基于CARS的火焰溫度測量技術研究.pdf

1、尾焰溫度是火箭發(fā)動機性能評估的重要參考依據(jù)，推進技術發(fā)展的需要對火箭發(fā)動機尾焰溫度測量提出了越來越高的要求。然而當前固體火箭發(fā)動機尾焰溫度測量的研究比較多，對液體火箭發(fā)動機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，為評估液體火箭發(fā)動機燃燒效率、分析燃燒機理進而改進發(fā)動機

2、設計提供參考。
　　在對CARS信號光強理論、理論光譜計算、測量方法及測量方案設計進行研究的基礎上，將結合參考光路的單脈沖雙泵浦CARS測量方法應用于燃燒火焰溫度測量研究中，并對影響測量準確性的可能因素進行了分析。主要完成了以下幾方面的研究工作：
　　1．設計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)定燃燒火焰流場進行實時測量的能力，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，在適當調整可調諧光源輸出頻率的前提下，能夠同時得到兩種成分的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組分濃度信息。以檢驗CARS測量設備準確性為出發(fā)點，提出了CARS校準系統(tǒng)設計方案。
　　2．在對CARS基本理論進行深入闡述的基礎上，對已有CARS理論模型進行了適度簡化和改進。從非線性光學基礎理論出發(fā)，導出了CARS信號光強度的耦合波方程，給出了CARS光強表達式，

4、對影響到信號光強度的光源線寬、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行了探討。給出了通過解密度矩陣的方法推導三階非線性極化率的數(shù)學模型的過程。闡述了非共振極化率在信號光形成中的影響及抑制方法，重點討論了共振極化率的光譜計算。對三階非線性共振極化率表達式中拉曼線寬、拉曼散射截面及躍遷能級之間的粒子數(shù)密度差的計算分別進行了詳細討論。
　　3．在CARS經典理論模型的基礎上，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(ERE: Electronic-Resonance-Enhanced)CARS方法進行了深入討論。對雙泵浦CARS及雙寬帶CARS方法從原理上進行了探討，并給出了理論模型。針對雙泵浦方法存在的問題，提出了改進方法，擴展了適用范圍，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系進行了詳細計算，證明了在雙光束過程相位匹配關系成立的情況下，三光束過程的相位匹配關系也是必然成立的。對ERE-CARS基本原理進

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行了推導，并設計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產生的丁烷/空氣擴散火焰為測量對象，以氮氣為探針分子進行了CARS溫度測量實驗研究，并將測量結果與熱電偶測量結果進行了對比，對可能影響兩者之前存在差值的因素進行了分析。實驗結果表明，CARS溫度測量誤差在800K以上約為70K，在500K~800K之