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基于中红外吸收光谱技术测量高温流场CO浓度研究

胡尚炜 殷可为 涂晓波 杨富荣 陈爽

胡尚炜, 殷可为, 涂晓波, 等. 基于中红外吸收光谱技术测量高温流场CO浓度研究[J]. 实验流体力学, 2021, 35(1): 60-66. doi: 10.11729/syltlx20190126
引用本文: 胡尚炜, 殷可为, 涂晓波, 等. 基于中红外吸收光谱技术测量高温流场CO浓度研究[J]. 实验流体力学, 2021, 35(1): 60-66. doi: 10.11729/syltlx20190126
HU Shangwei, YIN Kewei, TU Xiaobo, et al. Measurement of CO concentration in flat flame based on mid-infrared absorption spectroscopy[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2021, 35(1): 60-66. doi: 10.11729/syltlx20190126
Citation: HU Shangwei, YIN Kewei, TU Xiaobo, et al. Measurement of CO concentration in flat flame based on mid-infrared absorption spectroscopy[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2021, 35(1): 60-66. doi: 10.11729/syltlx20190126

基于中红外吸收光谱技术测量高温流场CO浓度研究

doi: 10.11729/syltlx20190126
基金项目: 

国家自然科学基金 91641118

详细信息
    作者简介:

    胡尚炜(1990-), 男, 四川梓潼人, 硕士研究生。研究方向: 燃烧诊断。通信地址: 四川省雅安市雨城区环山路18号(625000)。E-mail: 420746778@qq.com

    通讯作者:

    陈爽, E-mail: chenshuang56@126.com

  • 中图分类号: V433.9

Measurement of CO concentration in flat flame based on mid-infrared absorption spectroscopy

  • 摘要: CO是碳氢化合物燃烧的主要产物之一,准确测量超燃冲压发动机出口的CO浓度是评估碳氢燃料燃烧效率的重要依据。中红外波段的CO谱线相较近红外而言,具有吸收更强、谱线丰富且谱线对相对孤立、不受其他气体干扰等明显优势。本文基于中红外吸收光谱技术,计算研究了CO中红外光谱特性,选择了适用于高温流场CO测量的特征谱线,设计并搭建了高温流场CO浓度检测系统,开展了气体池浓度标定和不同当量比下平面火焰CO测量验证,实现了某超燃冲压发动机出口高温流场CO测量,反映了航空煤油燃烧过程中CO浓度和温度的变化情况,为超燃冲压发动机的燃烧和流动机理研究提供了有力的研究手段和丰富的实验数据。
  • 图  1  实验系统设计示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of wavelength modulation experimental device

    图  2  CO、CO2和H2O 2000~2250 cm-1内吸收谱线强度

    Figure  2.  The absorption line -strength of CO、CO2 and H2O at the range of 2000~2250 cm-1

    图  3  温度在1300 K时2050~2100 cm-1波段内CO的吸收谱线

    Figure  3.  The absorption spectrum of CO in 2050~2100 cm-1 band at 1300 K

    图  4  候选谱线对3和4在800~1300 K下的温度敏感性

    Figure  4.  The temperature sensitivity of candidate lines for pair3 and pair4 at the temperature range of 800~1300 K

    图  5  测量浓度与标准气体浓度的比较

    Figure  5.  Comparison of measured concentration and standard gas concentration

    图  6  采集信号的吸收光度拟合及残差

    Figure  6.  Absorption spectrophotometric fitting and residual of acquisition signal

    图  7  平面火焰稳定工况下的CO浓度测量结果

    Figure  7.  CO concentration measurement under flame stabilization conditions

    图  8  平面火焰炉不同位置的CO温度测量结果

    Figure  8.  CO temperature measurement at different locations of the flat flame furnace

    图  9  超燃冲压发动机模型示意图

    Figure  9.  Model diagram of scramjet

    图  10  发动机出口的原始信号

    Figure  10.  Engine outlet raw signal

    图  11  降噪处理后发动机加热过程和煤油点火过程的信号

    Figure  11.  Signals of engine heating process and kerosene ignition process

    图  12  吸收信号的多项式基线拟合

    Figure  12.  Polynomial baseline fitting of absorption signal

    图  13  采集信号的吸收光度拟合及残差

    Figure  13.  Absorbance fitting and residual of acquisition signal

    图  14  发动机燃烧室压力和发动机出口CO温度随时间变化

    Figure  14.  Change of engine combustion chamber pressure and engine outlet CO temperature with time

    图  15  发动机燃烧室压力和发动机出口CO浓度随时间变化

    Figure  15.  Change of engine combustion chamber pressure and engine outlet CO concentration with time

    表  1  候选谱线参数

    Table  1.   The parameters of candidate lines

    Spectral
    pair
    Center
    frequency
    /cm-1
    Line strength
    /(10-20 cm-1·
    (mol·cm-2)-1)
    Low state-
    energy
    /cm-1
    Temperature
    /K
    pair3 2059.9147
    2060.3322
    13.40
    2.75
    806.38280
    2543.05670
    1300
    pair4 2064.3969
    2064.5839
    13.90
    2.71
    729.67740
    2489.78310
    1300
    pair3 2059.9147
    2060.3322
    10.10
    3.51
    806.38280
    2543.05670
    1800
    pair4 2064.3969
    2064.5839
    10.20
    3.41
    729.67740
    2489.78310
    1800
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    表  2  不同工况下CO温度测量结果

    Table  2.   CO temperature measurement results under different working conditions

    Order Air
    /(L·min-1)
    CH4
    /(L·min-1)
    ϕ Tm
    /K
    Tc
    /K
    Relative
    error
    1 18.9 2.39 1.2 1290.2 1237 4.3%
    2 18.8 2.55 1.3 1276.7 1252 1.9%
    3 18.5 2.72 1.4 1272.3 1248 1.9%
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-26
  • 修回日期:  2020-11-18
  • 刊出日期:  2021-02-25

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    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日