燃料燃烧是人类社会赖以生存和发展的重要技术和有力工具。 航空航天发动机、 燃气轮机、 内燃机和工业锅炉等动力装置均离不开燃料燃烧所带来的动力源泉。 非接触式光学探测技术可获取瞬态燃烧过程中浓度场、 温度场和速度场等信息, 对燃烧动力装置的优化设计、 节能减排、 新型燃料燃烧机理研究和燃烧数学模型建立起到至关重要的作用。 自发拉曼散射(SRS)技术可实现燃烧场中主要物种组分浓度/摩尔分数/质量分数和区域温度的同步测量, 具有纳米级和毫米级的时空分辨率^{[1, 2, 3]}。 现有的SRS燃烧诊断系统中, 大部分是使用传统的C-T结构反射式光栅光谱仪和一台ICCD相机组成拉曼散射信号采集系统^{[4, 5, 6]}, 这类系统普遍具有功能单一、 收集效率低、 光谱范围与光谱分辨率矛盾等不足。 近期的文献表明各种改进型的SRS技术均是应用于无强烈干扰的“ 友好” 火焰中^{[7, 8]}, 代表性的包括美国Sandia国家试验室的Barlow^[9]和沙特KAUST大学CCRC实验室的Magnotti^[10]等在消除荧光干扰、 提高拉曼散射光收集效率和光谱数据处理等大量研究, 而这些工作主要是在光学实验室环境中进行, 而在高温高压高湍流等极端燃烧环境中对热力学动态参数进行现场定量测试的拉曼散射技术仍需要进一步研究^{[11, 12, 13]}。

SRS技术可应用于航空发动机瞬态燃烧过程的探究, 而国内外在该领域的研究鲜有报道。 1994年, 美国通用电气公司研发中心在航空发动机燃烧室出口完成了单测点SRS组分浓度测量^[14]。 该实验使用一台反射式光谱仪和各单物种对应的多个光电倍增管, 存在严重的荧光干扰。 2016年和2018年, 西北核技术研究所和西北工业大学分别在航空发动机上使用一套反射式光栅光谱仪和ICCD相机系统, 进行了燃烧场组分浓度的自发拉曼光谱测量, 实现了单工况单测点的测量^{[15, 16]}, 而上述文献都没有在航空发动机燃烧场中实现组分浓度和温度的同步测量。 在复杂燃烧场中应用SRS技术需要解决的主要问题: 组分浓度和温度的同步测量、 激光诱导荧光干扰的衰减或消除、 拉曼散射光收集效率的提高和燃烧场的单车次下三维移位测量。

根据SRS理论, 温度对物种拉曼散射截面产生影响, 并对不同物种的影响程度存在差异。 需要在测量组分浓度的同时同步获取该激发区域的温度, 进而基于实验标定的温度响应函数对各物种拉曼散射截面进行修正。 本系统中通过选取刻线数合适的VPH透视光栅和采用ICCD相机可移动的安装方式, 在532 nm波长单脉冲激光激发下, ICCD相机可同步采集包含N₂反斯托克斯(473.3 nm)和斯托克斯(607.3 nm)的拉曼光谱信号, 以此计算出该激发区域的温度^{[17, 18]}。 同时同步采集到了可定量浓度的其他物种组分的拉曼光谱, 如CO₂(571 nm, 574.4 nm)、 O₂(580 nm)、 H₂O(660.3 nm)、 H₂(683.2 nm)和C_xH_y等。 系统中安装了两套VPH透射光栅和ICCD相机, 可实现两台相机同步测量两个互相垂直偏振方向上的拉曼信号, 其差谱可有效消除叠加在拉曼信号中的C₂或PAH等产生无偏振特性的荧光干扰信号。 气态组分的SRS信号非常弱, 基于传统的反射式光栅光谱仪的衍射效率仅有30%~40%。 本研究开发的系统采用了VPH透射光栅, 在测量光谱波长范围内(400~700 nm)衍射效率可达70%~90%, 可实现燃烧场1%浓度组分的定量测量, 与国外类似系统的检测能力持平。 在设计的可三维移位的光学平台上, 放置包括激光器和双偏振光谱以系统等全部SRS仪器设备及部件, 实现了在某航空发动机模型燃烧室燃烧场不同工况、 单车次的多点组分浓度及温度的同步测量。

自发拉曼散射是光与分子间的非弹性散射, 散射光子与入射光相比, 其频率、 波长和波数都发生了改变, 不同分子这些物理量变化具有指纹特征。 在混合气体体系中, 某物种i的拉曼散射能量E_i与其数密度n_i的关系如式(1)所示^{[3, 10]}

Ei=ηiE0VcΩ∂σ∂Ωini(1)

式(1)中, η _i为物种i的光学传递效率; E₀为入射激光能量(J· cm^-2); V_c为探测区体积(cm³); Ω 为光学收集固体角(sr), ∂σ∂Ωi为物种i振动拉曼散射微分截面(cm²· sr^-1)。

当燃烧场温度超过1 200 K时, 物种的拉曼散射截面受到温度的显著影响, 拉曼散射截面与温度的关系如式(2)所示^{[3, 10]}

∂σ∂Ω=ε(v0-Δv)4)1-exp(-hve/2πkT)Δvni(2)

式(2)中: ε 为常数; v₀为入射激光波数(cm^-1); Δ v为拉曼频移的波数(cm^-1); h为普朗克常数(6.625 6× 10^-34 J· S); k为波尔兹曼常数(1.38× 10^-23 J· K^-1); T为绝对温度(K); v_e为特征振动波长(cm^-1)。 因此需要得到该时刻的温度后, 才能更精确地得到各组分的浓度值。

为了计算区域温度, 需要得到氮气的斯托克斯和反斯托克斯信号强度, 然后采用式(3)进行计算^{[3, 10]}

T=hvcklnC(vS, vAS)ISIAS+4lnv0+vv0-v-1(3)

式(3)中, I_S和I_AS分别为N₂物种的斯托克斯和反斯托克斯强度, v是N₂物种在激发波长v₀下的波数(cm^-1), c为光速。 C(v_S, v_AS)由温度标定实验获得。

SRS测量系统主要由激发、 光谱采集系统和三维移动光学平台等组成, 如图1和图3所示。 激发系统由激光器(Continuum PL8010, 10 Hz、 8 ns脉宽、 8 mm光斑、 550 mJ @532 nm激光)、 1/2λ 半波片(Thorlabs WPH10M-532)、 扩束器(1∶ 3倍可调)、 双柱面聚焦透镜组(焦距分别为300和250 mm)、 能量计(OPHIR NOVA Ⅱ )、 激光提升转向反射镜及特制镜架、 铝型材框架组件和遮光筒等构成。 通过旋转调整1/2λ 半波片的位置, 可改变激光的偏振方向, 使其在某一偏振方向上的拉曼信号最大化。 扩束器和聚焦透镜组(两个柱面镜相互垂直放置, 相对距离可调)的组合调整可在燃烧场测试段出入射石英窗口上形成大尺寸光斑(直径约15 mm)和在激发区形成长方形“ 软焦点” (长6 mm, 宽/高约0.2 mm), 到达激发区的激光能量约为400 mJ。 这种聚焦方法可有效避免高能激光损伤石英窗口、 聚焦区域气体击穿, 而无需搭建复杂的激光脉冲展宽外光路^[10], 并且焦点尺寸与光谱仪入口狭缝匹配, 进光量最多, 杂散光最少, 提高了光谱的信噪比^{[19, 20, 21]}。 能量计同步监测记录激光能量变化, 作为单脉冲能量波动的光谱强度修正值。

图1

Fig.1

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	图1 SRS光学系统建立Fig.1 SRS optical system setup

光谱采集系统主要包括双透镜(前工作距175 mm, 直径76 mm)散射光收集器、 狭缝(宽0.3 mm)、 三个商用镜头(一个135 mm/F2.8和两个85 mm/F1.5)、 Notch滤光片(Edmund Optics, OD≥ 6, 直径50 mm, 532 nm)、 偏振分束立方体(消光比1 000∶ 1, 50 mm× 50 mm)、 两个VPH透射光栅(Wasatch Photonics, WP-1000/600-50.8, 出入射角22.5° )、 两台ICCD相机(Andor iStar和PI MAX4, 均为256× 1 024 pixels/26 μ m)、 机壳和三维平台(长150 mm× 宽150 mm× 高200 mm)等组成。 光谱采集系统中的所有部件均可调整安装位置, 便于现场组装和信号调试。 三维平台用于激光焦点与光谱仪系统之间的光学准直。 两台相机门宽均设置为20 ns, 采用Kinetic功能实现单脉冲采集。 两套成像系统的放大倍数均为0.6, 在ICCD成像的纵向空间方向(激光传输方向)共分9个通道, 每个通道对应激发区长0.4 mm, 实现聚焦区域线成像的同步多点采集。 偏振分束立方体将拉曼信号分解成两个互相垂直方向的s偏振和p偏振信号, 由其后的两台ICCD相机同步采集。

数字延迟发生器DG645实现激发系统、 光谱采集系统和航空发动机试验台之间的时序同步。 SRS系统通过50 m长的网线和控制线, 在远离发动机实验现场的试验台操作间内完成实验。

将激发系统和光谱采集系统放置于三维光学平台(长2 000 mm× 宽1 500 mm× 高800 mm)。 三维光学平台主要由三个电控伺服电缸、 光学面包板和铝型材组件等组成。 三维移动精度± 0.01 mm, 速度0.02~50 mm· s^-1连续可调。

如果将偏振分束立方体更换为45° 放置的550 nm低通滤光片, 在通过的散射光方向上放置Notch滤光片和透射光栅, 其后拉曼ICCD相机可完成拉曼信号的采集, 在低通滤光片的45° 反射方向上拆除透射光栅, 另一台瑞利ICCD相机可以同步实现瑞利信号的采集。

对构建的SRS测量系统进行详细的标定是实现燃烧场主要物种组分浓度与温度同步定量测量的前提。 需经过以下的标定过程:

(1)使用汞氖光谱标定灯对光谱采集系统进行波长标定, 通过移动ICCD安装位置, 保证采集到的波长范围在460~690 nm(@532 nm激发)内(包含473.3 nm的N₂的反斯托克斯和683.2 nm的H₂);

(2)使用特制的0.2 mm等间距、 直径0.05 mm排孔靶和汞氖光谱标定灯, 准直两台相机同步成像到同一探测空间;

(3)使用强度计标定光谱仪的相对光子强度;

(4)实验前后采集空气拉曼光谱, 作为系统的现场标定数据, 评价系统测量精度的不确定性;

(5)实时监测的单脉冲激光能量波动值, 作为浓度和温度计算中的误差来源;

(6)在气体样池中进行已知标准气体浓度、 温度和压力的SRS实验。 这些标准气体包括CO₂、 O₂、 N₂、 H₂O、 CH₄、 C₂H₂、 C₂H₄、 C₂H₆和C₃H₈, 水蒸汽通过在气样池中滴定已知质量的液态水并加热至100 ℃实现。 获得常温、 压力0.1~3 MPa下1~10%浓度的标定曲线, 如图2所示。 各物种组分拉曼光谱强度与压力之间存在线性相关关系, 9种组分浓度与参考值之间的误差均小于1%。

图2

Fig.2

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	图2 九种组分SRS光谱的压力标定Fig.2 Pressure calibration of nine-component SRS spectra

(7)在CH₄/空气预混McKenna标准平面火焰燃烧器上的SRS温度标定实验。 在距离燃烧器上表面15 mm轴高处测量主要物种组分CO₂、 O₂、 N₂和H₂O的拉曼光谱。 按照参考文献[13]提供的22个标准工况, 对应选取其中11个典型工况, 完成了高温(1 700~2 300 K)、 常压(0.1 MPa)SRS系统温度和摩尔分数的标定。 根据式(3), 温度测量结果见表1, 可以看出SRS系统的温度测量结果(T_SRS)与参考文献的温度(T_CARS)值基本吻合, 最大误差为1.06%。 基于同步测量的其他各物种组分的拉曼光谱, 可以确定温度与组分浓度之间函数关系, 考虑温度修正函数的摩尔分数对比结果如表2所示, 两者最大误差为1.10%。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 CH4/Air Mckenna 燃烧器SRS温度测量值与参考值的对比和误差分析[12] Table 1 Comparison and error analysis of SRS temperature measurements of CH4/air McKenna burner with Reference[12] Operating conditions Temperature of CARS Temperature of SRS Error/% 1 1 706 1 704.942 69 -0.061 975 981 2 1 765 1 767.558 673 0.144 967 282 3 1 790 1 790.479 155 0.026 768 444 6 1 799 1 799.895 432 0.049 773 898 7 1 828 1 828.835 188 0.045 141 582 8 1 886 1 885.305 756 -0.036 810 377 15 1 967 1 968.651 993 0.083 985 404 16 1 976 1 977.272 418 0.064 393 612 17 2 009 2 009.950 675 0.047 320 783 21 2 110 2 109.851 444 -0.007 040 568 22 2 100 2 100.665 970 0.031 712 843

表1 CH4/Air Mckenna 燃烧器SRS温度测量值与参考值的对比和误差分析[12] Table 1 Comparison and error analysis of SRS temperature measurements of CH4/air McKenna burner with Reference[12]

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 CH4/Air McKenna燃烧器组分浓度测量值及与参考值的误差分析[13] Table 2 CH4/Air McKenna burner component concentration measurements and errors with Reference[13] Operating conditions N2 mole fraction CO2 mole fraction O2 mole fraction H2O mole fraction Error for N2 Error gor CO2 Error for O2 Error for H2O 1 0.736 6 0.068 6 0.057 8 0.137 0 0.230 5 0.230 5 0.230 5 0.230 5 2 0.729 4 0.077 6 0.038 0 0.155 0 0.210 4 0.210 4 0.210 4 0.210 4 3 0.715 5 0.094 3 0.000 5 0.189 7 0.150 2 0.150 2 0.150 2 0.150 2 6 0.722 4 0.086 4 0.018 5 0.172 7 0.210 4 0.210 4 0.210 4 0.210 4 7 0.729 6 0.077 6 0.037 7 0.155 0 0.280 8 0.280 8 0.280 8 0.280 8 8 0.716 1 0.093 6 0.000 9 0.189 4 0.321 0 0.321 0 0.321 0 0.321 0 15 0.730 5 0.077 4 0.037 3 0.154 8 0.512 6 0.512 6 0.512 6 0.512 6 16 0.723 4 0.086 0 0.018 3 0.172 4 0.452 0 0.452 0 0.452 0 0.452 0 17 0.717 2 0.092 3 0.001 7 0.188 9 0.613 7 0.613 7 0.613 7 0.613 7 21 0.724 7 0.085 1 0.018 4 0.171 8 0.806 5 0.806 5 0.806 5 0.806 5 22 0.718 9 0.090 1 0.002 9 0.188 0 1.102 0 1.102 0 1.102 0 1.102 0

表2 CH4/Air McKenna燃烧器组分浓度测量值及与参考值的误差分析[13] Table 2 CH4/Air McKenna burner component concentration measurements and errors with Reference[13]

实际测量和计算组分浓度/摩尔分数/质量分数和温度前, 还需要进行原始光谱数据的预处理, 包括减背景、 平滑、 剔除击穿光谱、 光束偏折修正、 透射光栅“ 弓形效应” 修正和划分组分像素通道等^{[5, 13]}。 当物种光谱间存在互扰(如CO₂、 CH燃料和O₂之间)而难于计算各峰值面积时, 使用Voigt函数进行谱间解耦^[22]。 通过矩阵求逆法和温度与浓度迭代计算相结合求解组分浓度^[23]。 使用开源的Python语言编制了拉曼光谱数据处理计算程序。

开发了一套基于VPH透射光栅的双偏振多功能SRS测量系统, 工程化的方案设计适合于快速的现场安装和调试。 可以实现单脉冲激光双偏振拉曼光谱的燃烧场主要物种组分浓度和同步的区域温度的定量测量。 在某航空发动机燃烧室实现了同工况下, 单脉冲20 ns内单截面上多点同步移动测量, 组分浓度测量最大不确定度为2.76%, 温度测量最大不确定度为0.35%。 开发了适用于燃烧场浓度和温度测量的拉曼光谱数据处理计算程序。 实验证明, 所开发的SRS软硬件系统适合于复杂燃烧场环境的主要组分浓度和温度定量测量的技术需求。 可实现航空发动机燃烧室燃料中间体的定性测量, 对航空煤油燃料中间体的精确定量测量可进一步通过标准火焰燃烧器结合化学反应动力学进一步研究。 该SRS系统进一步开发, 在更高刻线数的VPH透射光栅下可以实现高光谱分辨率下的多组分拉曼光谱精细结构研究, 也可实现转动拉曼光谱测温、 N₂斯托克斯振转光谱测温和联合瑞利法测温与拉曼法测浓度等燃烧场光谱测试技术开发。