2 500 K高溫穩(wěn)定碳?xì)淙剂先紵h(huán)境CARS測量試驗

王朝宗，白冰，齊新華, *，陳爽

1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所，綿陽 621000 2.空氣動力學(xué)國家重點實驗室，綿陽 621000

中國空氣動力研究與發(fā)展中心（China Aerodynamics Research and Development Center，CARDC）設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所光譜診斷實驗室基于小分子碳?xì)淙剂象w系在國內(nèi)首次搭建了最高溫度可達(dá)2 500 K的高溫穩(wěn)定層流燃燒便攜試驗系統(tǒng)，并于2022年5～8月使用相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy，CARS）火焰溫度測量技術(shù)完成了寬范圍溫度環(huán)境的測量試驗，多工況的溫度測量結(jié)果位于1 713～2 530 K的寬溫度（約800 K）范圍內(nèi)。

溫度高于2 300 K的高溫環(huán)境多出現(xiàn)于先進(jìn)的航空航天發(fā)動機燃燒室，此類燃燒環(huán)境均有較為復(fù)雜的熱管理或熱防護(hù)設(shè)計。對于實驗室量級的測溫技術(shù)研究和發(fā)展，此類燃燒環(huán)境有2個難點：一是實現(xiàn)成本和難度較大，二是燃燒流動過程較為復(fù)雜。目前公開文獻(xiàn)少有實驗室量級、穩(wěn)定性高、工作時間長、實現(xiàn)方式便捷且溫度高于2 300 K的燃燒環(huán)境的報道。此次試驗基于McKenna平面火焰預(yù)混燃燒器，以甲烷作為燃料、氧氣/氮氣混合氣作為氧化劑，以預(yù)混形式進(jìn)入燃燒器集氣腔，通過調(diào)節(jié)當(dāng)量比和預(yù)混氣中不參與化學(xué)反應(yīng)的氮氣占比實現(xiàn)不同燃燒溫度。CARS溫度測量系統(tǒng)如圖1所示。采用非穩(wěn)腔空間增強探測（USED）的相位匹配方式，將泵浦光和探測光整形為環(huán)形光束，并與Stokes光聚焦于測試燃燒器爐面上方流場被測位置，通過帶有ICCD陣列的光譜儀采集CARS信號，采用CARSCF計算程序?qū)庾V進(jìn)行多參數(shù)擬合，最終得到測點溫度。

圖1 CARS溫度測量系統(tǒng)

表1給出了7種工況的狀態(tài)參數(shù)和距離爐面3個不同高度測點的溫度測量結(jié)果。測點1～3的高度分別為5、10和15 mm。前3個工況是為驗證測溫技術(shù)而對已報道工況的重復(fù)，后4個工況則是為實現(xiàn)更高溫度而自行設(shè)計的。通過設(shè)計匹配多變量之間的相互關(guān)系、調(diào)整當(dāng)量比以及氧氣的含量，此次試驗實現(xiàn)了高達(dá)2 500 K的穩(wěn)定層流燃燒環(huán)境，表中7種工況、3個測點的21個溫度測量結(jié)果在200 s內(nèi)的溫度波動低于5%。表中提供的溫度環(huán)境（特別是高于2 300 K的溫度環(huán)境）可以為抗高溫材料定量考核、高溫溫度測量技術(shù)校準(zhǔn)與驗證、高溫燃燒機理研究及高效實驗室研究環(huán)境提供方便。

表1 不同工況狀態(tài)參數(shù)及 CARS 溫度測量結(jié)果