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1、第22卷 第5期宇 航 学 报Vol.22No.52001年9月JOURNALOFASTRONAUTICSSep.2001CARS在发动机燃烧场温度和压力测量中的应用研究李麦亮 赵永学 耿 辉 周 进(国防科技大学宇航科学与工程系,长沙410073)摘 要:根据发动机燃烧诊断的需要,在指出理论相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)与温度和压力的关系后,对液化石油气ö空气预混火焰中进行了氮分子CARS测温实验,研究了压力对实验CARS光谱的影响,探索了对湍流场测量十分重要的单脉冲测量技术。结果表明,C
2、ARS是一种很有前途的发动机燃烧诊断技术。关键词:CARS;燃烧诊断;单脉冲测量中图分类号:O656 文献标识码:A 文章编号:100021328(2001)0520056206RESEARCHONAPPLICATIONOFCARSINTEMPERATUREANDPRESSUREMEASUREMENTOFROCKETENGINECOMBUSTIONLiMailiangZhaoYongxueGengHuiZhouJin(DepartmentofAerospaceScienceandEngi
3、neering,NUDT,Changsha410073)Abstract:InordertoapplyCoherentAnti2stokesRamanSpectroscopy(CARS)tocombus2tiondiagnosis,thispaperstudiedcorrelationbetweentheoreticalCARSandtemperatureandcorrelationbetweentheoreticalCARSandpressure.Also,LPGöairflametemper
4、aturewasmea2suredwithN2CARS.TheinfluenceofpressureonexperimentalCARSwasstudied.Someworkwasdonetodevelopthesingle2shotmeasurementtechnologythatisimportanttomeasuringinturbulentfield.Keywords:CARS;Combustiondiagnosis;Single2shotmeasurement1 引言由于高温、高压和强
5、烈湍流的特点,长期以来,发动机燃烧过程的物理图像难以得到满意地测量,而对于新型发动机如冲压发动机、超燃发动机等的研制来说,对其燃烧过程的了收稿日期:2000207221,修回日期:2001206205作者简介:李麦亮(19712)男,国防科技大学航空宇航科学与技术专业博士研究生,研究方向为航空宇航推进理论与工程。第5期李麦亮等:CARS在发动机燃烧场温度和压力测量中的应用研究57解又是设计的关键。为了发展一种对燃烧流场的温度分布、成分浓度分布以至压力分布进行测量的先进测量手段,满足新一代航天运载
6、工具发展的工程需要和燃烧研究中诊断技术发展的需要,本文对激光喇曼光谱测量技术的一种——相干反斯托克斯喇曼光谱(简称CARS)测量进行了理论和实验研究。对于CARS技术,国内外在八十年代就开展了研究,但限于相关设备的落后,各项研究尤其是实验研究很不充分。九十年代中后期,研究有了一定[4,5]的发展,中科院力学所开发了超燃室氢氧CARS同时测温及测浓度的技术,为了满足湍[6]流燃烧测量的需要,国外还有尝试利用高分辨率单脉冲进行温度测量的报道。2CARS理论及测量原理CARS是一种四波混频效应,即三束
7、入射的满足一定频率和相位匹配要求的光波,由于非线性效应而在介质中激发出第四束光波——CARS信号。对电磁波采用经典的麦克斯韦方程组和物质方程来描述,而将介质考虑为可以由薛定谔方程描述的粒子系统,即采用CARS半经典理论,可以推导出CARS光强表达式:2$kL22sin1E43LX4(3)222(1)I4=E4i(L)E4i(L)=nûVijklûI1I2I3L22L1n2n3n4$kL2式中,n1、n2、n3和n4分别为三束入射光和CARS光在介质中的折射率,L为磁导率,E为介(3)电常数,L为
8、作用区域长度,X为频率,$k为波矢失配。上标3表示共轭,V为三阶非线性[1]极化率,可表示为24(3)8PE0cN$j5RVCARS=4(2)¶X2(Xj-X1+X2-i#j)58j5R其中,$j为混频过程中喇曼跃迁上下能级间的粒子数密度差,Xj为跃迁频率,为喇曼58j[2]散射截面,#j为线宽因子。CARS光强表达式中的各项均为可以测量和计算的量,并且由表达式也可看出,CARS强度与跃迁能级的粒子数密度有关,而粒子数密度服从玻尔兹曼分布,即态(v,J)中的分子N-hcT(v,J)数密度为N(v
