基于相干反斯托克斯拉曼散射的二维温度场扫描测量

开展了基于相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术的二维温度场扫描测量研究。通过同步扫描测量点及信号接收端的方式,实验测量了甲烷/空气预混火焰水平截面离散点的温度,并插值重建了二维温度场;用同步扫描法调节测量点与火焰的位置,实现了在扫描过程中对火焰同一空间位置的温度测量,排除了火焰空间分布不均匀性对扫描测温结果的附加影响。最后分析了提出的扫描CARS测量系统在实验设定状态下的扫描测温A类不确定度。结果显示:在扫描测量同一空间位置的实验中,测得该点平均温度为2 074K;测温A类不确定度优于21K。本研究量化了扫描CARS温度测量系统的不确定度,提高了扫描温度测量结果的可信度,为后续稳态火焰温度分布高精度测量、计算机流体动力学(CFD)模拟验证及燃烧基本问题研究奠定了实验基础。     

冲压发动机羽流温度 TDLAS 在线测量系统

为实现碳氢燃料冲压发动机羽流温度在线测量,以H_2O分子为目标组分,通过分子光谱仿真计算优选(7 444.352+7 444.371) cm~(-1)-(7 185.586 5+7 185.597 3) cm~(-1)谱线对,采用扫描波长直接吸收光谱-时分复用(SDAS-TDM)策略设计了用于碳氢燃料冲压发动机羽流参数测量的可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)系统,并利用预混平面火焰炉验证了该系统测温精度,结果显示采用此系统对预混平面火焰炉高度1 cm处火焰温度测量结果与标准参考值相对偏差均在15%之内。在此基础上,将该系统应用于碳氢燃料冲压发动机羽流参数测量,通过交替调制1 392 nm与1 343 nm半导体激光器,测量调制激光经待测区域后的光强衰减信号,获得H_2O分子在(7 444.352+7 444.371) cm~(-1)和(7 185.597+7 185.597 3) cm~(-1)谱线吸收光谱,通过双线技术实现了发动机羽流温度在线测量,为碳氢燃料冲压发动机燃烧组织与性能评估提供重要参考。     

基于1397nm波长H_2O分子吸收光谱的温度测量研究

为了准确获得燃烧场温度信息,利用可调谐半导体激光吸收光谱技术进行了气体温度测量实验。利用1397nm波长范围内的两条H_2O吸收谱线进行气体温度测量,简化了实验装置和数据处理的复杂程度。将两种测量方法得到的温度与管炉温度对比,可以看出直接吸收光谱的测量误差在3%以内,波长调制光谱误差在4%。结果表明,1397nm波长范围内的两条H_2O吸收谱线可以用于TDLAS气体温度的测量,并且测量的精度较高。     

激光片光浓度场测量系统及其在风洞模拟中的应用

为在大型环境风洞中模拟大气污染物迁移扩散状况,开发出污染物浓度激光片光测量系统和污染物发放系统。基于激光片光浓度场测量系统,风洞模拟得到城市环境下点、线和面源污染物的扩散分布图案。基于风洞试验工况的边界条件,计算流体动力学(CFD)仿真得到污染物扩散分布,CFD仿真结果和激光片光浓度测量结果,两者定性一致,达到了相互印证的效果。将研究开发的激光片光浓度场测量系统和定量采样方法相结合,有望实现风洞试验中污染物浓度场的定量测试。     

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的水汽测温研究

采用可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)的波长调制技术,实现气体温度的测量。通过波长调制的原理测量温度,考虑到H2O在大气中、工业生产中普遍存在的优势,选择H2O在1397nm附近谱线对,分别测量了谱线对在400℃、600℃、800℃、1000℃、1100℃5个温度测量点的二次谐波信号,通过分析二次谐波信号的峰—峰比值与温度的关系,获得温度测量值。实验结果表明,在400~1100℃温度范围内,系统测量的温度误差最大值不超过0.113%。     

隔离段内激波位置对TDLAS测量结果影响规律研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)可以实现流场多组分、多参数的测量,具有其极强的环境适应性,可以用于超燃冲压发动机流场测量。为了研究超燃冲压发动机流场中激波对TDLAS测量的影响,利用计算流体力学方法(CFD)模拟了四种马赫数条件下的斜坡流场分布,采用双谱线测温法获得垂直于流道方向每条光线的平均温度。分析了温度测量结果与激波分布的关系,给出了TDLAS光学探头测量位置的建议。本文得到的结论对TDLAS工程应用和测量结果分析具有重要的参考意义。     

基于TDLAS的高温光谱参数测量方法研究

准确测量流场温度有助于了解燃烧机理,提高燃烧效率。论文提出了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的流场检测方法,通过特定组份对激光的吸收精确测量流场温度、组分浓度等信息,可以用于燃烧场分析,实现发动机性能评价等。设计了测量平台,以常见的水分子吸收谱线为研究对象,对测量方法进行了验证。针对目前TDLAS在测量高温时没有精确的光谱参数支撑这一主要问题,改进了现有的测量设备,提高了可测量温度范围,为TDLAS分析高温流场提供了理论基础。     

基于气凝胶气体扩散的二氧化碳浓度梯度平台的设计

为了更简单并准确的形成二氧化碳(Carbon Dioxide,CO_2)气体浓度梯度,构建具有生理意义的CO_2浓度梯度范围,从而研究不同浓度CO_2引起的细胞响应,本文通过仿真和实验相结合的方法,对CO_2在多孔介质气凝胶中的扩散情况进行了研究。首先通过气体在多孔介质内扩散的经验公式,估算扩散系数,利用COMSOL Multiphysics软件,建立CO_2气体扩散模拟三维模型,研究不同平均孔隙半径和孔隙率对CO_2气体在多孔介质气凝胶中扩散的影响。结果表明,多孔介质的平均孔隙半径和孔隙率越大,达到CO_2浓度梯度稳态所用的时间越短,但对最后在多孔介质内形成的浓度梯度没有影响。最后设计并搭建基于气凝胶的CO_2浓度梯度发生装置,初步验证仿真结果。     

基于NDIR开放光路CO_2浓度测量的标定方法研究

针对非分散红外(non-dispersive infrared,NDIR)开放光路CO_2/H_2O分析仪测量CO_2浓度时,压强、气体间交叉干扰和温度对测量结果的影响,介绍了一种修正这些影响的方法,分别分析压强、气体间交叉干扰和温度对CO_2吸光度的影响,然后,分别进行校准修正,并利用校准后的CO_2吸光度与不同浓度CO_2标准气体进行多阶拟合,分析比较后,选择最优拟合。校准后的仪器通过测量CO_2标准气体,相对误差在0.4%～2.1%之间,稳定度为0.31%。实验结果表明提出的基于NDIR开放光路CO_2浓度测量的标定方法是可行的。     

红外CO_2浓度检测中的温度补偿方法研究

非色散红外CO_2气体传感器在测量CO_2浓度时受温度的影响而存在测量误差,运用受控马氏链算法建立一阶受控马尔可夫链温度模型,对温度进行动态补偿。首先介绍了CO_2浓度测量原理;其次叙述了动态系统马氏链模型的描述方法;然后推导出状态转移概率矩阵的计算方法;最后针对浓度测量建立受控马氏链模型,并根据该模型运用Monte Carlo方法在MATLAB上进行仿真。仿真结果表明:受控马氏链算法可以削弱温度变化造成测量误差,达到补偿预期效果。     

调制电流噪声对TDLAS气体检测影响的研究

为了量化分析电流噪声对TDLAS气体检测结果的影响,文中根据半导体二极管激光器的技术参数,针对氧气在760 nm附近处的单吸收谱线,构建了完整的基于波长调制(WMS)方法气体浓度测量的Simulink仿真模型,分析了系统噪声来源。在充分考虑残余振幅调制的情况下,系统量化分析了由调制电流噪声引起的调制激光噪声对气体浓度监测误差率的影响,并基于最小二乘法,拟合了调制噪声与浓度检测误差率的二次关系式。     

热流环境下航空发动机短环形火焰筒动力学响应特性分析

采用数值仿真分析方法对航空发动机短环形火焰筒结构进行简化处理,构建短环形火焰筒结构模型。通过有限元方法对结构进行流固耦合分析计算,得到火焰筒壁面温度分布及气动压力分布,计算火焰筒结构热模态结果并分析。通过耦合的有限元/边界元法以扩散场的形式对火焰筒结构施加噪声激励载荷,对火焰筒结构多场耦合非线性动力学响应特性进行分析,获得了短环形火焰筒结构在温度载荷、气动力载荷与噪声载荷耦合作用下的动力学响应规律。     

种子呼吸CO2浓度检测系统

针对传统种子呼吸CO_2浓度检测方法中检测精度低的问题,为了满足测量需要,提出一种采用可调谐二极管激光器吸收光谱技术的种子呼吸测量系统方案。该系统是由多次反射池结构的种子呼吸容器、分布反馈式激光器及其控制电路、光电转换及放大电路、数据采集电路、上位机软件等构成,设计种子呼吸容器其空间体积为1.5L,激光器光源采用2 004nm波段,多次反射池光程为16m。然后,基于朗伯比尔定律,通过波长调制吸收光谱技术,利用二次谐波实时反演出种子呼吸过程中产生CO_2气体的浓度。测试结果显示:种子呼吸CO_2浓度测量的稳定重复性为0.033%,CO_2浓度的线性拟合度为0.999 38,CO_2浓度检测极限为1.7ppm。通过实验对糯玉米种子进行检测,获得20g玉米种子呼吸的变化曲线,其12h内变化量为2 750.5ppm,呼吸速率为229.2ppm/h,实验结果表明该系统能解决种子呼吸CO_2浓度无法连续性测量、浓度检测精度低等问题。     

用离轴峰值法测定氩等离子体电弧的温度分布

用离轴峰值法测定等离子体电弧中的温度分布,只需测定一条谱线的归一化发射系数分布。在较高的温度下,测量精度优于谱线相对强度法。此法应用时有一定的温度下限,对于氩等离子体电弧,其中心最高温度必须超过氩原子谱线的正态温度(约15×10~3K)。实验测得了氩等离子体电弧的径向温度分布。以ArI4510,ArI6965谱线分别测得的温度分布基本吻合。     

油封温度场的数值模拟与实验研究

利用有限元模拟得到油封唇口的柯西接触应力和接触宽度,并计算得到油膜厚度;建立二维轴对称CFD数值模型,考虑油封橡胶的导热和散热作用,模拟油封唇口温度场分布;通过红外测温实验对模拟结果进行验证。CFD数值模拟结果表明:生热率、唇口最高温度和油封唇口与轴表面最大温差都随轴转速增加而增加;生热率和油封唇口与轴表面最大温差随油温增加而减小,唇口最高温度随油温增加而增加;油温对油膜厚度的影响大于轴转速对油膜厚度的影响,而转速是影响唇口最高温度的最主要因素;考虑油封橡胶的导热和散热作用,能够更加真实地反应出油封的摩擦生热和散热机制。红外测温实验结果与CFD数值模拟结果的偏差小于2%,说明CFD数值模拟得到的油封温度场与实际相符。     

一种新型炉膛火焰温度图像检测仪

设计了一种新型的便携式炉膛火焰温度图像检测装置,系统由便携式炉膛火焰探测器及基于DSP的数字电路组成,通过对火焰辐射图像的处理直接给出火焰温度图像的检测结果。温度检测方法是采用基于彩色火焰图像r、g、b三基色的综合测温法,该方法通过黑体炉的标定具有较高的测量精度。在一台300MW电站锅炉上的仿真实验表明,炉膛内的燃烧温度与负荷的变化相同,检测结果与比色高温计检测结果相比,误差在5％之内。     

回音壁模式微波谐振腔温度模拟研究与设计

回音壁模式微波谐振腔用于工业温度精密测量具有测量精度高、抗震性强、成本低等优点。该文对直径和高度均为12 mm的圆柱状蓝宝石及其2倍尺寸的铜腔进行温度模拟仿真,通过对谐振频率和品质因数与温度的变化关系进行研究,并与实验结果进行对比,获得仿真结果的温度测量精度,为微波谐振腔测温仪的小型化和高精密研究提供参考,加快其在高精密工业测温领域的广泛应用。     

临近空间风温遥感干涉仪设计及正演

临近空间(20～100 km)风温探测对于大气物理和空间科学的发展具有重要的学术意义和应用价值。以1.27μm附近的O_2(a~1Δ_g)气辉为辐射源,采用广角迈克尔逊干涉仪进行临边观测,能够实现平流层、中间层及低热层区域(40～80 km)大气风场和温度场的同时探测。本文设计了临近空间风温遥感干涉仪,并对该仪器进行了仪器建模及正演仿真。根据气辉临边辐射光谱特性及谱线选取的原则,提出了采用两组强度不同的谱线进行风温遥感,弱线用于低空探测,以避免自吸收效应对测量结果的影响;强线用于高空探测,以期实现高的测量精度。建立了由大气辐射传输模块,迈克尔逊干涉仪模块,滤波器模块,以及光学系统、传感器阵列、红外焦平面等设备的系统参数组成的正演模型。通过正演模型获得了临边观测图像,并对风速及温度的测量不确定度进行了计算。数值模拟结果表明,在40～80 km的高度内,风测量精度为1～3 m/s,温度测量精度为1～3 K,满足临近空间风温探测精度的要求。     

住宅辐射空调系统排风气流组织特性研究

定性分析了采用辐射空调系统的住宅户型内集中排风和分散排风两种气流组织的特点,并利用计算流体动力学(CFD)建模模拟了集中排风和分散排风两种气流组织下室内温度、压强和CO_2浓度分布特性,为同类工程建筑的设计提供参考。     

TDLAS一氧化碳浓度检测系统误差分配

在利用可调谐二极管激光吸收光谱技术测量一氧化碳(CO)气体浓度时,反演精度受光强、温度、压强等的影响,需要对系统的总体误差进行分析与分配。为了提高TDLAS的测量精度,降低多项误差对测量的影响,本文提出了对系统各个测量误差的分配方法。首先建立了CO浓度反演的误差模型,基于二次谐波测量原理引入了二次谐波峰值、光强、驱动电流、温度、压强和光程几项误差;其次,利用随机化方法分别研究了系统各项误差对浓度误差的影响,并通过数值拟合的方法推导了浓度误差与各项误差的关系,比较了浓度误差对各项误差变化的灵敏度;最后,根据求得的灵敏度关系,综合考虑浓度测量要求以及现有器件的工艺水平,对各项误差进行了合理、有效的分配。利用蒙特卡洛法对本文所提出的各项误差分配方案进行了仿真,仿真结果表明,在CO体积分数为2.5%时,该误差分配方案可使浓度测量的绝对误差小于0.025%。在实验室条件下对体积分数为2.5%的CO进行了测量,其绝对误差小于0.01%,实现了对CO气体浓度的高精度反演。本文的研究结果保证了TDLAS浓度检测系统在多项误差影响下的测量精度,同时,可有效降低系统的设计难度和经济成本,对仪器的开发和应用具有重要的指导意义。