅組分?jǐn)?shù)密度約8.31×1013cm-3。考慮到設(shè)備和狀態(tài)的差異性，認(rèn)為本文所測(cè)得結(jié)果是可信的。通過(guò)表3還可以看到，在4個(gè)狀態(tài)臺(tái)階中，雖然電流不同，但電極燒蝕率差別不大，平均值為1.65×10-5g/C。這也符合電極燒蝕與運(yùn)行電流成正比的定性認(rèn)識(shí)。

4 結(jié) 論

采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)對(duì)電弧風(fēng)洞流場(chǎng)中Cu組分污染和電弧加熱器電極燒蝕情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究，彌補(bǔ)了以往采用稱(chēng)重法而不能進(jìn)行過(guò)程分析的缺陷，檢驗(yàn)了TDLAS技術(shù)在高溫流場(chǎng)診斷中的應(yīng)用前景。通過(guò)研究，得到如下結(jié)論：

1)在高溫流場(chǎng)建立階段以及功率躍變時(shí)，Cu原子吸收信號(hào)會(huì)呈階躍式增高，然后迅速回落，狀態(tài)躍變時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)的2倍左右，表明電弧的抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電極燒蝕嚴(yán)重加劇。

2)在加熱器內(nèi)部溫度等于總溫的近似下，估算了4個(gè)典型試驗(yàn)狀態(tài)下流場(chǎng)中Cu組分(包括Cu的原子態(tài)和離子態(tài))數(shù)密度在1014cm-3量級(jí)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)約(70～130)×10-6、平均電極燒蝕率約1.65×10-5g/C左右，并且電極燒蝕率在不同狀態(tài)下差異不大。

本試驗(yàn)研究提高了電弧風(fēng)洞非接觸測(cè)量能力，并較為定量地測(cè)量了流場(chǎng)中因水冷銅電極燒蝕導(dǎo)致的電弧風(fēng)洞高焓流場(chǎng)污染程度，可以為量化分析Cu組分污染對(duì)防熱材料的催化效應(yīng)提供支撐，有利于高超聲速地面試驗(yàn)流場(chǎng)與實(shí)際飛行環(huán)境的天地差異研究。更為重要的是，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)電弧加熱器運(yùn)行過(guò)程中電極燒蝕情況有了更直觀的了解，有利于電極燒蝕機(jī)理分析研究，并且為設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)提供了新的手段。但是，電弧加熱器中電極的燒蝕是非常復(fù)雜的過(guò)程，各種因素的影響還需要通過(guò)更多試驗(yàn)進(jìn)行研究。