基于MIR-TDLAS的烃类燃料燃烧温度及组分浓度时间演变研究

Hydrocarbon fuel is one of the primary energy consumed in the world and has been researched widely in recent time. The intermediates during the process of hydrocarbon fuel combustion are complex and transient. Species time-histories data describing these intermediates are not only needed for the study of the principle of hydrocarbon fuel combustion, but also for the new phenonena discovery, new concept foundation, and the and development of the latest combustion technologies. The project is planned to develop a method for time-history measurements of multi-species concentrations and temperature during the process of hydrocarbon fuel combustion using the mid-IR tunable diode lasers near 3 μm. In this research, the isolated absorption line which usually used for measurement is replaced by "wavelength pair". And the "wavelength pairs" used for the measurements of concentration and temperature are selected based on some selection rules. The differential absorption of the selected pairs are use to minimize the influence of background and interfering absorbers. The method can be used for the combustion diagnose at high temperature and high pressure. Interference-free time-history measurement at microsecond level is achieved using this method combined with fast scan of the laser and suppression of the background emission in the pressure range of 1-20 atm and the temperature range of 1000-2000 K. The obtained time-history rules can be used for the development and validation of high pressure combustion model.

烃类燃料是目前世界上可利用的重要能源之一，其燃烧过程，特别是在高压下的燃烧，具有瞬变、组分复杂等特点，过程中一些重要中间产物及参数的时间演变信息对于认识燃烧现象的本质，进而发现燃烧中的新现象、提出燃烧新概念必不可少，同时也是设计新型燃烧室的前提。 本项目拟采用3 μm波段的可调谐二极管激光器作为光源，在对以n-Heptane为代表的烃类燃料部分重要燃烧组分的光谱信息进行分析的基础上，使用"波长对"代替传统方法中的独立谱线，利用所选两波长处吸收信号之间的差分吸收开发一种可有效去除背景热辐射及其他分子干扰的时间分辨测量方法。并通过在1-20 atm、1000-2000 K范围内对燃烧温度和部分燃烧组分浓度的时间演变实现μs量级上的测量，得到不同燃烧条件下流场温度以及部分组分浓度的时间演变规律，为烃类燃料高压燃烧模型的建立及其可靠性验证提供实验数据的支持及为高压燃烧机理研究提供研究手段。

烃类燃料的燃烧仍然是目前世界上最主要的能量来源，其在产生能量的同时也向大气中排放了大量的污染物，因此在实现对瞬变、组分复杂的高压燃烧过程中一些重要中间产物及参数时间演变信息准确测量的基础上，认识新型燃烧过程，发展新型燃烧技术，有助于解决能源危机、环境污染等问题。. 作为具有实时、动态、高灵敏度、高分辨率、非接触式、多组分同时测量等优点的可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS），近年来被广泛应用到了大气环境监测、工业过程控制、医疗诊断及化学反应过程等领域。随着激光技术及信号探测分析技术的不断进步，分子位于中红外和近红外波段的吸收谱线被作为传感目标大量运用到了燃烧流场的参数诊断中，如何有效去除背景热辐射及其他非目标气体分子的干扰，实现对燃烧温度及组分浓度等参数的无干扰时间分辨测量尤为值得研究。本项目以此为目标，开展的主要研究包括以下四个方面：.① 对本研究中所使用的3.38 μm附近的C2H4谱线在常温及高温下的部分参数（线强、自加宽、空气加宽、温度依赖系数等）进行了测量；另外还对C2H4在1.62 μm波段附近常温及高温下的谱线参数进行了测量，对数据库起到了补充作用，并以此判定了1.62 μm波段C2H4谱线对本项目的可用性；.② 针对燃烧过程中碳氢化合物谱线交叠严重的现象，利用“波长对”代替了传统的独立谱线探测方式，以C2H4为例，分别通过其位于3.38 μm和1.62 μm附近的“波长对”间的差分吸收信号，实现了对高温高压环境下C2H4浓度的时间分辨测量，利用一对“波长对”间的差分吸收信号之比实现了对温度的快速反演；.③ 以n-Heptane为例对大分子的吸收光谱进行了研究，并分析了n-Heptane的宽带吸收信号对本研究中所用3.38 μm、1.62 μm及1.479 μm处目标谱线探测的影响；.④ 利用1.479 μm处一条OH的吸收谱线和两条H2O的吸收谱线作为传感目标，使用单台DFB半导体激光器作为激发光源，通过波长调制吸收光谱技术实现了对高温环境中的OH浓度和温度的同时测量。.上述研究为高压燃烧诊断提供了技术手段，有助于推动新型先进燃烧技术的发展。