引用本文
曹振, 于欣, 彭江波, 柳强, 杨顺华, 张顺平, 赵延辉, 李沛霖, 高龙, 张善春. 用于大尺度模型发动机高频PLIF测量的脉冲串紫外激光系统[J]. 光谱学与光谱分析, 2024,44(4): 932-936.
CAO Zhen, YU Xin, PENG Jiang-bo, LIU Qiang, YANG Shun-hua, ZHANG Shun-ping, ZHAO Yan-hui, LI Pei-lin, GAO Long, ZHANG Shan-chun. A Burst-Mode Ultraviolet Laser System for High-Speed PLIF Measurements in Large-Scale Model Engine[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2024,44(4): 932-936.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2024)04-0932-05  
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用于大尺度模型发动机高频PLIF测量的脉冲串紫外激光系统
曹振1,2, 于欣1,2, 彭江波1,2,*, 柳强3, 杨顺华4, 张顺平4, 赵延辉4, 李沛霖3, 高龙1,2, 张善春1,2
1.哈尔滨工业大学可调谐激光技术重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2.哈尔滨工业大学光电子技术研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001
3.清华大学精密仪器系, 北京 100084
4.中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621000
*通讯作者 e-mail: pengjiangbo@hit.edu.cn

作者简介: 曹振, 1995年生, 哈尔滨工业大学可调谐激光技术重点实验室助理教授 e-mail: caozhen1995@hit.edu.cn

收稿日期: 2022-09-07 修回日期: 2022-11-07
基金: 国家自然科学基金项目(62175053)和中央高校基本科研业务费专项资金项目(XNAUEA5740000221-05)资助
摘要

针对大尺度模型发动机试验台工作时间短(~百毫秒到秒量级)和激光能量要求高(>1 mJ)的特点, 常规的紫外激光系统不能满足发动机燃烧流场精细化测量需求, 要求用于高频平面激光诱导荧光(PLIF)测量的紫外激光系统同时满足脉冲串时间间隔短和激光输出能量高, 并且系统具有高可靠性和环境适应性。 设计了一套用于真实发动机地面试验台高频PLIF测量的脉冲串紫外激光系统, 能够获取有效的火焰动力学数据。 脉冲串紫外激光系统采用自主研制的脉冲串模式激光器泵浦染料激光器, 具备能量监测、 波长监测和片光分布监测等功能, 可以校正激光参数对测量结果的影响。 其中脉冲串模式激光器采用电光调Q、 脉冲串模式和MOPA技术, 使输出的泵浦激光具有高脉冲能量(~50 mJ@532 nm)、 短脉冲宽度(~10.8 ns)和较高的脉冲串频率(20 Hz)。 脉冲串紫外激光系统的串时间间隔为50 ms, 是国外激光器脉冲串间隔时间的1/200; 系统整体转换效率为6%, 紫外单脉冲能量为2.95 mJ@283 nm, 是国外连续脉冲激光器典型能量值的7倍。 为满足发动机地面试验台测量需求, 自主集成了工程可用的高可靠性移动式10 kHz PLIF测量系统, 具有抗震、 防潮和防尘等功能, 提升了高频PLIF系统的环境适应能力。 国内首次在中国空气动力研究与发展中心的脉冲燃烧风洞上实现了大尺度模型发动机燃烧流场远距离大视场成像测量(~15 cm), 获得了高信噪比的氢燃料及乙烯燃料高动态燃烧过程可视化结果。 未来可结合光谱图像特征提取与分析方法对其燃烧状态和动态过程开展研究, 为发动机复杂流动燃烧机理研究、 CFD仿真和发动机设计水平提升提供支撑。

关键词: 燃烧诊断; 脉冲串激光器; 平面激光诱导荧光; 大尺度模型发动机
中图分类号:O433.1 文献标志码:A
A Burst-Mode Ultraviolet Laser System for High-Speed PLIF Measurements in Large-Scale Model Engine
CAO Zhen1,2, YU Xin1,2, PENG Jiang-bo1,2,*, LIU Qiang3, YANG Shun-hua4, ZHANG Shun-ping4, ZHAO Yan-hui4, LI Pei-lin3, GAO Long1,2, ZHANG Shan-chun1,2
1. National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
2. Institute of Opt-Electronics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
3. Department of Precision Instruments, Tsinghua University, Beijing 100084, China
4. China Aerodynamic Research and Development Center, Mianyang 621000, China
*Corresponding author
Abstract

Due to the short operation time (~hundreds of milliseconds to seconds) and high laser energy requirement (>1 mJ) of the large-scale scramjet model engine, the conventional ultraviolet laser system cannot meet the fine measurement requirements of the combustion flow-field. The ultraviolet laser system used for high-speed planar laser-induced fluorescence (PLIF) measurements is required to meet the demands of short pulse interval and high laser output energy simultaneously, and the system possesses high reliability and high environmental adaptability. In the paper, a burst-mode ultraviolet laser system for high-speed PLIF measurement of a real engine ground test bench is designed, and it can obtain the effective flame dynamics data. The burst-mode ultraviolet laser system adopts the self-developed burst-mode laser to pump the dye laser, which has the functions of energy monitoring, wavelength monitoring and sheet distribution monitoring to correct the influence of laser parameters on the PLIF measurement results. The pump laser employs electro-optic Q-switch, burst-mode and MOPA technology, allowing the pump laser to have high pulse energy output (~50 mJ@532 nm), short pulse width (~10.8 ns) and high the burst frequency (20 Hz). The time interval of burst is 50 ms, which is 1/200 of the burst interval compared with the foreign burst-mode laser. The overall conversion efficiency is 6%, and the ultraviolet output energy is 2.95 mJ@283 nm, which is 7 times the typical value of foreign continuous laser output. The engineering-available 10 kHz PLIF system is self-integrated. It has anti-vibration, moisture-proof and dust-proof functions, improving the environmental adaptability of the high-speed PLIF system. At the same time, the system adopts the model design to improve the efficiency and reliability, making the system “adjust-free”. It solves the problems of rapid installation, debugging, movement and test operation of high-speed PLIF systems in engine ground tests. For the first time in China, the long-distance and large field-of-view (~15 cm) measurement of the scramjet model combustor was conducted successfully in the CARDC's pulsed combustion wind tunnel. The results obtained hydrogen and ethylene fuel's high dynamic flame evolution process with high signal-to-noise ratio (SNR). In the future, the combustion condition and dynamic process can be studied with the spectral image feature extraction and analysis methods, which supports the study of complex flow-combustion mechanisms, CFD simulation and enginedesign improvement.

Keyword: Combustion diagnosis; Burst-mode laser; PLIF; Large-scale model engine
引言

高频平面激光诱导荧光(planar laser-induced fluorescence, PLIF)是一种高灵敏度高时空分辨的激光光谱燃烧诊断技术, 已广泛用于描述火焰的高动态燃烧过程[1, 2, 3, 4, 5]。 其中紫外激光系统是高频PLIF技术的关键核心器件。 国外典型用于高频PLIF测量的连续脉冲式紫外激光系统, 重复频率为5~10 kHz, 最大单脉冲能量为400 μ J@283 nm[6]。 当面临发动机复杂燃烧流场环境, 受到超声速流动、 强湍流度、 受限空间等极端条件限制, 加之遇到高温和高压导致的严重信号衰减和荧光猝灭等问题, 较低的脉冲能量可能导致较差的PLIF图像质量, 无法达到大尺度模型发动机燃烧流场精细化测量的能量需求[7, 8]。 而报道的典型脉冲串模式紫外激光系统[9], 激光能量能达到毫焦量级, 但为避免放大级的热沉积, 脉冲串间隔时间为8~12 s, 较长的脉冲串间隔时间无法在工作时间尺度为百毫秒到秒量级的脉冲燃烧风洞发动机试验台上获得有效测量数据[10, 11]。 因此, 针对大尺度模型发动机试验台工作时间短和对激光能量要求高的特点, 需要研制一款脉冲串间隔短、 大能量的高频紫外激光系统, 以满足大尺度模型发动机燃烧室测量研究需求。

常规的紫外激光系统采用泵浦激光器和染料激光器结合的工作模式, 与光学参量振荡(OPO)输出模式相比较, 染料激光工作模式具有更高的转换效率。 2018年德国埃尔朗根-纽伦堡大学Pan等[12]采用脉冲串激光器泵浦商用染料激光器, 优化染料Rh6G的浓度, 实现单脉冲能量~2.3 mJ的283 nm激光输出, 转换效率接近3%, 用于激发燃烧场中的OH自由基可视化火焰结构。 在染料激光工作模式下, 紫外激光特性取决于泵浦激光特性, 因此泵浦激光器被作为高频PLIF系统的核心元件。 研究同时具备高重复频率和大能量的泵浦激光器系统[13, 14], 对于实现大尺度发动机燃烧流场高频PLIF测量及应用具有重要意义。 泵浦激光器根据工作模式, 主要分为连续运转脉冲模式和脉冲串模式两种。 连续运转脉冲激光器, 由于受到激光器内部元器件热效应的影响, 难以实现高重复频率和大脉冲能量同时输出[15]。 而脉冲串模式激光器通过降低工作时间, 可短时间实现高重复频率和大脉冲能量激光输出, 目前已被作为高频PLIF技术最具潜力的泵浦源。 典型的脉冲串输出方案采用腔外调制的振荡+放大结构(master oscillator power amplifier, MOPA)[16]。 国外学者普遍采用激光性能参数优良的连续Nd:YAG激光器作为种子源, 通过声光或电光调制器对激光脉冲进行腔外调制, 以获得脉冲数量、 持续时间及线宽等参数可调的激光脉冲输出。 然后低能量的种子激光(nJ~μ J量级)通过MOPA结构进行功率放大, 得到满足测量要求的激光脉冲输出。 该结构布局下想要获得适宜的泵浦能量输出, 往往需要通过多级放大, 系统结构复杂, 不利于系统集成。 2014年美国空军研究实验室Miller等[17]报道了用于平面速度场测量的二级管泵浦脉冲串模式激光器系统, 重复频率为10~100 kHz, 脉冲串持续时间为100 ms, 采用了6级功率放大, 实现了脉冲能量为225 mJ的1 064 nm激光输出。

综上, 为满足大尺度模型发动机试验台测量需求, 要求用于高频PLIF测量的紫外激光系统同时具备脉冲串间隔短和大能量激光输出, 并且系统简单易集成。 本文报道了一款自主研制的腔内调制10 kHz脉冲串泵浦激光器, 输出单脉冲能量为50 mJ@532 nm, 脉冲间隔时间为50 ms, 作为高频PLIF系统的泵浦源。 较短的脉冲串时间间隔适于在工作时间尺度为百毫秒到秒量级的脉冲燃烧风洞标模发动机试验台获得有效测量数据; 通过泵浦染料激光器实现了单脉冲能量为2.95 mJ的283 nm激光输出, 转换效率为6%, 是目前国内最高水平, 满足大尺度模型发动机燃烧室高频PLIF测量的激光能量要求; 自主集成工程可用的移动式高频PLIF系统, 在中国空气动力研究与发展中心的脉冲燃烧风洞上开展了标模发动机燃烧室高频PLIF测量试验应用, 国内首次获得了大空间视场(~15 cm)内高信噪比氢燃料和乙烯燃料高动态燃烧过程可视化结果, 成功将高频PLIF技术从只能应用于实验室基础研究, 拓展到发动机燃烧室工程应用领域。

1 实验部分
1.1 脉冲串紫外激光器系统

脉冲串紫外激光器系统采用自主研发的10 kHz脉冲串激光器泵浦商用高速染料激光器(Sirah Credo), 实现283 nm波段紫外激光输出, 用于激发燃烧场中的OH自由基可视化火焰结构。 激光器内部结构如图1所示, 泵浦激光器的振荡级采用腔内调制模式, 通过电光调制方式输出振荡级种子光, 最大单脉冲能量为18.5 mJ@1 064 nm。 放大级采用两级放大结构, 其中一级放大模块输出1 064 nm激光单脉冲能量为49.5 mJ, 二级放大模块输出1 064 nm激光单脉冲能量为85 mJ, 最终经二倍频实现532 nm激光单脉冲能量为50 mJ。 相比于腔外调制方式, 实现同等能量级别的激光输出, 需要采用多级放大, 无疑增加了放大系统的设计难度。 得益于电光调Q、 脉冲串模式和MOPA技术, 使输出的泵浦激光具有高脉冲能量、 短脉冲宽度、 较高的脉冲串频率, 详细的激光输出参数将在第2节结果与讨论部分详细论述。 针对于染料激光系统, 基于振荡级和放大级模块, 实现紫外激光输出, 首先532 nm泵浦激光经过分束镜, 一部分激光脉冲能量入射到振荡级Rh6G染料池, 染料浓度为0.135 g· L-1, 另一部分泵浦激光经过反射镜组入射到放大级染料池内, 放大级染料浓度为0.09 g· L-1。 振荡级染料池充当谐振腔内激光介质, 光栅和反射镜组合实现了激光波长的可调谐。 最终在283 nm处输出单脉冲能量为2.95 mJ, 整体转换效率为6%, 是国外报道的典型染料转换效率值的2倍, 激光能量是国外连续脉冲激光器典型能量值的7倍, 满足脉冲燃烧风洞发动机燃烧流场PLIF测量的激光能量要求。

图1 脉冲串紫外激光器系统结构示意图Fig.1 The Schematic diagram of burst-mode ultraviolet laser system

1.2 高可靠性移动式高频PLIF测量系统

在实验室理想环境中, 温度和湿度被较好的控制, 灰尘和振动对激光器影响可以忽略。 然而发动机台架测试环境将严重影响高频PLIF系统的稳定运行。 发动机台架测量环境的温度范围大(10~35 ℃), 温度变化幅度大(± 5 ℃), 接近90%的环境湿度严重影响PLIF系统的稳定高效运行[18]。 例如, 温度抖动影响系统的倍频效率, 湿度大造成晶体潮解。 此外, 台架剧烈震动造成的激光能量抖动和激发波长的漂移, 直接决定获取图像的质量, 严重则造成数据获取失败。 因此, 为满足脉冲燃烧风洞标模发动机燃烧流场测量需求, 集成了一套工程可用的移动式10 kHz PLIF系统, 具有抗震、 防潮和防尘等功能, 提升了高频PLIF系统的环境适应能力。 同时, 系统采用模块化设计, 提升了系统运行效率及可靠性, 实现了系统“ 免调” , 解决了高频PLIF在发动机地面试验中面临的快速安装调试、 移动及试验运行的难题。 满足发动机台架试验的高频PLIF系统, 主要由高频可调谐紫外激光器系统、 10 kHz高灵敏度探测器系统、 一体化激光传输与光束整形系统和激光波长及能量监测等功能模块组成, 如图2(a)所示。 激光能量监测和片光分布监测模块, 用于修正激光能量对PLIF图像的影响, 以提高图像的信噪比。 激光波长选择283.553 nm激发OH基 Q1(8)(A2∑(v'=1)←X2П(v″=0)), 目的是降低荧光信号对温度的敏感性。 图2(b)所示为自主集成工程可用的移动式高频PLIF环控系统, 可搭载激光器系统和染料循环系统等精密光学仪器, 减少温度、 湿度及强振动环境对系统稳定运行的影响。 系统整体采用空间隔离设计并内置温度及湿度控制设备, 可以有效防尘和防潮, 解决了激光系统在极端潮湿(≥ 95%)环境下稳定运行的难题。 系统装配采用一体化设计, 配备隔振系统, 可有效滤除超燃冲压发动机台架工作过程中产生的高频振动, 保证系统稳定和高效运行。 图2(c)所示为一体化免调光束传输及整形系统, 该系统具有低损耗率和高稳定性, 保证在复杂试验环境下高频PLIF系统“ 大尺寸” 激光束稳定传输和高效利用。 国内首次在中国空气动力研究与发展中心的脉冲燃烧风洞上开展了标模发动机燃烧室10 kHz脉冲串PLIF测量试验研究, 片状光束尺寸为15 cm, 可获取大尺寸燃烧流场有效测量数据。 其中标模发动机测量试验总温为Tt=1 462 K, 模拟飞行马赫数Ma=6。

图2 10 kHz高频PLIF测量系统
(a): 系统结构图; (b): 环控系统实物照片; (c): 一体化光束传输整形系统实物照片Fig.2 10 kHz PLIF system
(a): The system layout; (b): Photo of the environmental control system; (c): Photo of the integrated sheet formingoptics

2 结果与讨论

图3描述了532 nm泵浦激光的脉冲波形及脉宽特性。 脉冲串泵浦激光器输出脉冲串的重复频率为20 Hz, 对应脉冲串的时间间隔为50 ms, 如图3(a)所示。 由于脉冲燃烧风洞发动机试验台工作时间一般在百毫秒到秒范围内, 国外报道的典型脉冲串模式紫外激光系统, 脉冲串的间隔时间为8~12 s, 较长的脉冲串时间间隔不利于在单次发动机试验中获得多组燃烧数据。 本文中报道的脉冲串高频PLIF系统, 具有脉冲串间隔短、 激光输出能量大和鲁棒性强等特点, 可针对燃烧室内的瞬态燃烧过程, 如点火过程开展重复测量研究。 结果所示, 单个脉冲串内含有30个脉冲, 最小脉冲间隔为100 μ s, 对应脉冲串的时间尺度为3 ms, 可针对短时间跨度的连续燃烧过程获得30张PLIF图像, 用来分析小时间尺度内燃烧特征结构的演化发展过程。 图3(d)描述了单个激光脉冲宽度为10.8 ns, 适于泵浦染料激光器, 开展PLIF测量研究。 从激光子脉冲波形可以看出, 脉冲之间幅值波动相对较均匀, 说明激光脉冲的能量抖动较小。

图3 532 nm激光脉冲波形示意图
(a): 脉冲串波形; (b): 脉冲串持续时段; (c): 子脉冲波形; (d): 子脉冲宽度Fig.3 The schematic diagram of laser pulse properties at 532 nm
(a): Sequential properties of burst laser; (b): Duration of burst laser; (c): Sequential properties of laser pulse; (d): Individual pulse and its pulse width

图4为标模发动机凹腔燃烧室氢气及乙烯燃料燃烧过程10 kHz OH-PLIF图像, 当量比均为0.2, 时间间隔为100 μ s, 分别对应于凹腔前段和后段。 得益于较高激光脉冲能量, 激光光束被整形成尺寸~15 cm的片状光束, 用于大视场下研究火焰结构的演化过程。 试验结果描述了氢火焰和乙烯火焰的高动态燃烧过程, 百微妙时间尺度内能够捕捉到涡结构的变化。 更精细的演化过程可能需要在更高重复频率下测量。 同时, 从氢火焰和乙烯火焰分布区域来看, 二者存在于凹腔的不同位置, 同时同一种燃料燃烧, 凹腔前段和后段火焰分布区域也不相同。 初步分析结果表明, 氢火焰主要分布剪切层附近, 而乙烯火焰则主要分布在凹腔中下游。 试验结果证实了自主研制的大能量紫外激光系统具备在发动机试验台复杂燃烧条件下开展测量应用的能力。 试验获得的数据未来可结合先进机器学习分析方法, 如动态模式分解方法(DMD)和本征正交分解方法(POD), 对其燃烧状态和动态过程开展更深入的研究与分析[19, 20]。

图4 氢气及乙烯燃料燃烧过程10 kHz OH-PLIF图像序列
(a)和(c)对应于凹腔前段; (b)和(d)对应于凹腔后段, 视场均为15 cmFig.4 Selected time-resolved OH-PLIF images of the hydrogen and ethylene combustion
(a) and (c) corresponds to the front of cavity; (b) and (d)corresponds to the later of cavity

3 结论

针对大尺度模型发动机燃烧流场精细化测量需求, 自主研制一款工程可用的移动式10 kHz大能量紫外激光系统, 实现了大尺度发动机燃烧流场高频PLIF测量研究, 验证了光学测量系统的有效性。 获得了高信噪比的氢燃料和乙烯燃料高动态燃烧过程, 为发动机复杂流动燃烧机理研究、 CFD仿真和发动机设计水平提升提供支撑。 下一步工作将针对发动机燃烧状态精准识别与分析需求, 发展光谱图像特征提取与分析方法, 挖掘光谱图像特征参数, 建立光谱图像特征与燃烧状态的关联分析模型, 为研究二者的关联规律和提高发动机燃烧状态判别准确率提供重要支撑。

参考文献
[1] ZHU Jia-jian, WAN Ming-gang, WU Ge, et al(朱家健, 万明罡, 吴戈, 等). Chinese Journal of Lasers(中国激光), 2021, 48(4): 0401005. [本文引用:1]
[2] YE Jia-wei, ZHANG Shun-ping, YU Xin, et al(叶家伟, 张顺平, 于欣, 等). Journal of Aerospace Power(航空动力学报), 2020, 35(12): 2593. [本文引用:1]
[3] ZHANG Zhen-rong, WANG Sheng, LI Guo-hua, et al(张振荣, 王晟, 李国华, 等). Chinese Optics(中国光学), 2013, 6(3): 359. [本文引用:1]
[4] Slabaugh C D, Pratt A C, Lucht R P. Applied Physics B, 2015, 118(1): 109. [本文引用:1]
[5] Cao Z, Lyu Y, Peng J, et al. Fuel, 2021, 301: 121078. [本文引用:1]
[6] Osborne J R, Ramji S A, Carter C D, et al. Experiments in Fluids, 2016, 57: 65. [本文引用:1]
[7] Hammack S D, Lee T, Hsu K Y, et al. Journal of Propulsion & Power, 2013, 29(5): 1248. [本文引用:1]
[8] Peng J, Cao Z, Yu X, et al. International Journal of Hydrogen Energy, 2020, 45(23): 13108. [本文引用:1]
[9] Slipchenko M N, Miller J D, Roy S, et al. Optics Letters, 2014, 39(16): 4735. [本文引用:1]
[10] TIAN Ye, LE Jia-ling, YANG Shun-hua, et al(田野, 乐嘉陵, 杨顺华, 等). Journal of Propulsion Technology(推进技术), 2015, 36(7): 961. [本文引用:1]
[11] TIAN Ye, LE Jia-ling, YANG Shun-hua, et al(田野, 乐嘉陵, 杨顺华, 等). Journal of Propulsion Technology(推进技术), 2013, 34(6): 795. [本文引用:1]
[12] Pan R, Retzer U, Werblinski T, et al. Optics Letters, 2018, 43(5): 1191. [本文引用:1]
[13] PAN Qi-kun(潘其坤). Chinese Optics(中国光学), 2015, 8(4): 557. [本文引用:1]
[14] WANG Zi-jian, JIN Guang-yong, YU Yong-ji, et al(王子健, 金光勇, 于永吉, 等). Infrared and Laser Engineering(红外与激光工程), 2015, 44(9): 2638. [本文引用:1]
[15] Zhu S, Jiang W, Liu Y, et al. Journal of Russian Laser Research, 2015, 36(4): 377. [本文引用:1]
[16] LI Xu-dong, MEI Feng, YAN Ren-peng, et al(李旭东, 梅峰, 闫仁鹏, 等). Optics and Precision Engineering(光学精密工程), 2019, 27(10): 2116. [本文引用:1]
[17] Miller J D, Gord J R, Meyer T R, et al. 30th AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference. 2014, doi: 10.2514/6.2014-2524. [本文引用:1]
[18] Peng J, Cao Z, Yu X, et al. Frontiers in Physics, 2020, 8: 101. [本文引用:1]
[19] ZHANG Chi, ZHOU Yu-chen, HAN Xiao, et al(张弛, 周宇晨, 韩啸, 等). Journal of Propulsion Technology(推进技术), 2020, 41(3): 595. [本文引用:1]
[20] WU Ya-dong, LI Tao, LAI Sheng-zhi(吴亚东, 李涛, 赖生智). Journal of Aerospace Power(航空动力学报), 2019, 34(9): 2018. [本文引用:1]