戴斌，阮俊，許振宇，李俊松，闞瑞峰，姚路

（1.中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703；2.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥230031）

基于TDLAS技術(shù)的燃燒室出口溫度場(chǎng)測(cè)量

戴斌1，阮俊2，許振宇2，李俊松1，闞瑞峰2，姚路2

（1.中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703；2.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥230031）

為驗(yàn)證可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒流場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域的適用性，以自主設(shè)計(jì)的高溫升模型燃燒室為研究對(duì)象，結(jié)合多光路正交布網(wǎng)的測(cè)量方法，對(duì)燃燒室出口的燃?xì)鉁囟冗M(jìn)行測(cè)量，并利用層析算法實(shí)現(xiàn)測(cè)量截面的二維分布重建，同時(shí)采用固定的溫度探針進(jìn)行測(cè)量與對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用TDLAS結(jié)合層析重建的方法，基本能獲得具有時(shí)間分辨的燃燒室出口溫度分布的主要特征，可以區(qū)分高溫區(qū)和低溫區(qū)，但單線測(cè)量和場(chǎng)分布重建精度還有待于進(jìn)一步提高。進(jìn)一步優(yōu)化該系統(tǒng)，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口溫度和組分濃度分布測(cè)量。

可調(diào)諧二極管吸收光譜（TDLAS）；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；燃燒室；出口溫度場(chǎng)；多光路正交；試驗(yàn)驗(yàn)證；二維重建

1　引言

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）測(cè)量技術(shù)，是一種新興的基于激光吸收光譜分析的燃燒診斷技術(shù)［1-2］，可實(shí)現(xiàn)高溫、高流速環(huán)境下的多流場(chǎng)參數(shù)測(cè)量。相比傳統(tǒng)的探針式接觸測(cè)溫法，TDLAS具有不干擾待測(cè)流場(chǎng)、靈敏度高、譜分辨率高、響應(yīng)時(shí)間快、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍寬、多參量同時(shí)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。

近年來，TDLAS技術(shù)在燃燒流場(chǎng)診斷上的應(yīng)用研究日益受到重視，內(nèi)容涵蓋了從實(shí)驗(yàn)室高溫光譜參數(shù)研究到燃燒環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量診斷的各個(gè)層面。如Griffiths等［3］首次將該技術(shù)應(yīng)用于脈沖式超燃設(shè)備的燃燒室出口溫度測(cè)量；Liu等［4］利用該技術(shù)在燃燒室出口截面的8個(gè)不同高度，同時(shí)測(cè)量了尾氣溫度和水蒸氣分壓；Rieker等［5］利用燃燒室出口溫度測(cè)量結(jié)果，成功捕捉了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒振蕩現(xiàn)象；Gruber等［6］利用9個(gè)測(cè)量光束，得到了燃燒室出口靜溫的大致截面分布，并結(jié)合平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）技術(shù)和CFD結(jié)果，分析了燃燒狀況；Behrendt等［7］對(duì)一預(yù)混燃燒器的內(nèi)部燃燒區(qū)和出口CO和NO等組分濃度進(jìn)行了測(cè)量，并與探針測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，盡管對(duì)比結(jié)果不理想，但作者提出了對(duì)TDLAS系統(tǒng)的一些改進(jìn)措施。國內(nèi)李飛和余西龍等［8-9］開展了TDLAS技術(shù)在超燃燃燒流場(chǎng)測(cè)量上的應(yīng)用研究，并取得較大進(jìn)展。

在TDLAS測(cè)量場(chǎng)分布的重建研究方面，國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量研究。如Martin［10］、Busa［11］等采用TDLAS結(jié)合計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)（CT），完成了在平焰爐上的驗(yàn)證試驗(yàn)；Kasyutich等［12］用對(duì)射收發(fā)結(jié)構(gòu)，通過伺服旋轉(zhuǎn)的方式掃描獲取5個(gè)投影扇束共計(jì)55射束的投影，采用代數(shù)迭代（ART）算法對(duì)圓形和矩形加熱體組合的溫度分布重建進(jìn)行了驗(yàn)證；Wang等［13］采用ART算法對(duì)低溫下NH3排放的溫度、濃度分布進(jìn)行了重建研究；Ma［14］采用6條固定測(cè)量光路，選擇H2O在1 333～1 337 nm范圍內(nèi)的其中100個(gè)吸收峰波長位置，進(jìn)行了Hencken平焰爐爐面溫度和H2O濃度的重建；李寧等［15］采用4投影方向，每組8個(gè)均勻分布射束，4個(gè)測(cè)量波長，利用遺傳模擬退火算法，進(jìn)行了拋物面上疊加雙高斯峰溫度模型、雙高斯H2O濃度分布模型的重建模擬；姜治深［16］利用H2O的兩條吸收譜線測(cè)量了平面燃燒爐上甲烷/空氣的預(yù)混平面火焰，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，利用編寫的基于ART算法的氣體濃度重建程序，重建了H2O的濃度和溫度的二維分布。

從以上研究可以看出，當(dāng)前TDLAS技術(shù)在國內(nèi)外的超燃領(lǐng)域應(yīng)用較成熟，但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒領(lǐng)域應(yīng)用極少，基本未見相關(guān)報(bào)道。本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫升模型燃燒室為試驗(yàn)對(duì)象，在其出口截面上，采用TDLAS的雙線直接吸收法，以多光路正交布網(wǎng)的方式，對(duì)燃燒室出口的H2O濃度和燃?xì)鉁囟冗M(jìn)行測(cè)量，并與探針測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。后處理中結(jié)合CT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燃燒室出口H2O濃度和燃?xì)鉁囟榷S分布重建。本次研究是TDLAS技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)測(cè)量上的初步嘗試，旨在進(jìn)行先進(jìn)的非接觸式測(cè)試技術(shù)應(yīng)用探索。

2　TDLAS測(cè)量與重建原理

2.1TDLAS測(cè)溫原理

激光穿過氣體介質(zhì)后，其光強(qiáng)變化遵循Beer-Lambert定律：

式中：I、I0分別為吸收后和入射激光強(qiáng)度；Si（T）為該譜線強(qiáng)度（簡稱線強(qiáng)），表示該譜線的吸收強(qiáng)度；p為氣體總壓；L為光學(xué)路徑長度；X為氣體體積濃度；?（ν）為線型函數(shù)，表示被測(cè)吸收譜線形狀。圖1為線強(qiáng)吸收原理示意圖。

圖1　線強(qiáng)吸收原理示意圖Fig.1 The principle of line light intensity absorption

吸收線強(qiáng)是溫度的函數(shù)，隨溫度的變化關(guān)系主要由低態(tài)能級(jí)決定。任何兩個(gè)不同低態(tài)能級(jí)的吸收躍遷線強(qiáng)比值，為溫度的單調(diào)函數(shù)（或隨溫度變化的函數(shù)唯一）。采用雙線測(cè)溫法測(cè)氣體溫度時(shí)，兩條氣體吸收線為同一種氣體同一吸收路徑下經(jīng)一次掃描所得，濃度、壓強(qiáng)等參數(shù)可通過運(yùn)算消去，得到關(guān)于溫度的表達(dá)式：

據(jù)此，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得的兩條躍遷吸收譜線的積分吸光度的比值，就可推算出溫度值：

獲得燃燒場(chǎng)溫度后，便可通過任意一條吸收線來計(jì)算吸收組分的摩爾分?jǐn)?shù)：

2.2溫度場(chǎng)分布重建原理

采用多光路相正交的測(cè)量方法，即正交固定網(wǎng)格測(cè)量法實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)分布測(cè)量。其原理是通過將待測(cè)區(qū)域分成許多網(wǎng)格，并對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行多路測(cè)量進(jìn)而得到每個(gè)網(wǎng)格的信息，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)具有時(shí)間和空間分辨的溫度二維分布測(cè)量。二維區(qū)域的網(wǎng)格化測(cè)量技術(shù)按照模擬量的數(shù)字化思想實(shí)現(xiàn)：首先將二維區(qū)域劃分為一定數(shù)量的微區(qū)，假設(shè)微區(qū)內(nèi)的溫度、濃度等參數(shù)均勻分布，這樣就得到了若干交匯路徑；再采用CT技術(shù)中的ART方法，進(jìn)一步推算出微區(qū)的待測(cè)物理量，據(jù)此過程列寫符合的物理規(guī)律方程，如式（5）所示；最后根據(jù)先驗(yàn)邊界條件求解方程，從而獲得每個(gè)微區(qū)網(wǎng)格內(nèi)的物理量平均值，得到具有一定分辨率的二維場(chǎng)。正交網(wǎng)格法的具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2　正交網(wǎng)格法場(chǎng)分布重建示意圖Fig.2 The sketch map of field distributed reconstruction using orthogonal grid method

ART方法本質(zhì)為在一定最優(yōu)化和邊界約束條件下對(duì)式（5）的最優(yōu)求解過程，其對(duì)投影射線安排的要求相對(duì)自由，能夠在投影數(shù)目減少和存在測(cè)量噪聲時(shí)，實(shí)現(xiàn)一定分辨的重建［17］。

3　出口溫度場(chǎng)試驗(yàn)與驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)件與測(cè)量裝置

試驗(yàn)件為自主設(shè)計(jì)的用于燃燒場(chǎng)可視化研究的高溫升模型燃燒室，如圖3所示。其流道為矩形結(jié)構(gòu)，由直壁擴(kuò)壓器、火焰筒及其頭部、機(jī)匣和電嘴等組成。其中火焰筒頭部包括雙級(jí)軸向旋流器、燃油噴嘴、擋板和帽罩等組件。本次試驗(yàn)中，將圖中所示兩側(cè)板更換為盲板進(jìn)行試驗(yàn)。

出于對(duì)TDLAS技術(shù)試驗(yàn)與驗(yàn)證的目的，需要根據(jù)試驗(yàn)件出口結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)光機(jī)測(cè)量機(jī)構(gòu)，同時(shí)還要考慮激光光路的安裝調(diào)節(jié)，玻璃視窗的防污染和清潔，以及整體機(jī)構(gòu)的高溫冷卻等。光機(jī)測(cè)量機(jī)構(gòu)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)激光的視線測(cè)量及總溫探針的驗(yàn)證測(cè)量。綜合考慮后，該測(cè)量裝置設(shè)計(jì)為圖4所示結(jié)構(gòu)。

圖3　高溫升模型燃燒室試驗(yàn)件Fig.3 High temperature rise combustor model

圖4　試驗(yàn)件出口光機(jī)測(cè)量機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)3D視圖Fig.4 The 3D view of optical mechanical construction for measurement of sample exit

在鄰近光機(jī)測(cè)量機(jī)構(gòu)的進(jìn)口連接法蘭端面處（盡量貼近試驗(yàn)件出口截面處），采用多光路布網(wǎng)傳輸，相交織光路形式，將燃燒室出口橫截面分成5×3的網(wǎng)格，在壁面上布置帶防油霧和防積碳污染功能的光路探測(cè)裝置。緊隨其后，在距TDLAS視線光路所在截面下游2.0 mm處，布置2支7點(diǎn)總溫總壓復(fù)合探針用于數(shù)據(jù)驗(yàn)證。TDLAS系統(tǒng)光路與探針測(cè)量的相對(duì)位置如圖5所示，其中1#、3#光路分別對(duì)應(yīng)1#和2#總溫總壓探針的測(cè)量點(diǎn)，5#和7#光路與鄰近探針測(cè)點(diǎn)的縱向距離為3.0 mm。光路之間間距25.0 mm，每支探針相鄰測(cè)點(diǎn)之間間距11.0 mm。整個(gè)機(jī)構(gòu)采用帶夾層水套的形式通水冷卻。

圖5　TDLAS系統(tǒng)光路與探針測(cè)量相對(duì)位置示意圖Fig.5 Opposite measurement position sketch of probe and light path of TDLAS system

3.2測(cè)量系統(tǒng)組成

試驗(yàn)件進(jìn)口分別采用單支3點(diǎn)總溫總壓復(fù)合探針和單點(diǎn)靜壓孔測(cè)量進(jìn)氣總溫、總壓和靜壓，空氣流量采用標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量。

采用中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所自主設(shè)計(jì)的TDLAS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。該系統(tǒng)主要由控制機(jī)箱和數(shù)據(jù)采集模塊組成，如圖6所示?？刂茩C(jī)箱主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，包含DFB激光器、光纖分束器、小型化激光器驅(qū)動(dòng)模塊、激光器掃描波形發(fā)生模塊和弱信號(hào)處理模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成對(duì)模擬光譜信號(hào)的數(shù)字化和溫度反演功能?？刂茩C(jī)箱與光機(jī)測(cè)量機(jī)構(gòu)之間通過光纖和同軸電纜連接，實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)傳輸。

圖6　TDLAS測(cè)量系統(tǒng)組成Fig.6 The structure of TDLAS measurement system

3.3試驗(yàn)參數(shù)與試驗(yàn)方法

出于技術(shù)驗(yàn)證的目的，在兩個(gè)不同壓力狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，具體參數(shù)見表1。表中，W為試驗(yàn)件進(jìn)口空氣流量，p3為進(jìn)口總壓，T3為進(jìn)口總溫。

表1　試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)Table 1 Test state parameters

試驗(yàn)在中國燃?xì)鉁u輪研究院傳熱試驗(yàn)器上進(jìn)行，試驗(yàn)件與光機(jī)測(cè)量機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖7所示。根據(jù)文獻(xiàn)［18］，在分析了TDLAS的直接吸收和二次諧波兩種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)后，決定采用直接吸收法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前先調(diào)整TDLAS系統(tǒng)測(cè)量光學(xué)發(fā)射、接收模塊，使激光能有效接收。系統(tǒng)采用鋸齒波形進(jìn)行波長掃描，利用每個(gè)周期內(nèi)激光器不出光部分消除輻射背景，同時(shí)利用系統(tǒng)本身具有的波長鎖定功能。點(diǎn)火后，TDLAS系統(tǒng)處于待測(cè)狀態(tài)，當(dāng)判斷到有效溫度值時(shí)，與探針采集系統(tǒng)同時(shí)開始數(shù)據(jù)保存。試驗(yàn)過程中，采用氮?dú)鈱?duì)壁面內(nèi)通光小孔進(jìn)行吹掃，以防止油、水和炭黑等進(jìn)入小孔阻擋光路。采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茩C(jī)箱的上位機(jī)進(jìn)行處理，輸出溫度、H2O濃度多路平均結(jié)果。

圖7　試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.7 The test photo

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1TDLAS測(cè)量結(jié)果

圖8和圖9分別為表1所示兩個(gè)狀態(tài)下，8條光路在H2O的1 398 nm附近的兩條吸收譜線下測(cè)量，經(jīng)式（2）、式（3）推算得到的燃?xì)忪o溫和H2O分壓結(jié)果。圖中各曲線是對(duì)溫度數(shù)據(jù)輸出頻率為14 Hz的各光路的數(shù)據(jù)按秒平均后的結(jié)果?？梢?，兩個(gè)狀態(tài)下8條光路的測(cè)量值均差別較大，且分布規(guī)律基本一致，即3#和4#光路的溫度測(cè)量值較高，0#和1#光路的測(cè)量值最低，穩(wěn)定時(shí)間段最大相差約400 K，其余光路的測(cè)量值相對(duì)較接近。由此可看出，燃燒室試驗(yàn)件出口的燃?xì)鉁囟确植紭O不均勻。

4.2對(duì)比驗(yàn)證

為驗(yàn)證TDLAS系統(tǒng)測(cè)溫的準(zhǔn)確度，選取圖5中的4條光路進(jìn)行對(duì)比：①1#光路與1#探針的平均測(cè)量值；②3#光路與2#探針的平均測(cè)量值；③5#光路與16、22兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均測(cè)量值；④7#光路與12、26兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均測(cè)量值。將探針測(cè)量值換算為靜溫，以時(shí)間為橫軸，同一時(shí)段內(nèi)的對(duì)比如圖10和圖11所示。

圖10　探針和TDLAS對(duì)應(yīng)光路測(cè)溫結(jié)果對(duì)比（狀態(tài)1）Fig.10 Results comparison of temperature measurements between probe and corresponding light path of TDLAS（test state 1）

圖11　探針和TDLAS對(duì)應(yīng)光路測(cè)溫結(jié)果對(duì)比（狀態(tài)2）Fig.11 Results comparison of temperature measurements between probe and corresponding light path of TDLAS（test state 2）

為具體量化兩者間的差異，分別選取，兩個(gè)狀態(tài)的測(cè)量時(shí)段中，試驗(yàn)件進(jìn)口壓力和供油量都非常穩(wěn)定的局部時(shí)段的平均測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)果見表2。表中α為對(duì)比時(shí)段內(nèi)燃燒室余氣系數(shù)，Tpro，i（i=1，2）表示探針溫度平均測(cè)量值；Ttdl，j（j=1，3，5，7）表示各對(duì)比光路溫度測(cè)量值，Tpro，（16，22）表示探針上16和22兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均測(cè)量值，Tpro，（12，26）表示探針上12和26兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均測(cè)量值，Tpro、Ttdl分別表示2支探針和TDLAS系統(tǒng)8條光路的總體平均值，誤差為TDLAS測(cè)量值與探針測(cè)量值之差。

表2　探針和TDLAS測(cè)溫值對(duì)比Table 2 Comparison of temperature measurements between probes and TDLAS

從對(duì)比情況看，所選取的TDLAS4條光路測(cè)量值與探針測(cè)量值相差較大。兩個(gè)狀態(tài)下TDLAS的3#和5#光路測(cè)量值較探針測(cè)量值偏高，1#和7#光路測(cè)量值則偏低，除5#光路誤差稍大外，其余光路的誤差值大都在±（100～200）K范圍內(nèi)。但從總體平均值對(duì)比看，TDLAS測(cè)量值與探針測(cè)量值較接近，絕對(duì)誤差不超過50 K，狀態(tài)2基本持平。分析認(rèn)為，TDLAS的單線測(cè)量值偏差較大的原因可能有：

（1）TDLAS測(cè)溫主要是應(yīng)用氣體吸收線強(qiáng)比值隨溫度的單調(diào)變化關(guān)系。對(duì)于選定的吸收線對(duì)其躍遷低態(tài)能級(jí)差固定，則TDLAS測(cè)溫不確定度主要取決于兩條吸收線積分吸光度的相對(duì)不確定度和溫度值，即式（6）：

測(cè)量中，由于現(xiàn)場(chǎng)電子學(xué)干擾串入到光電轉(zhuǎn)換信號(hào)傳輸線中，測(cè)量光譜本身疊加了干擾，對(duì)其中一條吸收線影響嚴(yán)重，典型光譜如圖12所示。如對(duì)于1 200 K靜溫，假設(shè)Line 1測(cè)量不確定度為1%，Line 2測(cè)量不確定度分別為3%、10%時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫度不確定度將分別為41.5 K和131.8 K，Line 2受影響程度更大。

（2）TDLAS測(cè)量的溫度，是采用吸收線強(qiáng)比值法計(jì)算獲得的沿路徑加權(quán)平均意義下的靜溫值。假設(shè)測(cè)量光譜信噪比滿足要求（溫度測(cè)量不確定度相應(yīng)較小），而測(cè)量路徑上溫度、H2O濃度不均勻時(shí)，測(cè)量加權(quán)平均結(jié)果在路徑最低溫度與最高溫度之間，與熱電偶實(shí)際測(cè)量值存在差異，差異程度取決于積分路徑上H2O濃度分布均勻情況。

圖12　存在干擾的典型測(cè)量光譜Fig.12 The typical measurement spectrum with disturbance

本次試驗(yàn)中，如果測(cè)量截面上包含相對(duì)較低的溫度區(qū)域，且H2O濃度也較高，則低溫部分吸收在整個(gè)測(cè)量光路累加積分結(jié)果中將占很大份額，從而導(dǎo)致溫度測(cè)量值被拉低。偏差大小與實(shí)際分布相關(guān)，該部分為理論固有偏差。這也是低溫區(qū)TDLAS的測(cè)量值更低的主要原因。

圖13　狀態(tài)1出口溫度分布部分重建結(jié)果（順流向）Fig.13 Partial reconstruction results of exit temperature field of test state 1（along the flow direction）

4.3場(chǎng)分布重建結(jié)果

圖13和圖14為采用ART方法獲得的不同時(shí)間點(diǎn)下的燃燒室試驗(yàn)件出口溫度2D分布結(jié)果?？梢姡紵页隹跍囟确植紭O不均勻，順流向看測(cè)量截面的右半?yún)^(qū)域溫度較高。該溫度的分布趨勢(shì)與數(shù)值模擬結(jié)果大體一致，但在具體像素位置和數(shù)值上還存在較大誤差。這一方面與采用較稀疏的5×3正交固定視線測(cè)量方法有關(guān)，另一方面ART算法本身也存在一定誤差。

圖14　狀態(tài)2出口溫度分布部分重建結(jié)果（順流向）Fig.14 Partial reconstruction results of exit temperature field of test state 2（along the flow direction）

目前，國內(nèi)外在二維溫度場(chǎng)重建的測(cè)量光路設(shè)計(jì)和算法分析方面還不是很成熟。如文獻(xiàn)［19］認(rèn)為，對(duì)于對(duì)稱的單峰非均勻溫度場(chǎng)，ART算法的最大偏差和相對(duì)偏差都較??；而對(duì)于雙峰溫度場(chǎng)，最大偏差和相對(duì)偏差都較大，并出現(xiàn)嚴(yán)重失真。同時(shí)，文中還確定5×5的路徑排布為單峰分布的最佳測(cè)量方案。文獻(xiàn)［20］研究了扇形光束和平行光束分布下，光線數(shù)目和網(wǎng)格數(shù)目對(duì)溫度場(chǎng)重建結(jié)果的影響規(guī)律，表明光纖間距與網(wǎng)格間距比在0.6～1.0范圍內(nèi)時(shí)，重建溫度場(chǎng)相對(duì)均方誤差最小，而本文的這個(gè)比值大于等于1.0。文獻(xiàn)［21］通過在平焰爐上的驗(yàn)證試驗(yàn)，分析了ART算法對(duì)結(jié)果的影響，認(rèn)為當(dāng)吸收率存在5.0%的測(cè)量誤差時(shí)，可引起最大10.5%的吸收比誤差；1 500 K溫度下，該誤差最大可帶來16.0%的溫度測(cè)量誤差，吸收率的測(cè)量誤差決定著最終的溫度重建精度。

5　結(jié)論及討論

本文采用TDLAS技術(shù)，以及在燃燒室出口采用多光路相正交的測(cè)量方法，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫升模型燃燒室出口H2O濃度和燃?xì)鉁囟乳_展了測(cè)試與驗(yàn)證研究，并結(jié)合層析重建方法，獲得了具有時(shí)間和空間分辨的場(chǎng)分布。測(cè)量和重建結(jié)果基本能反映具有時(shí)間分辨的燃燒室出口溫度分布的主要特征，可區(qū)分高溫區(qū)和低溫區(qū)，但單線測(cè)量和場(chǎng)分布重建精度還有待進(jìn)一步提高。

本次研究摸索出了TDLAS技術(shù)在溫度場(chǎng)分布測(cè)量上的應(yīng)用方法，發(fā)現(xiàn)了其在實(shí)際工程試驗(yàn)中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，如信噪比、吸收率誤差、測(cè)量視線布局設(shè)計(jì)和ART算法優(yōu)化等。本文僅是TDLAS技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)測(cè)量上的初步應(yīng)用探索，在測(cè)量方案設(shè)計(jì)、算法選擇、數(shù)據(jù)處理和重建精度評(píng)估等多個(gè)方面還需要深入的研究，在下一步工作中將逐步開展。

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Measurement of combustor exit temperature field based on tunable diode laser absorption spectroscopy technology

DAI Bin1，RUAN Jun2，XU Zhen-yu2，LI Jun-song1，KAN Rui-feng2，YAO Lu2
（1.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou Sichuan 621703；2.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，CAS，Hefei 230031）

In order to grope for the applicability of tunable diode laser absorption spectroscopy（TDLAS）technology in the combustion field measurement of aero engine combustor，a high temperature rise model combustor was used for study.The gas temperature at the combustor exit section was measured by TDLAS technology and the grid method of orthogonal intersection of multiple light path.The two dimensional distribution reconstruction in the measurement section was realized combined with tomography arithmetic.The TDLAS measurements were verified using the measured value of fixed temperature probes at the combustor exit.The results indicate that the primary characteristic of combustor exit temperature distribution with time resolution could be captured applying the method of TDLAS combined with tomography reconstruction，and the high and low temperature zone can be distinguished.But the precision of single light path measurement and distribution reconstruction would be improved further in the future.The optimized TDLAS system will be used to measure the temperature and concentration distributions of aero-engine combustor exit.

tunable diode laser absorption spectroscopy（TDLAS）；aero-engine；combustor；exit temperature field；orthogonal intersection of multiple light path；test and verification；two dimensional reconstruction

V231.2；TK311

A

1672-2620（2015）04-0049-08

2015-06-09；

2015-07-20

戴斌（1962-），女，江蘇鹽城人，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室試驗(yàn)研究。