PDF《CARS 在超音速燃烧研究中的应用 3》

CARS 在超音速燃烧研究中的应用

3 赵建荣 杨仕润 俞刚(中国科学院力学研究所高温气体动力学开放研究实验室 ,北京 ,100080) 摘要 : 报道了氮、 氧和水的 Q 支CARS 谱以及氢的 S(5) 和S(6) 纯转动 CARS 的测量结果 ,并 用来确定超音速燃烧火焰中的温度及氢和氧的浓度 ;

用水的 Q 支CARS 谱得到共振与非共振谱积 分面积比随浓度的变化曲线.

提出并发展的同时测量氢和氧的 CARS 谱新方法 ,为同时测量火焰 温度和氢、 氧浓度提供了一条途径 ,特别对不含氮的燃烧系统更具重要意义. 关键词 : 氢和氧的 CARS 谱 同时两点测量 超音速燃烧 温度和浓度分布 Study of supersonic combustion by CARS measurement technique Zhao Jianrong , Yang S hirun , Y u Gong (Laboratory of High Temperature Gas Dynamics ,Institute of Mechanics , Chinese Academy of Sciences ,Beijing ,100080) Abstract : The Q2branch CARS of N2 , O2 ,H2O and rotational CARS of H2 (S(5) and S(6) ) were measured and used to determining temperatures and concentrations of H2 and O2 in a supersonic combus2 tion flame. The Q2branch CARS of H2O were used to obtain the curve of area ratio of resonat and non2 resonat CARS versus concentration. The new method of simultaneously measuring CARS of H2 and O2 , which was developed in our laboratory , provides a way for simultaneously obtaining temperature and con2 centration of H2 and O2 in flame , especially for nitrogen free condition. Key words : H2 and O2 CARS spectra simultaneous measurements at two points supersonic com2 bustion distributions of temperature and concentration

3 国家自然科学基金和

8632222 专题项目资助. 参考文献1Yariv A. Circuit and Devices ,

1989 ;

5(6) :25

2 Haden J ,Endriz J ,Sakamoto M et al. SPIE ,1995 ;

2382 :2

3 Figueroa L. Handbook of Solid2state Lasers. New York and Basel :Marcel Dekker Inc ,1991 :113

4 Streifer W ,Burnham R D ,Paoli T L et al. Laser Focus ,

1984 ;

113 :100

5 Streifer W ,Scifres D R ,Harnagel G L et al , IEEE J Q E ,1988 ;

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6 Schaus C F ,Shealy J R ,Eastman L F.J Crystal Growth ,1985 ;

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7 Botez D ,Scrifres D R. Diode Laser Arrays. Cambridge :Cambridge University Press ,1994

8 Derry P L , Yariv A. A P L ,1987 ;

50(25) :1773

9 L F World ,1999 ;

August :11

10 L F World ,1999 ;

June :59

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3 作者简介 :曹三松 , 男,1959 年7月出生.副研究员.现主要从事激光器件和技术的研究. 收稿日期 :1999209221 收到修改稿日期 :1999210214 第24 卷第4期2000 年8月激光技术LASER TECHNOLOGY Vol.

24 ,No.

4 August ,2000 引言相对于其它的非侵入式光学测量手段 ,如自发喇曼和激光诱导荧光 ,CARS(Coherent An2 tistokes Raman Spectroscopy) 以其高强度、 高的抗干扰能力和相干特性而适用于较为恶劣的燃 烧环境测量.所以 ,在70 年代和

80 年代 ,该领域研究人员的大部分注意力集中于相干反斯托 克斯喇曼光谱(CARS) 技术研究上 ,这期间 CARS 成功地演示了内燃机、 涡轮机、 锅炉、 烧煤的 磁流体发电机以及具有加力燃烧室的喷气发动机的温度及成分测量[1 ] . 到目前为止 ,CARS 测量经常是以氮作为测量对象来确定火焰温度.这是因为火焰中一 般存在有丰富的氮气 ,因此 ,可得到较强的 CARS 信号 ;

加之氮的理论 CARS 计算较成熟 ,容易 得到可靠的温度信息.但是 ,它无法用于不含氮的燃烧中 ,如氢/ 氧火箭发动机 ,并且为测量其 它对燃烧更为重要成分的浓度 ,则需要更换染料激光器的染料 ,然后再进行测量.除了实验的 繁琐外 ,由于测试条件难以保证重复性 ,必然会给以温度为基本参数而确定的浓度造成较大误 差.为解决这一问题 , 在80 年代发展了多色 CARS[2 ] ,即至少增加一台染料激光器 ,以同时获 得温度和浓度信息 ,但设备昂贵和光路的复杂化则是它不可避免的缺点.在80 年代后期 ,又 出现了用一台染料激光器获得 N2 ,CO2 ,H2 的CARS 信号方法[3 ] ,但染料激光线宽 ( FWHM) 要求在 200cm -