中红外层析吸收光谱技术应用于甲烷掺氨层流预混火焰温度测量

氨(NH3)是一种代表性的零碳燃料,其完全燃烧产物为水(H_(2)O(g))和氮气。由于其独特的零碳排放优势,近年来,NH3已在热力锅炉、内燃机和工业窑炉中实现高比例掺烧的减排应用。由于火焰温度与燃烧效率和污染物生成密切相关,因此亟须精准的实验数据以实现对燃烧过程的主动控制。本文开发了基于中红外层析吸收光谱技术的测量系统,通过跃迁谱线分析,优选了H_(2)O在基频谱带(v3)内2482 nm附近的吸收谱线开展吸收光谱测量。采用多个Voigt线型函数实现H_(2)O光谱重叠吸收特征的精确拟合,并结合阿贝尔逆变换和正则化技术实现了不同掺氨比燃烧工况下火焰温度的免标定、定量测量。实验结果表明纯氨燃料和甲烷/氨气混合燃料的火焰面位置位于燃烧器上方高度的0.5~2 mm之间,当体积掺氨比从20%向100%增大时,火焰面逐渐远离燃烧器,同时火焰最高温度大约从1600 K上升至2000 K。本文开发的测量方法与系统,不仅能捕捉到层流预混火焰沿着轴向和径向的非均匀温度分布,还能分辨出不同燃烧工况下的火焰温度差异,特别适合零碳氨燃料火焰温度测量。

基于外差相敏色散光谱技术的宽动态范围甲烷气体检测

为实现痕量甲烷气体的宽动态范围高灵敏度检测,本文开展了双边带拍频抑制模式的外差相敏色散光谱技术研发,研究了电光调制器工作特性以及偏置电压调控方法,对比了抑制与非抑制模式下的色散相位谱轮廓与信噪比,并对检测性能(如线性动态检测范围)进行了系统研究。基于近红外分布式反馈激光器和电光调制器,搭建了外差相敏色散甲烷气体检测系统,通过探索和分析电光调制器的最佳工作区间,实现了双边带拍频抑制进而得到了大幅值、高信噪比的色散相位信号。测量了典型高频(1.2 GHz)强度调制下甲烷/氮气标气的色散相位信号,获取了色散相位信号峰峰值随气体浓度的变化规律。同时开展了波长调制光谱技术实验,对两种技术的线性度、检测动态范围和对光功率波动的抗干扰性能进行对比研究。最后,通过测量不同浓度的标气验证了该系统在宽动态、快速时间响应下的性能。所开发的基于外差相敏色散光谱技术的甲烷检测系统具有线性度高(R^(2)=0.9999),动态检测范围宽(38.5 ppm~40%),且对光功率波动免疫性高的显著优势。本文研发的基于外差相敏色散光谱技术的气体检测技术在宽动态范围检测和实际现场检测应用领域具有广阔的前景。

热化学参数非均匀分布对双色激光吸收光谱测量碳烟火焰温度的影响

针对视线效应(Line-Of-Sight,LOS)的双色激光吸收光谱(Laser Absorption Spectroscopy,LAS)火焰测温技术,研究了热化学参数的非均匀分布对碳烟火焰温度测量的影响。优先选出水汽(H2O)在1.3~3.0μm内的6对典型吸收谱线,针对氮气伴流碳烟火焰和空气伴流碳烟火焰,利用高保真光谱数值模拟仿真系统研究了非均匀温度和浓度分布对所选6对谱线的测温结果的影响,得到了氮气伴流碳烟火焰和空气伴流碳烟火焰的非均匀性条件。对于氮气伴流碳烟火焰,仿真得到的谱线对4029.52 cm^(-1)/4030.73 cm^(-1)和5553.86 cm^(-1)/5554.18 cm^(-1)的最大相对温度偏差分别是4.72%(最小)和12.40%(最大)。空气伴流碳烟火焰的谱线对相对温度偏差有正有负,且其最大正负值均出现在δ/L=80%的非均匀条件下,谱线对5553.86 cm^(-1)/5554.18 cm^(-1)相对温差的最大正负值分别为14.43%和-2.51%;谱线对4029.52 cm^(-1)/4030.73 cm^(-1)相对温差的最大正负值分别为3.22%和-13.21%。最后,通过典型谱线对4029.52 cm^(-1)/4030.73 cm^(-1)的吸收光谱进行了实验验证。实验结果表明:在两种典型碳烟火焰中,谱线对4029.52 cm^(-1)/4030.73 cm^(-1)对热化学参数的非均匀性不敏感,可以最大程度上减弱热化学参数非均匀分布对其测温结果的影响。