基于CARS的火焰溫度測量技術(shù)研究.pdf

1、尾焰溫度是火箭發(fā)動機(jī)性能評估的重要參考依據(jù)，推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的需要對火箭發(fā)動機(jī)尾焰溫度測量提出了越來越高的要求。然而當(dāng)前固體火箭發(fā)動機(jī)尾焰溫度測量的研究比較多，對液體火箭發(fā)動機(jī)透明尾焰溫度測量的研究還比較少。本課題主要研究可用于液體火箭發(fā)動機(jī)尾噴焰研究的相干反斯托克斯拉曼散射(CARS: Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy)火焰溫度測量技術(shù)，為評估液體火箭發(fā)動機(jī)燃燒效率、分析燃燒機(jī)理進(jìn)而改進(jìn)發(fā)動機(jī)

2、設(shè)計(jì)提供參考。
　　在對CARS信號光強(qiáng)理論、理論光譜計(jì)算、測量方法及測量方案設(shè)計(jì)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，將結(jié)合參考光路的單脈沖雙泵浦CARS測量方法應(yīng)用于燃燒火焰溫度測量研究中，并對影響測量準(zhǔn)確性的可能因素進(jìn)行了分析。主要完成了以下幾方面的研究工作：
　　1．設(shè)計(jì)了單脈沖雙光路雙泵浦BOXCARS測量系統(tǒng)，具備對溫度梯度大、不穩(wěn)定燃燒火焰流場進(jìn)行實(shí)時(shí)測量的能力，并能夠抑制非共振背景信號，提高信噪比。雙泵浦方法保證了多組分的測量能

3、力，在適當(dāng)調(diào)整可調(diào)諧光源輸出頻率的前提下，能夠同時(shí)得到兩種成分的CARS光譜，不但可以通過與理論光譜的擬合得到溫度信息，理論上還能通過與非共振背景信號的對比得到目標(biāo)組分濃度信息。以檢驗(yàn)CARS測量設(shè)備準(zhǔn)確性為出發(fā)點(diǎn)，提出了CARS校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
　　2．在對CARS基本理論進(jìn)行深入闡述的基礎(chǔ)上，對已有CARS理論模型進(jìn)行了適度簡化和改進(jìn)。從非線性光學(xué)基礎(chǔ)理論出發(fā)，導(dǎo)出了CARS信號光強(qiáng)度的耦合波方程，給出了CARS光強(qiáng)表達(dá)式，

4、對影響到信號光強(qiáng)度的光源線寬、光源線型、相位匹配條件、相干長度以及三階非線性極化率分別進(jìn)行了探討。給出了通過解密度矩陣的方法推導(dǎo)三階非線性極化率的數(shù)學(xué)模型的過程。闡述了非共振極化率在信號光形成中的影響及抑制方法，重點(diǎn)討論了共振極化率的光譜計(jì)算。對三階非線性共振極化率表達(dá)式中拉曼線寬、拉曼散射截面及躍遷能級之間的粒子數(shù)密度差的計(jì)算分別進(jìn)行了詳細(xì)討論。
　　3．在CARS經(jīng)典理論模型的基礎(chǔ)上，對基于傳統(tǒng)CARS測量方法拓展的多色CAR

5、S方法及電子共振增強(qiáng)(ERE: Electronic-Resonance-Enhanced)CARS方法進(jìn)行了深入討論。對雙泵浦CARS及雙寬帶CARS方法從原理上進(jìn)行了探討，并給出了理論模型。針對雙泵浦方法存在的問題，提出了改進(jìn)方法，擴(kuò)展了適用范圍，并給出了基于雙泵浦方法的測量方案。對雙寬帶方法的相位匹配關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，證明了在雙光束過程相位匹配關(guān)系成立的情況下，三光束過程的相位匹配關(guān)系也是必然成立的。對ERE-CARS基本原理進(jìn)

6、行了討論，對一氧化氮分子的ERE-CARS方法下的三階非線性極化率模型進(jìn)行了推導(dǎo)，并設(shè)計(jì)了可用于極低濃度一氧化碳CARS測量的ERE-CARS測量方案。
　　4．以火焰噴槍PT-500產(chǎn)生的丁烷/空氣擴(kuò)散火焰為測量對象，以氮?dú)鉃樘结樂肿舆M(jìn)行了CARS溫度測量實(shí)驗(yàn)研究，并將測量結(jié)果與熱電偶測量結(jié)果進(jìn)行了對比，對可能影響兩者之前存在差值的因素進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CARS溫度測量誤差在800K以上約為70K，在500K~800K之