CARS光谱测温技术应用于燃油炉火焰温度场的测量.doc

CARS光谱测温技术应用于燃油炉火焰温度场的测量 第14卷第4期 l993年11月 cRs光谱,专)llt;焰度场 工程热物理】¨,N.. JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICSNov.,1993 铷CARS光谱测温技术应用于燃油炉 火焰温度场的测量 cA_A兽(清华大学), K.F.Knocheg,~0ckFTK2z~7 (德国亚琛大学) 一 ,引言 由于CARS光谱测量技术具有高度的时间和空间分辨率以及无接触测量等优点,特 别适用于燃烧动力过程的研究,如火焰温度,温度波动以及燃烧产物浓度的测量,这项技 术在国际燃烧研究领域发挥了越来越大的作用.目前,我国在这项测量技术的开发利用方 面尚未进入实用阶段.作者使用德国亚琛大学热力学研究所的CARS设备对汽车发动机 和一小型商品化燃油炉的燃烧过程进行了测试研究.本文所介绍的是燃油炉火焰温度场 的部分测量结果,并与同时用传统的热电偶测量技术所获得的结果进行了对比,分析了二 者之间的偏差,为分析燃烧过程以及建立和检验火焰的数学模型提供了可靠的依据 二,cARs光谱法测温的基本原理 有关CARS光谱产生原理的详细描述见文献[1,2].对于燃烧过程的温度测量,通常 用氮气(N)作为被测样品.这是因为在以空气助 燃的燃烧过程中,N不参与燃烧,且以较高的,几 乎不变的浓度存在.其次是由于理论计算N的 CARS光谱所必需的分子常数以及其它参数已有 可靠的数据.利用N的CARS光谱测量的原理是 基于处于热平衡状态的大量分子在各振,转能级 上的分布遵循玻尔兹曼分布规律,由此而产生的 氨的CARS光谱的形状与温度有关.理论计 算的在不同温度下N支(振,转跃迁选择定则 为△一1,△0)CARS光谱如图1所示. 在测量中采用宽带CARS技术.将实验测 得的CARS光谱与理论计算的CARS光谱进行 比较,与实验光谱拟台最好的理论光谱所对应的l1N20支CARS光谱 本文曾于1g92年11,q在北京召开的中国工程热物理学会第九届年会上宣读- 工程热物理14卷 温度即为测量的结果. 比较工作是用计算机完成的.在此过程中必须考虑人射光的线宽,实验装置等因素的 影响. 三,CARS实验装置 图2CARS实验装置 1.NdYAG激光器2.染料激光器3延时装置4.燃 袖炉5参考室6.恒温室7数字照像机8.光谱倥 9.计算机 本文所使用的CARS实验装置如图2 所示,主要由四部分组成:1.激光设 备;2.光学系统;3.CARS信号记录, 处理系统;4.实验对象. 火焰温度场的测量是分别用 CARS测量装置和传统的热电偶在 400多个测点上进行的.为了尽量减小 热电偶本身对温度场的扰动,采用了 直径为0.1mm的铂一铑热电偶. . 四,结果与讨论 用两种方法测得的燃烧室轴向温度分布与径向温度分布分别表示在图3中.每个测点 的CARS温度值是由以每秒钟10个CARS光谱的频率测得的50个或9o个单脉冲 CARS光谱温度值平均而得. 从图3可以看到,按照两种方法测量结果之间的偏差大小可以将燃烧室轴向温度分布 分为三段:在第一段(z一03.5cm),两者偏差很小,用热电偶测得的温度略低于用 CARS测得的温度;在第二段(z=3.8cm),T明显地高于,最大偏差为372℃;在 第三段b一827cm),h低于7,最大偏差为130℃. CARS光谱法测温的准确性曾多次用一个温度可在室温至1200~范围内调节的恒温 室进行了校核测量,温度越高,精确度越高.这是因为N一CARS光谱的形状在高温下对 温度具有较高的敏感性(参考图1). 与之间的偏差可从热电偶在燃烧室中的热平衡获得解释.用铂铑铂热电偶测 量火焰的温度,其结果除了受热电偶本身与周日环境之间传热的影响外,还要受到热电偶 所含的贵重金属铂对燃烧过程的热化学催化作用的影响.在轴向温度分布的第一段,燃 料与空气的混合物处在预热阶段,温度低于600K,还没开始燃烧,铂的催化作用尚未产 生,辐射换热的影响也比较小,结果接近且略低于7.在第二段,被预热的燃料与空气 的混合物在热电偶端部焊点表面处由于铂的催化作用在低于燃点的温度下就被点燃,燃 烧产生并传给热电偶的热量导致热电偶的温度大大高于未插人热电偶之前燃气的局部温 度.即使实际温度超过了燃点.当热电偶插入后,由于铂的催化作用,使热电偶端部焊点表 面处的燃烧更强烈,也会导致同样的结果.这就是为什么在第二段7m大大高于7的原 因而在第三段,从一8cm开始.几乎全部燃料都开始猛烈燃烧.铂的催化作用的影响逐 4期张学学等:CARS光谱测温技术应用于燃油炉火焰温度场的测量455 圈3J^艟的媪厦分币 渐消失,而随着温度的升高,辐射换热的影响越来越大,这就是导致了1明显地低于.对 x--10cm以后的?1进行修正后,结