電弧加熱器高溫流場(chǎng)激光吸收光譜診斷

曾 徽, 陳連忠, 林 鑫,2,*, 歐東斌, 董永輝

(1. 中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院 電弧等離子應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100074; 2. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所, 北京 100090)

電弧加熱器高溫流場(chǎng)激光吸收光譜診斷

曾 徽1, 陳連忠1, 林 鑫1,2,*, 歐東斌1, 董永輝1

(1. 中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院 電弧等離子應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100074; 2. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所, 北京 100090)

激光吸收光譜；電弧加熱器；等離子體流場(chǎng)診斷；原子氧粒子密度；氣流溫度

0 引 言

高焓電弧加熱器可以復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行器再入飛行時(shí)的主要熱參數(shù)(焓，熱流)，依托空氣為介質(zhì)的電弧風(fēng)洞地面試驗(yàn)可以有效地進(jìn)行地球大氣再入飛行器防熱材料的篩選和考核，是目前各國(guó)進(jìn)行熱防護(hù)的主要地面試驗(yàn)設(shè)備[1-3]。地面模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵問題之一是獲得準(zhǔn)確的電弧加熱器氣流運(yùn)行參數(shù)，由于電弧加熱器內(nèi)離解空氣溫度高于5000K，等離子體平動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)-振動(dòng)激發(fā)和氣流組分(N2,N,NO,O2,O)的離解復(fù)合，傳統(tǒng)接觸式測(cè)量手段難以對(duì)高溫流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確定量，限制了飛行器防熱材料及防熱結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展。近年來，以激光吸收光譜技術(shù)為代表的非接觸式光譜測(cè)量方法因具備對(duì)流場(chǎng)多參數(shù)實(shí)時(shí)診斷的能力和對(duì)流場(chǎng)無干擾的優(yōu)點(diǎn)，成為了國(guó)際上高溫、高超設(shè)備流場(chǎng)診斷技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)[4]。

國(guó)內(nèi)外開展激光吸收光譜技術(shù)對(duì)大功率電弧加熱器診斷的應(yīng)用較晚，在近10年才有相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表。Stanford大學(xué)的Suhong Kim等選用O, N, Ar, Cu等原子譜線，對(duì)NASA Ames IHF 60MW電弧加熱器內(nèi)和試驗(yàn)艙內(nèi)氣流進(jìn)行了在線診斷，在國(guó)際上首次獲得了加熱器氣流溫度[5]。該研究小組應(yīng)用外腔半導(dǎo)體激光器，選用777.19nm附近原子O譜線獲得了該加熱器在不同焓值下加熱器截面不同位置的氣流溫度，并與相關(guān)數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比，獲得了良好的一致性[6]。日本東京大學(xué)的Makoto Matsui等基于777.19 nm原子O譜線，對(duì)高頻感應(yīng)風(fēng)洞(ICP)內(nèi)氣流進(jìn)行了診斷，基于測(cè)量的溫度結(jié)果計(jì)算獲得了氣流總焓，與其他接觸式手段測(cè)量結(jié)果一致[7]。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)航天動(dòng)力技術(shù)研究院歐東斌等利用原子O激光吸收光譜技術(shù)，對(duì)某電弧風(fēng)洞試驗(yàn)艙內(nèi)平頭圓柱體模型脫體激波波后氣體溫度和氧原子數(shù)密度進(jìn)行了測(cè)量[8]，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在電弧風(fēng)洞氣流診斷研究方面的空白。

1 激光吸收光譜(LAS)

1.1 基本原理

激光吸收光譜的基本理論已經(jīng)得到研究人員的深入研究[10-11]。其基本原理可以歸納為：一束頻率為ν的單色激光通過待測(cè)流場(chǎng)，激光光子被待測(cè)組分吸收，入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)滿足Beer-Lambert定律：

其中I0為入射光強(qiáng)，I為出射光強(qiáng)，αν表示譜線吸收率,其滿足：

其中ΔνD，ΔνL分別表示Gauss半高全寬和Lorentz半高全寬，對(duì)譜線吸收率積分，獲得積分吸收率A：

基于電弧加熱器內(nèi)熱平衡等離子體假設(shè)，通過獲得待測(cè)譜線的積分吸收率可以獲得待測(cè)粒子的數(shù)密度[6]。表1給出了本實(shí)驗(yàn)所選原子O譜線的光譜基本參數(shù)。

表1 原子O吸收躍遷光譜參數(shù)Table 1 Fundamental spectroscopic data for the O

1.2 熱平衡等離子體

電弧加熱器通過電加熱的方式升溫獲得高焓氣流，對(duì)于高壓低速氣流，可以認(rèn)為加熱器內(nèi)等離子體處于局部熱平衡，相關(guān)的研究結(jié)果驗(yàn)證了這一假設(shè)[12]。

基于局部熱平衡等離子體假設(shè)，氧原子低能級(jí)粒子數(shù)密度和總粒子數(shù)據(jù)密度滿足Boltzmann分布:

Qo表示原子O配分函數(shù)，它反映吸收躍遷對(duì)應(yīng)低態(tài)粒子數(shù)占總粒子數(shù)的比值，可以用經(jīng)驗(yàn)公式[13]表示：

同時(shí)，總粒子數(shù)密度no滿足道爾頓分壓定律：

基于NASA平衡計(jì)算程序CEA[9]，圖1給出了2×105Pa和6×105Pa壓力下空氣平衡等離子體主要組分(N,NO,N2,O,O2)摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度(4000～10000K)的變化趨勢(shì)?；诠?5)和(6)迭代求解，可以獲得氣流溫度。

圖1 (2,6)×105Pa壓力下空氣平衡等離子體組分濃度隨溫度的變化

Fig.1 Equilibrium gas composition for air plasma at different temperatures and at 2 and 6 atmospheric pressures

2 試驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院FD-04高焓電弧風(fēng)洞上進(jìn)行。如圖2所示，該電弧風(fēng)洞主要組成部分包括：電弧加熱器、噴管、試驗(yàn)段、冷卻器和真空系統(tǒng)。光學(xué)測(cè)量布置于電弧加熱器下游、噴管收縮段上游的位置，通過一套與電弧加熱器匹配安裝的光學(xué)測(cè)量夾片進(jìn)行吸收測(cè)量，圖2左下角是光學(xué)夾片的簡(jiǎn)要示意圖。通過在光學(xué)夾片對(duì)向設(shè)計(jì)通孔，并設(shè)計(jì)一體安裝的石英窗口和透鏡，保證入射激光的聚焦和透射激光被準(zhǔn)確接收。光學(xué)夾片兩側(cè)水冷設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)過程中光學(xué)系統(tǒng)安裝和實(shí)驗(yàn)氣密要求，保證電弧加熱器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)光學(xué)夾片正常工作。

Fig.2 Schematic of the experimental setup of the arc-heated wind tunnel and the LAS system

圖2同時(shí)給出了激光吸收測(cè)量部分的示意圖。LAS光學(xué)系統(tǒng)主要由2部分構(gòu)成：(1) 光學(xué)發(fā)射端；(2) 光學(xué)接收端。光學(xué)發(fā)射端由外腔半導(dǎo)體激光器、激光控制器、信號(hào)發(fā)生器、單模光纖及準(zhǔn)直透鏡組成，激光控制器通過溫度控制和電流控制來調(diào)諧激光器腔長(zhǎng)，改變激光器輸出波長(zhǎng)，試驗(yàn)中通過信號(hào)發(fā)生器輸出100Hz鋸齒波信號(hào)來進(jìn)行電流調(diào)諧。光學(xué)接收端由多模光纖、探測(cè)器，示波器組成。試驗(yàn)中采用Si探測(cè)器獲得激光光譜，由多通道Tek示波器接收。試驗(yàn)獲得的吸收信號(hào)是基于時(shí)域的結(jié)果，需將其轉(zhuǎn)換為頻域分布。通過F-P腔精確標(biāo)定，可以獲得時(shí)域-頻域的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

需要強(qiáng)調(diào)的是，電弧加熱器運(yùn)行面臨電磁、機(jī)械干擾的問題，因此光學(xué)元件需要進(jìn)行電磁屏蔽處理，光學(xué)測(cè)量平臺(tái)遠(yuǎn)離風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)，通過長(zhǎng)距離光纖進(jìn)行激光傳輸。同時(shí)在光路安裝調(diào)試過程中，為避免風(fēng)洞機(jī)械振動(dòng)引起的光路偏離，引起吸收信號(hào)信噪比的下降，要進(jìn)行專門的防振處理。圖3給出了電弧加熱器某一工況運(yùn)行條件下獲得的原始吸收信號(hào)，局部放大圖給出了單個(gè)吸收掃描周期內(nèi)的吸收信號(hào)，顯示出較高的信噪比。在整個(gè)24s的采集周期內(nèi)，t=0.5s之前，風(fēng)洞未啟動(dòng)運(yùn)行，之后隨氬氣起弧，吸收信號(hào)有一個(gè)很短的延遲，之后光譜吸收率逐漸增加并穩(wěn)定，顯示電弧加熱器達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

本試驗(yàn)針對(duì)電弧加熱器運(yùn)行的2個(gè)狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，電弧加熱器的運(yùn)行工況如表2所示(總焓來自于平衡聲速法[14]，壓力來自于試驗(yàn)測(cè)量，總溫來自于高溫平衡氣流表[15])：

表2 電弧加熱器運(yùn)行工況Table 2 The operation conditions for the arc heater

Fig.3 Raw absorption signal under an operation condition，H0=15.8MJ/kg

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

直接吸收光譜的關(guān)鍵在于獲得準(zhǔn)確的基線通過吸收信號(hào)(透射光強(qiáng))與基線(入射光強(qiáng))之比獲得掃描周期內(nèi)的吸收信號(hào)。本試驗(yàn)采用的外腔式激光器，其輸出特性隨調(diào)諧電流的變化呈現(xiàn)非單調(diào)、非線性的變化趨勢(shì)，因此以往通過提取單個(gè)掃描周期內(nèi)非吸收位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合來獲取基線已不適用。試驗(yàn)通過記錄試驗(yàn)前常溫空氣的背景吸收信號(hào)(吸收率為0)，以此為參照，通過背景吸收信號(hào)與目標(biāo)周期信號(hào)光強(qiáng)之比獲得當(dāng)前周期實(shí)際的背景基線，通過此方法處理得到當(dāng)前周期的光譜吸收率，能減少光譜后處理過程中引入的人為誤差，得到信噪比高的的結(jié)果。同時(shí)，通過FP標(biāo)準(zhǔn)具標(biāo)定單個(gè)吸收周期內(nèi)時(shí)域與頻域關(guān)系，可獲得基于頻域的吸收結(jié)果。如圖4所示，對(duì)采用上述方法獲得的單周期內(nèi)吸收率結(jié)果，采用Voigt線型對(duì)吸收信號(hào)進(jìn)行擬合，可以獲得單周期內(nèi)譜線的積分吸收率，通過進(jìn)一步處理可獲得氣流的溫度和原子O的粒子數(shù)密度。

圖5給出了電弧加熱器2組工況下測(cè)量位置處等離子體氣流靜溫隨時(shí)間的變化。如圖5所示，在電弧加熱器起弧階段，氣流靜溫迅速上升并建立平衡。對(duì)于59-A工況，穩(wěn)定后氣流平均靜溫為6057K，對(duì)應(yīng)表2中總溫為6335K；對(duì)于59-B工況，穩(wěn)定后氣流平均靜溫為5843K, 對(duì)應(yīng)表2中總溫為5950K。

Fig.5 Measured temperature in the arc heater under two operation conditions

圖6(a)和(b)分別給出了電弧加熱器2組工況下測(cè)量位置處原子O總粒子數(shù)密度和低能級(jí)粒子數(shù)密度隨時(shí)間的變化。如圖6(a)所示,加熱器啟動(dòng)后，原子O粒子數(shù)密度迅速上升，并迅速達(dá)到穩(wěn)定，2組工況下原子氧數(shù)密度的數(shù)量級(jí)在(1.1～1.2)×1018cm-3。比較2組工況，在測(cè)量周期內(nèi)，較低焓值、壓力的59-B工況的原子O低能級(jí)粒子數(shù)密度要高于較高焓值、壓力的59-A工況，這與圖1中平衡計(jì)算的結(jié)果是一致的。59-A、59-B工況靜溫在5800～6100K之間，在此溫度區(qū)間內(nèi)，原子O的濃度隨溫度、壓力的增加而下降，進(jìn)而引起 O原子總粒子數(shù)密度的減少。圖6(b)中2典型工況下電弧加熱器啟動(dòng)，原子O低能級(jí)粒子數(shù)密度迅速升高，并逐漸平衡。59-A 工況原子O低能級(jí)粒子數(shù)密度在1.6×1010cm-3左右，59-B工況原子O低能級(jí)粒子數(shù)密度在1×1010cm-3左右，較高焓值下出現(xiàn)更高密度的原子O低能級(jí)粒子數(shù)密度躍遷。

Fig.6 Measured number density of atomic oxygen in the arc heater under two operation conditions

對(duì)于59-A和59-B 2組工況，氣流穩(wěn)定后，溫度和原子氧粒子密度結(jié)果均出現(xiàn)小幅、規(guī)律性的周期振蕩，振蕩頻率約為1Hz，與圖3中原始吸收信號(hào)一致。分析此振蕩的原因：光學(xué)夾片采用切向進(jìn)氣的方式進(jìn)入弧室，經(jīng)逐步加熱升溫至穩(wěn)定，因此在光學(xué)夾片內(nèi)側(cè)形成局部不穩(wěn)定的薄冷流區(qū)，局部冷流區(qū)內(nèi)氣流溫度低于弧室核心流，因而當(dāng)此區(qū)域冷氣通過光路時(shí)，激光光譜沿光路線積分平均測(cè)量的特性引起實(shí)際測(cè)量值被拉低，待冷氣逐漸升溫穩(wěn)定，溫度又重新升高，出現(xiàn)周期振蕩的規(guī)律。同時(shí)，對(duì)于59-A較高焓值的運(yùn)行工況，溫度振蕩幅度低于59-B較低焓值的狀態(tài)，其原因在于59-A工況光學(xué)夾片處冷流區(qū)要小于59-B工況，與不同工況下光學(xué)夾片的進(jìn)氣量相關(guān)。

4 結(jié) 論

本研究將激光吸收光譜技術(shù)(LAS)應(yīng)用于高焓電弧風(fēng)洞弧室內(nèi)等離子體氣流診斷。針對(duì)總焓15.8MJ/kg和17.4MJ/kg 2組典型工況，獲得了弧室內(nèi)等離子體氣流溫度和原子O (5s0)低能級(jí)粒子數(shù)密度，獲得如下結(jié)論：

(1) 本研究驗(yàn)證了激光吸收光譜對(duì)大功率電弧加熱器的準(zhǔn)確定量能力。利用LAS測(cè)量技術(shù)獲得了59-A、59-B 2組工況的氣流平均靜溫，分別為5843K和6057K,對(duì)應(yīng)高溫平衡氣流表獲得的總溫分別為5950K,6335K；

(2) 激光吸收光譜技術(shù)驗(yàn)證了弧室熱平衡等離子體假設(shè)的可靠性。59-A、59-B 2組工況測(cè)得了原子粒子數(shù)密度，對(duì)比基于NASA-CEA局部熱平衡假設(shè)的計(jì)算結(jié)果，2組工況的粒子數(shù)密度差異吻合。

(3) 本研究工作說明激光吸收光譜診斷電弧加熱器流場(chǎng)具有非常高的測(cè)量靈敏度。59-A、59-B工況狀態(tài)接近(ΔH0:1.6MJ/kg, ΔP:0.1 atm，ΔT0<400K)，光譜測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確地獲得2工況參數(shù)(溫度、粒子密度)的差異，與平衡計(jì)算和接觸式測(cè)量結(jié)果基本一致。

本研究驗(yàn)證了LAS光譜方法對(duì)高焓電弧加熱器氣流參數(shù)的在線診斷能力，該測(cè)量結(jié)果可以直接應(yīng)用于對(duì)風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)的評(píng)估，同時(shí)為相關(guān)數(shù)值計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐，激光吸收光譜技術(shù)可作為電弧加熱器和風(fēng)洞試驗(yàn)艙高溫等離子體氣流診斷的常規(guī)測(cè)量手段。下一步工作將應(yīng)用多光路-激光吸收光譜技術(shù)對(duì)電弧加熱器截面氣流參數(shù)進(jìn)行診斷，獲得弧室截面的二維定量信息。此外，該光譜診斷技術(shù)將擴(kuò)展應(yīng)用于高頻感應(yīng)風(fēng)洞等其他類型的高焓電弧設(shè)備的多組分(O,CO,NO等)流場(chǎng)診斷。

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(編輯：張巧蕓)

Laser absorption spectroscopy diagnostics in the arc-heater of an arcjet facility

Zeng Hui1, Chen Lianzhong1, Lin Xin1,2,*, Ou Dongbin1, Dong Yonghui1

(1. Beijing Key Laboratory of Arc Plasma Application Equipment, China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China; 2. Institute of Mechanics, China Academy of Science, Beijing 100090, China)

laser absorption spectroscopy;arc heater;plasma flow diagnostics;number density of atomic oxygen;gas temperature

1672-9897(2017)04-0028-06

10.11729/syltlx20160179

2016-11-25;

2017-01-03

ZengH,ChenLZ,LinX,etal.Laserabsorptionspectroscopydiagnosticsinthearc-heaterofanarcjetfacility.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 28-33. 曾 徽, 陳連忠, 林 鑫, 等. 電弧加熱器高溫流場(chǎng)激光吸收光譜診斷. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(4): 28-33.

V556.4

A

曾 徽(1989-)，男，湖南益陽人，工程師。研究方向：氣動(dòng)熱試驗(yàn)分析、吸收光譜、發(fā)射光譜燃燒診斷。通信地址：北京市云崗西路17號(hào)中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院(100074)。E-mail: zenghuikeda@outlook.com

*通信作者 E-mail: linxin_bit@163.com