可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于平面火焰中气体浓度二维分布重建的研究.pdf

第32卷,第11期光谱学与光谱分析 ,,pp28912896
2012年11月 SpectroscopyandSpectralAnalysis November,2012
可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于平面火焰中
气体浓度二维分布重建的研究
姜治深,王飞,邢大伟,许婷,严建华,岑可法
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州 310027
摘要研究了可调谐半导体激光吸收光谱技术实现气体浓度二维分布测量的方法,探索了重建气体浓度
二维分布的模型和算法,并采用数值模拟的方式对重建程序进行了可行性验证。搭建了由24束激光束构成
的场参数测量系统,以甲烷/空气预混火焰中 H2O为测量对象,运用重建程序重建了火焰中 H2O浓度的二
维分布,实验结果分析表明,重建结果较真实的反应了火焰中 H2O浓度的二维分布状态,为实现优化燃烧
控制提供重要数据。
关键词可调谐激光吸收光谱;二维重建;代数迭代重建算法
中图分类号:TN247,TK16 文献标识码:A 犇犗犐:.10000593(2012)11289106
激光器发射一束频率为ν(cm-1)的单色光穿过火焰区
引言域,当其频率与气体吸收组分频率相同时,激光能量被吸
[8]
收,入射光强Ι0 和透射光强Ιt 遵循BeerLambert定律
可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunablediodelaserab犐t
犜ν= =exp(-犘犡犔犛(犜)φ(ν-ν0,犜))=exp(-αν犔)
sorptionspectroscopy,TDLAS)是利用半导体激光器驱动电(犐0 )
流和温度的变化实现波长的调制,通过对待测气体的快速扫(1)
-1
描,实现诸如温度、浓度、压强、速度等参数的窄线宽测量其中犜ν定义为传播分数,αν(cm )为吸收系数,Ρ(atm)为
总压, 为组分摩尔浓度, ( )为吸收气体的吸收光程,
方法[14]。该技术具有可靠性高、抗干扰能力强、响应速度快犡犔cm φ
[ ] -1 -2 -1
等特点,已经广泛应用于环境监测、燃烧测量等领域 57 。(cm )为线型函数,满足∫φd狏=1,犛(犜)(cm ·atm )为
[]
在碳氢燃料燃烧中,H2O作为燃烧产物之一,其浓度分谱线强度,是温度犜(K)的函数 9 。
布对监控燃烧的反应状态具有十分重要的意义。传统
TD犙(犜0) 犺犮犈″犻 1 1
犛(犜)=犛(犜0) exp - - ×
LAS技术测量的气体浓度多为整个光路上的平均值,当测量犙(犜) [ 犽(犜犜0 )]
环境中气体浓度梯度变化较大时,显然不能真实反应实际的 1-exp(-犺犮ν/犽犜)
= (2)
[1-exp(-犺犮ν/犽犜0)]
状态。本工作以 TDLAS技术为基础,搭建了24束激光束平
-1
其中犜0(K)为参考温度,犺(Js)为普朗克常数,犈″犻(cm )为
面火焰测量系统,并利用代数迭代重建算法(algebraicrecon
低能级能量,犽(J·K-1)为波尔兹曼常熟,犮(cm·s-1)为真
structiontechnique,ART)重建