基于TDLAS的電弧風(fēng)洞流場Cu組分監(jiān)測

陳衛(wèi)，伍越，黃禎君，王磊，袁竭，胡江華，王茂剛，朱濤

中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動力研究所，綿陽 621000

電弧風(fēng)洞是目前唯一具有模擬飛行馬赫數(shù)8～20的高超聲速飛行器長時間氣動熱環(huán)境的地面試驗設(shè)備，可將空氣溫度迅速加熱到上萬開爾文，主要用于飛行器材料防熱特性或部件熱結(jié)構(gòu)性能的考核與鑒定，在軍事和商業(yè)航天領(lǐng)域，包括導(dǎo)彈、行星再入飛行器、高超聲速飛機、軍事/民用航天運載工具、超燃沖壓發(fā)動機等地面試驗研究中得到了廣泛應(yīng)用和持續(xù)發(fā)展[1-3]。但是，電弧加熱器中水冷銅電極的燒損一直是影響流場品質(zhì)和加熱器性能的重要問題。在大電流和高溫環(huán)境下，銅電極通過表面原子蒸發(fā)、剪切力作用、氣流引射等多種方式相互作用造成質(zhì)量損失，并污染流場[4-6]。首先，流場中額外增加的銅原子電離改變了電弧等離子體流場的導(dǎo)電特性[7]，影響“黑障”通信問題研究[8]。其次，流場中大量的銅原子/離子改變了流場組分，加劇了地面試驗與實際飛行的天地差異，影響對防熱材料燒蝕和表面催化等氣動熱效應(yīng)的研究[9-10]。再次，電極的質(zhì)量損失也嚴(yán)重制約了電弧風(fēng)洞的長時間試驗?zāi)芰妥陨硎褂脡勖?。因此，加強流場中銅原子的實時監(jiān)測，既是加強流場分析與建模，以提高高超聲速地面試驗精細(xì)化的需要，也是分析電極燒蝕機理，監(jiān)測電弧加熱設(shè)備運行狀態(tài)的需要。

以往對銅污染和電極燒蝕研究的測量主要限于稱重法和發(fā)射光譜法[11-12]，2004年，美國國家航空航天局(NASA)阿姆斯研究中心和斯坦福大學(xué)的研究人員開始采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技術(shù)對電弧加熱設(shè)備中銅原子(793.3 nm)含量進(jìn)行了監(jiān)測研究[13]，而國內(nèi)尚未見相關(guān)報導(dǎo)。稱重法通過稱量燒蝕前后的電極質(zhì)量變化來計算銅的燒損量，方法簡單，但不能進(jìn)行過程測量，對電極燒蝕機理研究作用有限。而且為了稱量電極質(zhì)量，需要完全拆卸電弧加熱設(shè)備，實際中不便于操作。發(fā)射光譜方法則由于受光學(xué)玻璃窗口和輻射光發(fā)散角度的影響，需要利用其他輻射譜線對銅原子輻射譜線進(jìn)行強度校正，而這種定量校正往往是非常困難的[13]。TDLAS技術(shù)以氣體分子的光譜共振吸收為原理，利用窄線寬的波長可調(diào)諧激光器對待測氣體分子某一根或幾根譜線進(jìn)行掃描測量[14]。與光譜儀相比，激光器具有極高的光譜分辨率，能同時獲得譜線強度和譜線寬度等信息，比發(fā)射光譜技術(shù)更適合定量研究。并結(jié)合各種調(diào)制技術(shù)手段，可進(jìn)一步提高微量組分的測量極限[15]。雖然TDLAS技術(shù)在H2O、O2、CO2等分子氣體診斷中已經(jīng)應(yīng)用非常成熟，但由于在近紅外及以下波段的可調(diào)諧激光器選擇性非常少，使得其在高溫氣體原子組分診斷應(yīng)用中受到了極大限制。國際上，美國NASA阿姆斯研究中心在其60 MW電弧風(fēng)洞中成功實現(xiàn)了O、N、Ar、Cu、K等多種原子的TDLAS定量測量[13,16-17]，日本也在其高頻感應(yīng)等離子高焓風(fēng)洞中進(jìn)行了多次針對O和Ar原子的TDLAS試驗[18-20]。在國內(nèi)，僅有中國航天空氣動力技術(shù)研究院和中國科學(xué)院力學(xué)所共同合作，基于O原子777.19 nm譜線實現(xiàn)了TDLAS技術(shù)在電弧風(fēng)洞內(nèi)外流場診斷中的應(yīng)用[21-22]。

1 TDLAS測量Cu濃度基本原理

根據(jù)Beer-Lambert定律[23]，可調(diào)諧激光被待測組分吸收后，透射光信號強度為

I(v)=I0(v)exp[-α·φ(v-v0)·L]

(1)

(2)

式中：λ0=1/v0，cm；gk和gi分別為上下能級的簡并度；kB為玻爾茲曼常數(shù)，J/K；c為真空中光速，cm/s；h為普朗克常數(shù)，J·s；ΔEki為上下能級能量差，cm-1；T為電子激發(fā)溫度，K。本文采用的Cu原子809.25 nm譜線的相關(guān)參數(shù)見表1[27]。

表1 Cu原子809.25 nm譜線的光譜參數(shù)[27]Table 1 Spectral line parameters of Cu atom at 809.25 nm[27]

在熱力學(xué)平衡條件下，低能級數(shù)密度ni與總原子數(shù)密度n0之間滿足玻爾茲曼關(guān)系[28]：

(3)

圖1 考慮玻爾茲曼分布和電離后Cu原子低能態(tài)占比與溫度的關(guān)系Fig.1 Fraction of lower state to total Cu species at different temperatures considering Boltzmann distribution and ionization

2 Cu組分含量監(jiān)測試驗方法

該次試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的20 MW片式電弧風(fēng)洞上開展。電弧風(fēng)洞的核心設(shè)備就是電弧加熱器，起到將上游的常溫高壓空氣瞬時加熱到數(shù)千甚至上萬開爾文的作用，并通過高超聲速噴管產(chǎn)生高速高焓氣流用于模型試驗。由于氣流經(jīng)過噴管后，溫度(靜溫)和壓力(靜壓)均急劇下降，不利于測量到Cu原子的吸收信號，因此本試驗將電弧加熱器內(nèi)部流場氣體作為待測氣體，測量位置處于陰極與冷氣混合室之間，如圖2(a)所示。加熱器工作時，在陰極和陽極之間持續(xù)產(chǎn)生電弧，為避免弧根固定在電極上某一位置造成嚴(yán)重電極燒損，電弧在磁旋和氣旋等方式作用下高速旋轉(zhuǎn)，同時電極也以高壓水冷方式進(jìn)行冷卻保護。流場中的銅便主要來自于電極的燒損，而電極燒損受電流加熱、流場剪切力、等離子體碰撞、弧根抖動、氣流引射等多種因素綜合影響，機理復(fù)雜。由于加熱器內(nèi)部為高壓高溫環(huán)境，為了將激光順利穿透內(nèi)流場，特別設(shè)計了如圖2(b)所示的光學(xué)測量片。設(shè)計的光學(xué)測量片具有相互垂直的兩路激光通道，在本次試驗中僅利用了其中的一路，通光孔徑為?4 mm。假設(shè)氣體吸收路徑長度等于測量片內(nèi)孔直徑?100 mm。

每個光學(xué)轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部包含一柱狀藍(lán)寶石玻璃，用于傳輸激光的同時，也用于密封加熱器內(nèi)的高溫高壓氣體，并且轉(zhuǎn)接頭設(shè)計為內(nèi)SM1螺紋，便于與光纖準(zhǔn)直器(Thorlabs,F280APC-780)連接。激光出射端準(zhǔn)直器和接受端準(zhǔn)直器均通過多模光纖分別與可調(diào)諧激光器(Nanoplus,DFB)和光電探測器(Thorlabs,PDA100A-EC)連接。由于原子吸收具有非常低的飽和強度[13,26]，為避免吸收飽和，試驗中除采用多模光纖(芯徑0.6 mm)進(jìn)行激光傳輸外，還對激光器的出射光強進(jìn)行了部分衰減，使得出射光功率密度約為0.02 mW/mm2，同時為了盡量提高測量信噪比，透射光進(jìn)入探測器之前進(jìn)行了適當(dāng)濾光。激光器的輸出波長在試驗前通過波長計進(jìn)行了準(zhǔn)確測量，試驗中以周期為0.25 s的鋸齒波進(jìn)行波長掃描，采用直接吸收法對CuⅠ的809.25 nm吸收譜線進(jìn)行測量。

為了反應(yīng)電極燒蝕的過程變化，結(jié)合電弧加熱器運行特點，采用固定電壓和氣體流量、改變電流的工作方式，在同一車次中設(shè)計了如表2所示的4個狀態(tài)臺階，其中狀態(tài)I屬于起弧和流場建立階段，其在表中的狀態(tài)參數(shù)讀取自該階段后期某一時刻。表2中的電壓、氣流量、電流和弧室壓力參數(shù)均來自于實測，焓值采用能量法[30]計算得到，總溫根據(jù)焓值和壓力通過查表[31]得到。

表2 試驗中電弧加熱器運行參數(shù)Table 2 Running parameters of arc-heater in test

3 試驗結(jié)果與分析

線性調(diào)諧激光波長(即波長掃描)，當(dāng)其接近Cu原子躍遷譜線時，便發(fā)生共振吸收。圖3中黑色點畫線表示的就是在一個波長掃描周期內(nèi)光電探測器的輸出信號(即式(1)中的I(v))，可以看到明顯的吸收凹陷。由于在波長掃描時，激光功率也會發(fā)生變化，甚至可能是非線性變化，為了準(zhǔn)確提取吸收系數(shù)，基線(即I0(v))的測量非常重要。試驗中利用電弧加熱器點火之前和熄火之后的多次信號進(jìn)行平均得到I0(v)，多次平均可以提高I0(v)的信噪比。這樣使得在測量I0(v)和I(v)時，除激光穿透的氣體不一樣之外，激光器狀態(tài)、加熱器振動、光路傳輸?shù)纫蛩鼗疽恢?。吸收強度可以通過式(1)按-In(I(v)/I0(v))操作進(jìn)行基線校正后得到，即圖3中實線表示，實點表示按Voigt線型函數(shù)擬合曲線。

圖3 試驗中代表性的Cu原子TDLAS吸收信號Fig.3 Representative TDLAS signal of copperatom in test

從圖4中可以看到：① 在臺階I的前期，即起弧和流場建立階段(弧室壓力在急劇上升)，TDLAS信號強度起伏非常劇烈，甚至出現(xiàn)了一次高達(dá)70.8%的極強吸收，反應(yīng)出此時電極燒損相對更加嚴(yán)重，而且十分不穩(wěn)定；② 在每次變狀態(tài)(即圖中電流或功率躍變)時，TDLAS信號會階躍式突然增強，一旦狀態(tài)穩(wěn)定后信號強度又出現(xiàn)明顯回落，而在不同功率臺階中TDLAS信號強度相差不大。粗略概算，狀態(tài)躍變時的信號強度達(dá)到狀態(tài)穩(wěn)定時的2倍左右。TDLAS信號突變，反應(yīng)出在狀態(tài)躍變時電極燒損突然增強，這可能是由于狀態(tài)的突然改變使得原本相對穩(wěn)定的電弧出現(xiàn)劇烈抖動所致。當(dāng)狀態(tài)穩(wěn)定時，電弧在磁旋和氣旋作用下以大約200～400 Hz頻率圍繞電極旋轉(zhuǎn)，并且弧根與電極表面之間也保持著一定的間距[11]，因此對電極的加熱比較均勻，同時電極的熱量大部分傳導(dǎo)進(jìn)入了冷卻水系統(tǒng)。而當(dāng)電弧劇烈抖動時，電弧旋轉(zhuǎn)有所紊亂，致使其在電極某一位置滯留時間相對變長，同時弧根也可能更靠近電極表面，造成電極局部熱流劇增，并且來不及被冷卻水帶走，從而突然增大了電極的燒損。之前研究表明，當(dāng)局域熱流低于40 MW/m2時，電極燒蝕量較小，但是隨著電弧的擾動，瞬時熱傳導(dǎo)急劇升高，導(dǎo)致嚴(yán)重?zé)g[11]。

圖4 測量結(jié)果Fig.4 Measuring results

文獻(xiàn)[11]報道了采用稱重法對美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)H1電弧加熱器電極燒損的研究情況，在弧室壓力50～100 atm (1 atm=1.013 25×105Pa)、焓值4.6 ～7.0 MJ/kg、電流1 000 A 的狀態(tài)下，得到流場中銅組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為200×10-6，電極燒蝕率約為 2.6×10-4g/C。

表3 每個狀態(tài)下Cu組分含量與電極燒蝕的測量平均值Table 3 Average concentration of Cu species and erosion of electrodes in each running state

而文獻(xiàn)[13]報道了采用TDLAS方法對美國NASA 60 MW級電弧加熱器內(nèi)流場中銅組分診斷情況，在運行功率21.5 MW時，得到銅組分?jǐn)?shù)密度約8.31×1013cm-3。考慮到設(shè)備和狀態(tài)的差異性，認(rèn)為本文所測得結(jié)果是可信的。通過表3還可以看到，在4個狀態(tài)臺階中，雖然電流不同，但電極燒蝕率差別不大，平均值為1.65×10-5g/C。這也符合電極燒蝕與運行電流成正比的定性認(rèn)識。

4 結(jié) 論

采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)對電弧風(fēng)洞流場中Cu組分污染和電弧加熱器電極燒蝕情況進(jìn)行了實時監(jiān)測研究，彌補了以往采用稱重法而不能進(jìn)行過程分析的缺陷，檢驗了TDLAS技術(shù)在高溫流場診斷中的應(yīng)用前景。通過研究，得到如下結(jié)論：

1)在高溫流場建立階段以及功率躍變時，Cu原子吸收信號會呈階躍式增高，然后迅速回落，狀態(tài)躍變時的信號強度達(dá)到狀態(tài)穩(wěn)定時的2倍左右，表明電弧的抖動會導(dǎo)致電極燒蝕嚴(yán)重加劇。

2)在加熱器內(nèi)部溫度等于總溫的近似下，估算了4個典型試驗狀態(tài)下流場中Cu組分(包括Cu的原子態(tài)和離子態(tài))數(shù)密度在1014cm-3量級、質(zhì)量分?jǐn)?shù)約(70～130)×10-6、平均電極燒蝕率約1.65×10-5g/C左右，并且電極燒蝕率在不同狀態(tài)下差異不大。

本試驗研究提高了電弧風(fēng)洞非接觸測量能力，并較為定量地測量了流場中因水冷銅電極燒蝕導(dǎo)致的電弧風(fēng)洞高焓流場污染程度，可以為量化分析Cu組分污染對防熱材料的催化效應(yīng)提供支撐，有利于高超聲速地面試驗流場與實際飛行環(huán)境的天地差異研究。更為重要的是，通過實時監(jiān)測，對電弧加熱器運行過程中電極燒蝕情況有了更直觀的了解，有利于電極燒蝕機理分析研究，并且為設(shè)備運行狀況監(jiān)測提供了新的手段。但是，電弧加熱器中電極的燒蝕是非常復(fù)雜的過程，各種因素的影響還需要通過更多試驗進(jìn)行研究。