Аппаратура и методы молекулярного рассеяния и флюоресценции для локальных измерений в потоках газов с горением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ
|
Федоров, Сергей Юрьевич
АВТОР
|
||||
|
доктора технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Новосибирск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2014
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Федоров Сергей Юрьевич
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОГО РАССЕЯНИЯ И ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ДЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ПОТОКАХ ГАЗОВ С ГОРЕНИЕМ
01.04.05 - «Оптика»
Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук
2 О НАР 2014
Новосибирск - 2014
005546176
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН).
Официальные оппоненты: Пулькин Сергей Александрович,
доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет», профессор кафедры общей физики I;
Тарасенко Виктор Федотович, доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники СО РАН, заведующий лабораторией оптических излучений;
Бойко Виктор Михайлович, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, заведующий лабораторией оптических методов диагностики газовых потоков.
Ведущая организация - Открытое акционерное общество
«Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова» (г. Санкт-Петербург).
Защита состоится 12 мая 2014 г. в 13.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГТА») по адресу: 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 402.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГТА».
Автореферат разослан 12 марта 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
Чесноков Д. В.
Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 10.02.2014. Формат 60 х 84 1/16. Печ. л. 2,00. Тираж 100 экз. Заказ f . Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертация посвящена разработке, совершенствованию и применению аппаратуры и методов лазерной диагностики реагирующих газовых потоков. Рассматриваются различные методы оптических исследований с использованием лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ), рэлеевского рассеяния света (РР), а также комбинационного - спонтанного (КР) и когерентного (КАРС). В процессе работы была построена многоцелевая измерительная система с использованием в качестве компонентов как серийно выпускавшейся аппаратуры, так и созданной в лаборатории. Были разработаны лазеры с улучшенными энергетическими и спектральными характеристиками, оптические схемы фокусировки излучения, электронные схемы регистрации импульсных сигналов, методики калибровки и уменьшения погрешности, компьютерные программы обработки спектральных данных. Техника применялась при исследовании газофазных пламен, горения испаряющегося этанола в пограничном слое и твердого топлива при повышенном давлении, конденсации в расширяющейся струе. Каждое из применений служило тестированием, позволяя изучить возможности и ограничения методов.
Актуальность темы. Многие задачи газовой динамики, энергетики приводят к проблеме невозмущающих исследований газовых потоков и пламени с высоким временнъш и пространственным разрешением. Сложная структура, широкий диапазон термодинамических параметров, турбулентный характер движения серьезно затрудняют применение как «чистого» математического моделирования для их решения, так и контактных методов экспериментального исследования. Широко используемые лазерная анемометрия и методы визуализации не обеспечивают необходимой полноты информации об исследуемых объектах. Горение - многопараметрический процесс, при экспериментальном исследовании которого необходимы опытные данные, характеризующие различные стороны этого явления: химические, газодинамические, тепловые и т. д. Результаты измерений средних во времени концентраций, температур, скоро-
стей движения газа, а также тепловых и массовых потоков отражают наиболее общие свойства реагирующего течения. Для этих целей успешно применяются традиционные зондовые методы. Оптические бесконтактные методы измерений, получившие широкое развитие с применением лазеров, позволяют измерять с высоким временным и пространственным разрешением мгновенные значения параметров, необходимые для углубленного изучения процессов в потоках. Оптические методы измерения скалярных параметров в сфокусированных пучках, основанные на многофотонных процессах взаимодействия света с молекулами в газах, открывают возможность измерять населенности уровней молекул и радикалов. А это прямой путь для получения недостающей информации о локальных температуре и абсолютных концентрациях. Отсюда следует, что применение этих методов является важной и актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Пропуская историю предсказания, открытия и исследования эффектов, связанную с именами Стретта (Рэлея), Эйнштейна, Смекала, Рамана, Кришнана, Ландсберга, Мандельштама и др., можно сказать, что основанные на их использовании методы в современном понимании появились после изобретения лазера. В последующий период они развивались усилиями большого количества исследователей вслед за появлением новых образцов лазерной, фотоприемной и компьютерной техники. Lapp и Penney измеряли сечения KP. Inaba и Kobayasi совершенствовали технику лидарных KP-измерений в исследованиях загрязнений атмосферы. Taran с сотрудниками первыми применили КАРС для измерений в пламени. Yuratich исследовал влияние ширины лазерной линии на спектр КАРС. Eckbreth и Anderson предложили схему DBCARS для чисто вращательных спектров, a Leipertz исследовал возможности этой схемы. Alden проводил двухволновые измерения в турбулентном пламени. Stepovsky, Crosley, Kohse-Hoinghaus, Cattolica в своих исследованиях использовали ЛИФ радикалов. Hanson применял флуоресценцию для двумерной визуализации. В нашей стране известны работы по методам нелинейной оптики Ахманова С. А. и Коротеева Н. И. из Московского государственного университета. В Институте общей физики Академии наук Смир-
нов В. В. развивал КАРС со сканированием спектра. Анализ литературы по методам измерений за годы, предшествующие началу наших исследований в конце 1980-х гг., позволяет выявить следующие недостатки, препятствовавшие использованию всех потенциальных возможностей спектроскопии:
— оставались неисследованными границы применимости методов к реальным объектам для получения количественной информации о параметрах газовых сред; отсутствовала готовая к применению техника;
— обычно использовалось накопление сигнала, пригодное только для стационарных объектов; импульсные измерения КАРС сдерживались высокой погрешностью из-за нескомпенсированного спектрального шума лазеров;
— не было доступных программ расчета спектров; обработка данных ограничивалась интенсивностями изолированных линий в рамках одной ветви; накопленная информация о восприимчивости газов требовала нового формата для ее верификации и использования.
Следует отметить слабую освещенность темы в отечественной литературе.
Цель работы - исследование реальных возможностей и ограничений методов оптических исследований в газах с использованием РР, КР, КАРС, ЛИФ с применением имевшейся техники и разработка новых эффективных технических средств измерения параметров среды с высоким временным и пространственным разрешением применительно к исследованиям течений реагирующих газов.
Основные задачи:
разработка и создание аппаратуры для возбуждения и регистрации спектров и компьютерных программ обработки экспериментальных данных;
исследование способов уменьшения погрешности спектральных импульсных измерений;
получение опытных данных о температуре и концентрации молекул и радикалов в условиях, когда применение других методов затруднено.
Объект и предмет исследования. При разработке аппаратуры и программных средств объектом исследования служили различные процессы взаимодействия лазерного излучения с молекулами вещества и промежуточными продук-
тами химических реакций - свободными радикалами. Это - рэлеевское рассеяние, комбинационное (рамановское) рассеяние в спонтанном и когерентном вариантах, индуцированная лазером флуоресценция. Предмет исследования — возможности их использования для импульсных измерений температуры и состава в движущихся многокомпонентных газовых средах, в том числе, химически реагирующих. При тестировании и применении аппаратуры объектом служили струи, пламена, пограничные слои, вихревое течение. В каждом случае предмет исследования определялся поставленными и решаемыми задачами, исходя из эффективности методов и применявшейся лазерной и фотоприемной техники, например, условия возникновения конденсации, определение температуры горения в сложных условиях, а также абсолютных концентраций основных компонентов и радикалов, определение структуры течения и др.
Научная новизна. Новыми результатами диссертации являются:
- экспериментальная оптическая схема двухволнового КАРС-спектромет-ра для одновременного определения температуры и концентрации в газах, эффективно использующая энергию имеющегося лазерного излучения для возбуждения сигнала последовательно в контрольном и измерительном объемах, с разделением пучков излучения, рассеянного в этих объемах, при помощи оптического клина. Она позволяет в диапазоне применимости метода получить высокую чувствительность аппаратуры при имеющейся невысокой энергии лазерной системы;
- способы уменьшения случайной погрешности измерений методами КАРС и двойного широкополосного КАРС, обусловленной пульсациями спектральной интенсивности сигнала. В отличие от известных решений, в методе КАРС с вырожденными частотами предлагается регистрировать импульсные спектры широкополосного лазера при одновременном исключении контрольного объёма из оптической схемы. В методе двойного широкополосного КАРС предлагается использовать альтернативные варианты фазового согласования пучков в измерительном и контрольном объемах с нормировкой на линии перекрест-
ной ветви. Эти способы применимы при моноимпульсных измерениях, когда неэффективно повышение интенсивности сигнала и невозможно накопление;
— универсальная компьютерная программа для КР- и КАРС-спектроско-пии, реализующая функции расчета спектров и обработки экспериментальных спектральных данных с детальным учетом параметров регистрирующей аппаратуры. Она предоставляет пользователю наглядное отображение данных, их накопление и обработку, широкие возможности для оптимизации измерений; применима в случае существенного перекрывания линий в спектрах, в том числе, в спектрах смесей газов. Не имеет отечественных аналогов.
Оригинальность перечисленных решений подтверждена патентами РФ.
Также предложены и впервые применены:
— оптические схемы КАРС для двухточечных измерений корреляционных характеристик в потоках;
— схема двухволнового КАРС для импульсного измерения температуры в струе продуктов горения твердого топлива при высоком давлении по неразрешаемому спектру азота;
— спектральные схемы ЛИФ для измерения температуры и концентрации радикалов при горении газофазного топлива.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Создана аппаратура, превосходящая по совокупности характеристик применявшуюся ранее технику для контактных измерений. Показана ее применимость в реагирующих турбулентных потоках при давлении до 4 МПа в химически агрессивной газовой среде при температуре до 3 100 К и при сверхзвуковых скоростях движения. Она позволяет исследовать процессы с временным разрешением 10 не и пространственным разрешением 0,1x0,1x1,0 мм3.
Предложен и апробирован вариант КАРС-спектрометра с наиболее эффективным использованием располагаемой энергии лазерного излучения.
Многоцелевой КАРС-спектрометр адаптирован для применения на различных аэродинамических установках.
Создана универсальная программа для ЭВМ «САИ-Ззрес^а», предназначенная для обработки спектров, полученных методами КР, КАРС и двойного широкополосного КАРС. Помимо расчета теоретических спектров, она содержит инструментарий для обработки экспериментальных спектров — методы калибровки, коррекции, сравнения, интегрирования сигнала в выбранных диапазонах. Программа зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, размещена на сайте ИТ СО РАН и открыта для использования как специалистами, так и в учебном процессе.
Созданы программы расчета спектров ЛИФ радикалов. Их тексты помещены в приложения к диссертации.
Предложены и апробированы схемы и методики измерений в спектрах КАРС и двойного широкополосного КАРС, уменьшающие влияние спектрального шума лазеров на результат измерений.
Полезность решений зафиксирована в патентах и научных статьях.
Полученные опытные данные о диапазоне применимости оптических методов измерения скалярных параметров газовых сред в сфокусированных пучках могут быть полезны специалистам в соответствующих областях:
- параметры возникновения конденсации в свободных струях смесей мо-носилана можно использовать при выборе режимов напыления тонких пленок;
- температура факела при горении твердого топлива может быть использована для проверки расчетных значений;
- учет величины смещения места отбора пробы зондом позволит уменьшить систематическую ошибку при масс-спектрометрических исследованиях;
- опытные данные по распределению абсолютных концентраций радикалов ОН в турбулентном пограничном слое с горением этанола размещены на сайте Института и могут использоваться для тестирования расчётных моделей.
Методология и методы исследований. Диссертационное исследование строилось на системной методологии оптической спектроскопии. Оно опиралось на представленную в научной литературе обширную информацию о моле-
кулярных константах, системах энергетических уровней, свойствах оптических переходов, тензорных свойствах восприимчивости вещества. Основным методом исследования в работе является физический эксперимент, включающий в себя измерение параметров лазерного излучения и сигнала рассеяния или флуоресценции, возникающих в результате воздействия лазерного излучения на объекты исследования. Для многофотонного воздействия на молекулы использовались апробированные способы частотного и фазового согласования пучков. Регистрация широкополосного сигнала проводилась методами многоканальной оптической спектроскопии. Результаты исследований, представленные в диссертации, получены с применением численного моделирования при обработке спектральных данных. Программы создавались самостоятельно средствами Microsoft Visual Studio 2008. В части, касающейся тестирования и применения разработанных аппаратуры и программ, использованы данные об исследуемых объектах, ранее полученные другими авторами методами газовой хроматографии, масс-спектрометрии, лазерной анемометрии и др.
Основные положения, выносимые на защиту:
а) разработан многоцелевой спектрометр на основе мощного Nd:YAG лазера и накачиваемого им лазера на красителях. В нем используются двух-, четырех-, а также однофотонные межуровневые переходы в молекулах и радикалах для бесконтактных количественных измерений температуры (до 3 100 К) и концентраций (от 0,01 %) в реагирующих газовых потоках в сложных условиях при высоком временном (10~8 с) и пространственном (0,1 мм3) разрешении. Имеет приближенные к предельным энергетические характеристики и адаптирован для использования на разных аэродинамических установках;
б) доказана взаимосвязь профилей спектральной интенсивности широкополосного лазера и антистоксова сигнала, полученных при моноимпульсной регистрации в схеме КАРС с вырожденными частотами. Их одновременное измерение в одной вспышке лазеров и совместная обработка позволяют уменьшить случайную погрешность измерения температуры без использования контрольного объема;
в) показано, что изменение варианта синхронизма для взаимодействующих лазерных компонент на альтернативный изменяет знак рамановского сдвига для рассеянной компоненты двойного широкополосного КАРС (схема с невырожденными частотами). Это обеспечивает коррелированные пульсации для одноименных линий, соответственно, в О- и 5-ветвях двух спектров, полученных в одном импульсе лазеров, и может использоваться для уменьшения случайной погрешности измерений при одновременном упрощении аппаратуры;
г) температура и концентрации радикалов и молекул могут быть получены из широкополосных спектральных данных при расчете полной базы данных межуровневых переходов (одно-, двух- и четырехфотонных) и с учетом параметров лазерного излучения и регистрирующей аппаратуры;
д) также автор защищает полученные при исследованиях возможностей методов измерений в сфокусированных лазерных пучках в газах - РР, КР, КАРС и ЛИФ опытные данные:
- о плотности газа в свободных струях смесей моносилана;
- о составе газов при диффузии воздуха в Не и Н2 в широком диапазоне концентрации воздуха: 0,01 %-100 %;
- о температуре факела при горении твёрдого топлива;
- о температуре и концентрации радикалов при горении газофазного топлива;
- о распределении абсолютных концентраций радикалов ОН в пограничном слое с горением этанола.
Диссертация соответствует паспорту научной специальности 01.04.05 — «Оптика» (технические науки, разработка инженерных аспектов построения оптических систем и приборов, а также методов и технологии изготовления оптических материалов), ее формуле и областям исследования, обозначенных в пунктах: 3 - «Молекулярная оптика. Дисперсия, поглощение, рассеяние света. Оптическая активность сред и структур. Оптика сред при внешних воздействиях. Оптические исследования фундаментальных свойств материи»; 4 - «Кван-
товая природа света. Спонтанные и вынужденные процессы. Статистика фотонов. Оптические методы передачи и обработки информации, физические основы квантовых вычислений»; 5 - «Люминесценция. Излучение и поглощение света изолированными и взаимодействующими атомами и молекулами. Источники света. Физические основы методов и техники спектроскопии. Лазерная спектроскопия, оптические прецизионные измерения и стандарты, спектроскопия одиночных атомов».
Степень достоверности и апробация результатов исследования.
Достоверность результатов достигалась:
— применением методов измерений, основанных на эффектах с математически строгой зависимостью сигнала от параметров исследуемой среды;
— расчетом полной базы данных межуровневых переходов и использованием известных молекулярных констант при обработке спектральных данных;
— принципом минимизации расхождения между расчетным и экспериментальным спектрами, положенным в основу методов обработки данных;
— выбором разнообразных объектов исследований (пограничный слой с горением над испаряющейся поверхностью, истекающие в вакуум и затопленные струи, газофазные пламена и продукты горения твердого топлива);
— воспроизводимостью полученных данных и их сравнением с известными апробированными данными других авторов, которые были получены в аналогичных условиях, в том числе, с применением контактных методов измерений;
— калибровкой разработанной измерительной аппаратуры по эталонным объектам с известными параметрами.
Результаты работы регулярно обсуждались по месту выполнения на семинаре Лаборатории термохимической аэродинамики Института теплофизики СО РАН, руководимой академиком РАН Волчковым Э. П. (1989-2013 гг.), получили одобрение на заседании ученого совета института и общеинститутском семинаре академика РАН Накорякова В. Е. в 2013 г., докладывались на международных конференциях 1СОЕЯ8-1989 (Анн Арбор, США), 18Р8-1989 (Алма-Ата)/
1992/2011 (Новосибирск), 1СМА11-1996/2002/2004/2007/2010 (Новосибирск), ММФ-2004/2008/2012 (Минск), МЕРСАР-2005 (Сочи), 1НТС-2006 (Сидней, Австралия), РШСС)МЕ-2009 (Москва), конференции по явлениям в ионизованных газах - 1999 (Варшава, Польша) и симпозиуме по химии плазмы — 1999 (Прага, Чехия), симпозиумах по горению и взрыву ОУ-2005/2008 (Черноголовка), а также на Всесоюзной конференции «Генераторы низкотемпературной плазмы»- 1989 (Новосибирск), Всесоюзной/ Межреспубликанской конференции «Оптические методы исследования потоков» - 1989 /1993 (Новосибирск), Российских национальных конференциях по теплообмену РНКТ-1994/2006/2010 (Москва), Сибирском теплофизическом семинаре СТС-2004 (Москва - Новосибирск).
Внедрение результатов работы. В Институте теплофизики им. С. С. Кутате-ладзе СО РАН внедрены аппаратура, программы и методики измерений в газах. Работа проводилась по координационным планам НИР Института при поддержке Сибирского отделения РАН (Интеграционные проекты №№ 28, 24-12), фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и президиума СО РАН (НИОКР №№3886, 2887Р/14801), фонда Сорос-ННЦ. Отдельные результаты получены в ходе выполнения проектов РФФИ (гранты №№ 93-02-14517,96-02-19418,96-03-33924,99-02-17171,00-15-99090,02-02-16170, 05-02-16478, 09-03-00471), Фонда Президента РФ (гранты «Научные школы» №№ НШ-816.2003.8, НШ-6965.2006.8, НШ-2855.2008.8, НШ-4349.2010.8, НШ-656.2012.8), Международного научно-технического центра КТС-МНТЦ (проект №2015), Международной ассоциации ШТАБ (проект №01-2257), РАН (№3.1.3), ИТФ СО РАН (№ 4.1.6, ОЭММПУ РАН 4.1), Федеральной целевой программы (ГК 02.516.12.0017), бюджетных проектов (Ф8-3.2.2.5 ГР 01.2007.05684 и Ф10 III 16.2.5 ГР 01.2010.53716). В Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) внедрены оптические схемы измерений в спектрах КАРС. Также двухволновый КАРС-спектрометр использовался при измерении температуры продуктов горения твердого топлива в ходе выполнения проекта РФФИ № 00-03-32429 и догово-
ров на создание научно-технической продукции в Институте химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН (ИХКиГ СО РАН).
Публикации. Опубликовано 37 печатных работ по теме диссертации, в том числе 16 статей из перечня российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, а также 2 патента РФ на изобретения, свидетельство на программу для электронных вычислительных машин, монография «Законы горения».
Все результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии в ходе многолетней работы в Институте теплофизики СО РАН. По инициативе и под руководством автора коллективно с ИФП СО РАН создавалась многоцелевая система. Исследования с применением оптических методов выполнялись совместно с сотрудниками ИТ СО РАН, а также ИТПМ СО РАН, ИХКиГ СО РАН. Представление в диссертации результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с коллегами, которым автор выражает благодарность за сотрудничество.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы, включающего 187 наименований, и 9 приложений. Общий объем работы 314 страниц, включая 125 рисунков, 26 таблиц и приложения. Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, определены цель, задачи исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, изложено краткое содержание диссертации по главам и параграфам.
Первый раздел представляет собой обзор публикаций по оптическим бесконтактным методам измерений в сфокусированных лазерных пучках. В 1.1 содержится краткое описание эффектов, положенных в основу методов измере-
ний. В 1.2 анализируется состояние методов РР, КР, ЛИФ и КАРС, в том числе двойного широкополосного КАРС, ко времени начала наших исследований. Рассматриваются использовавшаяся аппаратура, характерные экспериментальные схемы, а также применения к исследованию газовых сред и степень реализации их потенциальных возможностей. В результате выявлены факторы, сдерживающие развитие и применение методов, которые определили направление представленной работы.
Второй раздел посвящен вопросам создания техники для исследования реагирующих потоков. Разработаны два варианта аппаратуры: двухволновый КАРС-спектрометр для одновременных измерений мгновенных температур и концентраций вещества и многоцелевой КАРС-спектрометр на основе мощного лазера.
В 2.1 рассматривается первый вариант. Этот спектрометр создан на основе серийной лазерной системы ЛЖИ-501 с улучшенными энергетическими и спектральными характеристиками (рисунок 1). Построенный с использованием двухволнового перестраиваемого лазера, он позволяет возбуждать лишь две отдельные линии из всего спектра. Объективами Л1 и ЛЗ лазерные пучки последовательно фокусируются в контрольном и измерительном объёмах, в которых возникают по два пучка КАРС. Эти пучки разделяются по принадлежности к месту измерений с помощью оптического клина К, а разделение по частотам происходит в монохроматоре УМ-2. Затем они световодами подаются на фотоумножители ФЭУ-87 либо на ПЗС-матрицу. Измерение интенсивно-стей двух линий одновременно из контрольного объема и объекта при помощи
Рисунок 1 - Схема двухволнового КАРС-спектрометра
четырехканальной системы регистрации за один импульс лазерного излучения позволяет получить мгновенные значения температуры и концентрации молекул. Такая схема обеспечивает импульсные измерения при максимально эффективном использовании лазерного излучения. Для обработки спектральной информации, полученной в двухволновом режиме, были разработаны упрощенные методы, не требующие трудоемкого расчета формы спектра. Наиболее удобен для таких измерений водород. Его большой вращательный квант (60,8 см"1) обеспечивает хорошее разделение линий в спектре, а следовательно, простоту настройки и широкий диапазон измеряемых температур (до 3 ООО К). По данным тестовых экспериментов в диффузионном пламени водорода (время измерений 10 не, частота повторения 10 Гц) рассчитывались мгновенные значения температуры и концентрации Н2, случайная погрешность измерения составляла от 10 % до 20 %.
В 2.2 рассматривается второй вариант - многоцелевой КАРС-спектрометр, созданный на основе мощного лазера. Он имеет гибкую оптическую схему, позволяющую применять различные оптические методы, приближенные к предельным энергетические характеристики и адаптирован для использования на разных аэродинамических установках. На рисунке 2 показан общий вид прибора, состоящего из лазерной и фотоприемной систем, размещенных на опорных конструкциях. На рисунке 3 показаны диапазон измеряемой методом КАРС температуры и ошибки ее импульсного измерения, полученные в тестовых испытаниях аппаратуры на пламенах водорода, пропан-бутана и этанола. Ниже приведены основные параметры компонентов прибора и его общие характеристики, выявленные в ходе применений.
Компоненты:
Nd.YAG лазер - энергия 400 мДж/имп., длина волны 532 нм, ширина линии 0,005 нм, длительность импульса 15 не, частота повторения 5 Гц.
DYE-лазер - энергия 20 мДж/имп. (в полосе 4-15 нм), диапазон перестройки длины волны 555-630 нм, ширина узкой линии 0,002 нм.
Оптическая схема - фокусирует пучки на расстоянии до 2 м.
Монохроматор - разрешение 1 см"1, многоканальный анализатор (2 048 пикселей).
Оптические столы - 2В перемещения, поверхность 1 ООО х 2 ООО мм, регулировка высоты 1 000-1 400 мм.
Рисунок 2 - Общий вид КАРС-спектрометра
Регистрирующая система
Лазерная спстзма
Calibration Temperature, К
CARS Temperature, К
Рисунок 3 - Диапазон температуры (слева) и ошибки ее измерения (справа) для созданного КАРС спектрометра
Общие характеристики:
Возбуждает рамановские переходы молекул в дипазоне вращательных волновых чисел 0-400 см"1 и колебательных 780-2 900 см"1, переходы радикалов в диапазоне длин волн 278-315 нм.
Диапазоны измерения: температуры 40-3 100 К (±6 %);
концентраций молекул (Ы2, 02, Н2, СО) 1017-1021 см"3 (±10 %), радикалов (ОН, СН) 1012-1017 см"3.
Временное разрешение ~10~8 с, пространственное -0,1 мм3. Третий раздел посвящен моделированию взаимодействия лазерного излучения с газовой средой. В нем решается проблема создания расчетных средств для обработки спектральных данных, полученных методами ЛИФ, КР и КАРС.
В 3.1 разработаны алгоритмы расчета спектров эмиссии и лазерно-индуцированной флуоресценции радикалов ОН, СН, вхН, иона 3\Г2+. С целью апробации разработанных программ делается сравнение полученных спектров с экспериментальными и расчетными спектрами других авторов.
В 3.2 приведено описание компьютерной программы «САЯБзрес^а», предназначенной для обработки экспериментальных спектров, которые могут быть получены методами КР и КАРС, включая двойной широкополосный КАРС. На рисунке 4 показана схема программы.
Исходные данные (диапазон расчета,
температура, состав.
!, параметры аппаратуры...)
Полная база данных
для всех разрешенных переходов
(Термы, раиановские сдвиги, частотьI,' ; населенности, сечения, интенсивности КР,
интенсивности КАРС,¡ширина линии,:.)' ............. ——— | • ......... |———-
Спектральные | профили лазеров
» С в ертка у^'* с профилями
Свертка с аппаратной функцией прибора
Дисперсий гю^нтральнои интенсивности пной ---*--- -1
| Спектр расчетный |
= шш?
Сравнение формы спектров
Спектр экспериментальный
Рисунок 4 - Схема программы «САЯЗБресгга»
В ее основу положен расчет полной базы данных для всех рамановских переходов исследуемых молекул. Расчет основывается на известной информации о рамановских переходах в системах термов двухатомных молекул N2, 02, Н2, СО. Эти молекулы являются основными составляющими многокомпонентных газовых сред, требующих экспериментального исследования при фундаментальном и прикладном изучении процессов смешения, горения, тепло-массопереноса и др.
На рисунке 5 показано главное окно программы. В верхней части расположены панели инструментов. В нижнем окне приведен экспериментальный колебательный спектр КАРС азота. В верхнем окне приведено сравнение расчетного и экспериментального колебательных спектров азота при Т = 2 ООО К. Над спектром указаны положения линий О-, 0- и 8-ветвей. На правой панели размещены кнопки вызова диалогов с расчетными параметрами. Программа позволяет рассчитать термы, волновые числа, коэффициенты Плачека-Теллера и вероятности переходов для колебательно-вращательных и чисто вращательных полос указанных молекул, ширину линий и, наконец, форму частотной дисперсии спектральной интенсивности сигнала. При этом учитываются параметры возбуждающего лазерного излучения и приемной аппаратуры. В описании приведены выверенные данные, используемые в расчете. Дополнительное назначение программы: упрощение обработки экспериментальных данных. Для этого созданы следующие функции программы: сопоставление экспериментального и расчетного спектров, интерактивная и оптимизирующая модификация расчетных параметров.
При моделировании спектров в широком диапазоне волновых чисел, включающем как колебательно-вращательные, так и чисто вращательные переходы, решается проблема корректного расчета относительной интенсивности ветвей разной природы.
Четвертый раздел посвящен разработке способов уменьшения случайной погрешности при широкополосных импульсных измерениях методом КАРС. Флуктуации параметров широкополосного излучения лазеров накачки приводят к нестабильности интенсивности в широкополосном спектре КАРС, которая нередко достигает 50 % от импульса к импульсу. Известны две схемы волнового взаимодействия пучков, которые используются в когерентной четырехфо-тонной спектроскопии. Первая - это схема КАРС с двукратно вырожденными частотами лазера накачки. В ходе четырехфотонного процесса узкополосное излучение второй гармоники твердотельного лазера, обычно разделенное на два пучка, и широкополосное излучение в пучке лазера на красителе, пересекаясь в области измерения, взаимодействуют на совокупности комбинационных резо-нансов с возникновением пучка антистоксова излучения.
В 4.1 описывается способ, в соответствии с которым предлагается наряду со спектром КАРС одновременно регистрировать соответствующий этому же импульсу широкополосный спектр лазера на красителе (рисунок 6) и учитывать
его форму при дальнейшей обработке данных. С этой целью в схеме был установлен дополнительный моно-хроматор с многоканальным фотоприемником. В пробных экспериментах в пламени получено уменьшение случайной ошибки измерения температуры по (9-ветви азота (с 240 К до 200 К). Эта схема КАРС обычно используется для получения колебательных спектров молекул и вращательных спектров водорода. Однако, вращательные линии большинства молекул имеют рамановские сдвиги меньше, чем неизбежно существующее стоксово смещение частоты генерации красителя относительно частоты его накачки. Получение этих спектров требует усложнения аппаратуры. Например, часть излучения накачки преобразуют в третью гармонику для накачки красителя, излучающего вблизи частоты второй гармоники.
Вторая схема волнового взаимодействия, известная как двойной широкополосный КАРС, позволяет получать спектры с малым рамановским сдвигом, используя те же лазеры, что и в первой схеме. Это схема с невырожденными частотами. В ней два пучка получают разделением широкополосного излучения лазера на красителе, произвольные частотные компоненты которых воздействуют на вращательные переходы с рамановскими сдвигами в пределах лазерной полосы. А третий пучок, который рассеивается, - это узкополосное излучение твердотельного лазера. В 4.2 показано, что в схеме двойного широкополосного КАРС знак рамановского сдвига определяется выбором одного из двух возможных вариантов фазового согласования пучков. Можно обеспечить формирование одной из двух симметрично расположенных линий в и О-ветвях чисто вращательного спектра из одних и тех же лазерных спектральных ком-
оуе ; саяэ
ргечиепсу
Сплошной контур справа - импульсный спектр КАРС.
Выделенный контур слева - импульсный спектр Оуе-лазера (пунктиром справа показано его отражение относительно частоты УАО-лазера).
Рисунок 6 - КАРС с двукратно вырожденными частотами лазера накачки
понент (рисунок 7). Использование разных вариантов согласования пучков в измерительном и контрольном объемах приводит к перекрестной корреляции пульсаций интенсивности одноименных линий разных ветвей в разных спектрах. Разработан способ одновременной регистрации таких спектров одной линейкой. Приводятся результаты опытов, в которых корреляция пульсаций была установлена экспериментально. С применением нормировки интенсивностей линий по предложенной схеме в методе двойного широкополосного КАРС впервые получено уменьшение случайной ошибки при импульсном измерении вращательной температуры от 7 % до 3 %.
В пятом разделе представлены результаты применения разработаных методик, аппаратуры и программ для экспериментальных исследований в потоках и пламенах. Исследовались свободные струи, расширяющиеся в вакуум, затопленные струи, истекающие в воздух, вихревое течение в ограниченном объеме, горение газофазного и твердого топлива, ламинарный струйный пограничный слой и турбулентный пограничный слой с горением этанола. Все эксперименты проведены с выходом на предельные возможности аппаратуры по чувствительности, а также временному и пространственному разрешению. Их общая тенденция заключалась в том, чтобы расширить эти возможности путем наиболее эффективного использования энергии имеющегося лазерного излучения.
В 5.1 приводятся результаты измерения плотности газа в свободной струе методом рэлеевского рассеяния и исследована применимость метода для измерения температуры при диффузионном горении водорода, этанола и пропан-бутана в воздушном потоке.
Рисунок 7 - Взаимодействие лазерных спектральных компонент в схеме двойного широкополосного КАРС
Известно, что газовые струйные методы с их высокой скоростью осаждения, перспективные для нанесения тонких пленок на больших площадях, связаны с проблемой конденсации, вызванной охлаждением газа при его адиабатическом расширении. С целью систематического исследования процесса конденсации в 5.1.1 были предприняты измерения плотности газа в свободных струях газовых смесей моносилан - аргон и моносилан - гелий с помощью лазерной рэлеевской диагностики, обеспечивающей прямое измерение частиц конденсата непосредственно в газовом потоке. Эксперименты проводились на газодинамической установке низкой плотности ВС-4 Института теплофизики СО РАН.
С использованием формул для сигнала РР по данным измерений можно рассчитывать абсолютные значения плотности в свободных струях чистых газов и их смесей, где не происходит конденсация. Как показали опыты (рисунок 8), для небольших расстояний от сопла измеренная на оси струи плотность соответствует изоэнтропическому расчету, а затем резко возрастает и отклоняется от него. Это обусловлено дополнительным рассеянием на частицах конденсата, появляющихся в потоке. Из рисунка 8 видно, что процесс конденсации протекает в струе за любым из испытанных сопел, причем за соплами с меньшим диаметром он идет интенсивней. Фронт конденсации располагается на расстояниях 2-3,5 калибра и, чем меньше сопло, тем ближе. На рисунке 9 показаны зависимости интенсивности рассеянного излучения / (в единицах эквивалентных значений числовой плотности газа) от давления торможения на фиксированном расстоянии сопло - точка измерения х = 5 мм для чистого аргона и смесей моносилан — аргон, моносилан - гелий в струе за соплом диаметром 1,07 мм. В отсутствие конденсации интенсивность корректно отражает величину плотности газа: при малых Ро измеренные плотности согласуются друг с другом и с изоэнтропой для смеси. Как следует из рисунка 9, развитая конденсация в струе Ar начинается при Р0 ~ 600 Torr, а в смеси — при Р0 ~ 250 Torr. Как и в предыдущих измерениях, конденсация в струе смеси протекает намного более интенсивно, чем в струе аргона. Конденсация в струе смеси моносилан —
гелий начинается при большем давлении (~ 450 Torr), чем в смеси моносилан -аргон (~ 250 Torr), и протекает с меньшей интенсивностью. Результаты рэлеев-ских измерений в струе конденсирующейся смеси моносилан - аргон обобщаются по параметру P0cf,s. На основе анализа полученных результатов и литературных данных сделано предположение, о совместной конденсации в смеси моносилан - аргон с образованием смешанных кластеров. Таким образом, в стационарном объекте проведены импульсные измерения плотности газа в диапазоне от 1016 до 2 • 1018 см"3 с пространственным разрешением ~ 0,1 мм.
1 -с!=1,07тт;2-с1= 1,98 тт; 3 - <1 = 3,6 тт; 4 - с1 = 4,8 тт; 5 - изоэнтропа.
Рисунок 8 - Зависимость относительной интенсивности рэлеевского сигнала 1/10 и плотности газа Ы/Ы0 от расстояния х/с1 в свободной струе смеси 5 % моносилана в аргоне для нескольких сопел
f«, Tool-Ar; 2 - Ar + 5 % S1H4; 3 - Не + 10 % SiH4; 4 - изоэнтропа.
Рисунок 9 - Зависимость интенсивности рэлеевского сигнала /от давления торможения Р0 в свободных струях аргона и смесей моносилан — аргон и моносилан - гелий
Метод рэлеевского рассеяния, обеспечивающий измерение мгновенных значений плотности газа, потенциально пригоден для получения данных о пульсациях температуры в турбулентном потоке, которые трудно измерить термопарой. При известном давлении температура рассчитывается по плотности с использованием уравнения состояния. Однако в пламени углеродсодер-жащих топлив в определенных условиях может присутствовать сажа, которая
подобно частицам конденсата в струях создает рассеяние, неотделимое от рэле-евского. В 5.1.2 исследуется применимость метода рэлеевского рассеяния для измерения температуры при диффузионном горении водорода, этанола и пропан - бутана в воздушном потоке. Измерения проводились на таких объектах, для которых имелись ранее полученные температура или состав для сравнения их с данными измерений методом РР. В предварительных опытах использовалась сфера диаметром 15 мм из пористой нержавеющей стали, пропитанная этанолом (рисунок 10). При обдуве потоком воздуха со скоростью 0,7 ± 0,12 м/с устанавливался ламинарный режим течения с неподвижным фронтом пламени. Исследовалась окрестность лобовой точки на расстоянии от поверхности у < 4 мм. Оценки показателя преломления, основанные на данных по составу, показали, что в области выше фронта пламени показатель преломления не изменяется, что позволяет рассчитать интенсивность РР в этой области. Показано, что в бессажевом пламени водорода уровень сигнала РР совпадает с расчётным. В пламенах углеводородов сигнал зависит от ориентации осей лазерных пучков и приёмной системы. Для случая горения этанола найден ракурс а = п - 13°, при котором влияние рассеяния на частицах сажи минимально.
Опыты в турбулентном пограничном слое с испарением и горением этанола проводились в аэродинамической трубе (рисунок 11) с рабочим участком сечением 100 х 100 мм. Верхняя стенка канала отсутствовала. Прозрачные боковые стенки были сделаны из набора кварцевых пластин. Нижняя секционированная пористая поверхность поддерживалась влажной в течение эксперимента. Средняя скорость воздушного потока на входе в канал равнялась 10 м/с. Пламя стабилизировалось с помощью ребра высотой 3 мм, установленного перед первой секцией поперёк всего сечения канала. Данные по распределению в реагирующем пограничном слое температуры и интенсивность турбулентности предварительно были измерены с помощью платина-платинородиевой термопары с диаметром 50 мкм и лазерного доплеровского анемометра.
Рисунок 10 - Модель горения капли
Рисунок 11 - Пограничный слой с горением этанола
Пламя
Рассеянное излучение
На рисунке 12 показаны данные для внешней области пограничного слоя на плоской поверхности с испарением и горением этанола х = 160 мм при ракурсе а = п - 13°. Опыты показали, что при Т> 1 ООО К не удаётся получить согласие с термопарными измерениями на всех режимах течения ({7=10 м/с, Ти0 = 1 %; 8 %; 18 %). Таким образом, установлено, что в турбулизованном пограничном слое с горением этанола сажеобразование происходит в областях, где Т> 1 ООО К. На рисунке 13 представлено распределение пульсаций температуры (данные по методу рэлеевского рассеяния) и её средних значений, измеренных термопарой. Изотерма 1 ООО К (пунктир) ограничивает область с сажеобра-зованием, изотерма 1 500 К - окрестность «фронта пламени».
400 600 600 1000 1200 1400 1600 1800
т.к
Рисунок 12 - Сопоставление профилей температуры, измеренных термопарой и методом рэлеевского рассеяния
100 1S0 200 250 300 Данные относятся к течению с Ти0= 8 %.
Рисунок 13 — Сопоставление полей температуры и её пульсаций в координатах Y-X
В 5.2 приводятся применения метода КР для исследования структуры газофазного пламени в обоснование зондового метода и примесей в струйном ламинарном пограничном слое.
В газофазных пламенах при атмосферном давлении и пламенах конденсированных систем, например, в пламени перхлората аммония ширина зоны горения =0,1 мм, что соизмеримо с размерами зонда, применяемого при их исследовании масс-спектрометрическим методом. В 5.2.1 проводились измерения с целью обоснования зондового метода именно для случая, когда отношение размера кончика зонда к ширине зоны горения близко к единице. Опыты выполнялись на модельном пламени метано-воздушной смеси (8 % метана плюс 80 % воздуха плюс 12 % аргона), имеющем более широкую зону горения (=0,5 мм). Пламя было стабилизировано при атмосферном давлении на плоской горелке диаметром 15 мм. В предварительных исследованиях химической структуры пламени использовались микротермопары и макро- и микрозонды, отличающиеся внешним диаметром кончика 0,5 мм и 0,07 мм. Бесконтактные измерения методом КР обеспечивали получение данных о концентрации компонентов в пламени, свободных от систематических ошибок, присущих контактным методам. Исследуемый объект был помещен внутрь резонатора лазера, что позволило увеличить используемую мощность излучения и вместе с ней интенсивность сигнала на порядок. Рассеянное излучение наблюдалось из перетяжки сфокусированного луча диаметром 50 мкм и высотой 1 мм. Концентрацию азота и метана определяли по ин-тенсивностям стоксовых. колебательных полос.
На рисунке 14 показаны полученные профили мольной доли метана (отнесенные к ее максимальному значению) в пламени. Видно, что полученные с помощью микрозонда
1 (х) - КР, 2(Д) - микрозонд, 2(») — макрозонд.
Рисунок 14 - Зависимость относительной концентрации метана от расстояния до поверхности горелки
результаты удовлетворительно согласуются со спектроскопическими данными, если учесть, что место отбора пробы смещено вверх по потоку от кончика зонда на расстояние 0,16 мм.
В результате установлено, что основные ошибки измерения профилей концентраций компонентов связаны не с внешним диаметром кончика зонда, а с размерами отверстия, через которое отбирается проба, и со степенью отбора пробы щ. При надлежащем учете места отбора пробы ошибки измерения концентраций компонентов в модельном пламени с шириной зоны горения =0,5 мм могут быть уменьшены до 15 % (от максимального значения концентрации компонента), и профили концентраций, полученные зондовым методом, могут быть использованы для изучения химического механизма горения, кинетики химических реакций в пламенах.
При исследовании турбулентных течений реагирующих газов, а также процессов смешения в потоках с перемежаемостью возникает необходимость измерения концентрации какого-либо компонента (примеси) в газовой смеси при ее значительных изменениях (в диапазоне от 0 % до 100 %). В ряде работ других авторов исследовался эффект многокомпонентной диффузии — разделение компонентов воздуха в пограничном слое при вдуве инородных газов, либо в истекающих в воздух струях этих газов. Их эксперименты выполнялись с применением зондовых методов и показали изменение соотношения концентраций кислорода и азота в той части потока, где объемная концентрация воздуха составляет несколько процентов от атмосферной и оказывается вблизи порога обнаружения. В 5.2.2 проводится определение концентрации примеси (в качестве примеси рассматривался воздух) в струях водорода и гелия, истекающих в воздух, с использованием бесконтактных методов измерений КР и КАРС. Горизонтальная струя гелия или водорода истекала из сопла диаметром 5 мм в спутный поток воздуха. Использовались газы из баллонов с паспортным содержанием примесей азота и кислорода менее 0,01 %. Исследовалось поперечное сечение струи на расстоянии 5 мм от сопла. Начальный диа-
метр струи воздуха составлял 25 мм, скорость - 9,5 м/с; скорость водорода на срезе сопла равна 10,6 м/с, число Рейнольдса по диаметру И.е = 529; скорость гелия на срезе сопла - 6,75 м/с, Ле = 286. Для возбуждения спектров КР использовалось излучение второй гармоники лазера с энергией в импульсе 50 мДж и частотой повторения 10 Гц. Рассеянный свет из измерительного объема с размерами 0,06 х 0,03 х 0,07 мм направлялся на входную щель двойного монохроматора ДФС-24. Вместо выходной щели за монохроматором устанавливался многоканальный оптический регистратор спектров (МОРС) - линейка из 2 048 элементов с общим размером светочувствительной области 0,2 х 25,0 мм, оснащенная электронно-оптическим преобразователем (ЭОП). Сканирование объекта осуществлялось за счет перемещения сопла. Обработка, основанная на расчете формы всего спектра в регистрируемой области частот, обеспечивала наименьшую ошибку измерения. На рисунке 15 представлены результаты непосредственных измерений концентрации водорода и компонентов воздуха. Видно, что диапазон изменения сигнала составлял четыре порядка его величины. На оси струи зарегистрировано наличие примеси воздуха, в которой концентрация кислорода (0,042 %) превышает концентрацию азота (0,027 %). Анализ показал, что такие примеси значительно изменяют состав воздуха при его объемной концентрации менее 10 %. Вследствие этого в подобных экспериментах по исследованию изменения отношения 02/Н2, когда технически чистый водород содержит следы воздуха, нельзя получить достоверные данные о проявлении многокомпонентной диффузии. В опытах со струей гелия следов кислорода и азота в баллоне не обнаружено, что позволило проследить изменение состава воздуха в процессе его диффузии в легкий газ. На рисунке 16 показана зависимость параметра разделения от объемной концентрации воздуха, а также результаты зондовых измерений других авторов, полученные в опытах с вдувом гелия в пограничный слой. Видно, что в экспериментах со струей гелия наблюдается разброс данных, который увеличивается при уменьшении концентрации воздуха, т. е. при увеличении погрешности измерений. В отличие от опытов
с отбором пробы в пограничном слое, при использовании бесконтактных методов диагностики для струи гелия, истекающей в воздух, устойчивой тенденции к изменению отношения концентраций кислорода и азота не зарегистрировано. Установлено, что при накоплении сигнала можно проводить измерения концентрации с погрешностью 0,01 %.
ю' ю' 1
10"' ю"2
'-а л
К
7//
^д /
дЛДЛ—Д—А—Д—-
_[
Чо-а-п-п ■
лг
1
г, мм
1 — водород; 2 - кислород; 3 - азот.
Рисунок 15 - Зависимости концентраций от радиуса при истечении водорода в воздух
1,5
1,0
0,5
ю-1
о 1
^ 2
1 10'
X .,%
10
1 - СКР; 2 - КАР С; 3 - зонд.
Рисунок 16 - Зависимости соотношения объемных концентраций кислорода и азота от объемной концентрации воздуха при смешении гелия и воздуха
В 5.3 приводятся результаты применения метода двухволнового КАРС для двухточечных измерений концентрации Н2 в затопленной струе и для измерения температуры продуктов горения твердого топлива; кроме того описаны результаты применения двойного широкополосного КАРС к исследованию течения в трубке Ранка - Хилша.
В 5.3.1 проводились двухточечные измерения пространственной и временной корреляции пульсаций концентрации Н2 в затопленной струе. В разделе 2 описан спектрометр КАРС для одновременных измерений в одной точке мгновенных температуры и концентрации, применимый для исследования турбулентных потоков, содержащих Н2. Он обеспечивает возбуждение сигнала только для двух линий вращательного спектра Н2 последовательно в контрольном и исследуемом объеме. При изучении изотермических потоков наличие четырёх измерительных каналов позволяет получить информацию
о пространственных и временных масштабах течения. Внутренние масштабы, определяющие массоперенос, могут быть найдены из анализа спектров турбулентных пульсаций и измерений пространственных корреляций турбулентных пульсаций концентрации. Для этого необходимо измерять концентрацию одновременно в двух точках газового потока или в одной и той же точке с контролируемой задержкой между моментами измерений. На рисунке 17 приведена пространственная корреляция пульсаций концентрации Н2, рассчитанная по формуле:
% = (1)
с использованием мгновенных пульсаций А^ = Щ - Nj. При измерениях один измерительный объём находился на оси струи, второй перемещался по ее радиусу. Поперечный масштаб турбулентности, рассчитанный интегрированием экспериментальной зависимости = /(7), приблизительно равен 6 мм. Для измерения временных корреляций были использованы две лазерные системы ЛЖИ-501, работавшие с частотой повторений 10 Гц и регулируемой задержкой запуска Дг одной их них. На рисунке 18 приведены характерные автокорреляции пульсаций концентрации Н2 в трёх точках той же струи, рассчитанные по формуле:
Л(А/) = Ы(г)Ы{1 + А/) / л/см"'(О)2 ^(N(1 + Д/))2 , (2)
и спектры турбулентных пульсаций, рассчитанные по формуле:
5 = (N(0 - N(1 + ДО)2 / \liN\t))2 ^(N(1 + ДО)2. (3)
......... 1 "
■
■ ■
■ я ■ ■ 4 . ■
...... -в . . ...
■
_ ■ в п .....!!-■ »,
■ ■
и -.-—!-.-;---,-,-
-20 -10 0 10 20
У, ММ
Рисунок 17 - Пространственная
корреляция пульсаций концентрации водорода в струе на расстоянии 50 мм от сопла
Здесь N (t) = N(t) - N(t). Ромбы - результаты измерений в покоящемся газе при отсутствии турбулентности. Рисунок 18 иллюстрирует увеличение масштабов течения с удалением от выхода из сопла.
3,0 ' 2,5 2,0 1,5 1,0
/ а \ А ■-Я7 М ■1
/, a ''О Cv1 »1
/ в .Л
- 1 ■ / 7 - ? / - -И—Z=5MM, Х=4ММ Г —•— Z=20MW, х~7Ы*Л | —A—Z=50MH,X=0&W | ♦ в юоеете г
♦ ♦ [л-i ❖ ♦ ♦ ♦
♦ ♦♦
1,0 R{&t) 0,8
0,6
0,4
0,2
8-R ........
\ в \ •
—В— Z=5MM, Х=4ММ —•— г=20мм, х=7мм -—A— Z=50mm, х=0ММ
\ \
V ix А- __А
\ ■ VN — А
10"2 10"1 10° 101 102 A t С
10"1 10'3 10~2 10"1 10° 10' 10? Ю"4 10'3
Д/, С
Рисунок 18 - Спектры пульсаций концентрации 5 и автокорреляции пульсаций концентрации Я(Дг) водорода в струе, истекающей в воздух
В 5.3.2 проводились измерения температуры продуктов горения твердого топлива. Горение твердого топлива в ракетных двигателях происходит при давлениях от 4 МПа до 8 МПа и температуре от 2 500 К до 3 200 К. Зона химических превращений, расположенная в непосредственной близости от выгорающей поверхности, перемещается вместе с ней со скоростью от 10 мм/с до 40 мм/с. Химически агрессивные вещества и твердые частицы, содержащиеся в потоке газообразных продуктов реакции, затрудняют определение его параметров, важнейшим из которых является температура пламени. В нашей работе исследовалось горение модельного топлива - стехиометрической смеси динитра-мида аммония с поликапролактоном, в продуктах сгорания которой присутствует азот. Образец сжигался в специальной камере, наполненной гелием при давлении 4 МПа. Оптические неоднородности на границе струи минимизировались тем, что показатели преломления холодного гелия и нагретых продуктов сгорания были близки. Время горения одного образца топлива составляет примерно 0,5 с. Для осуществления двухволнового режима генерации в резонаторе
лазера на красителе устанавливался интерферометр Фабри - Перо. При этом в спектре рассеянного излучения возникали две узкие линии, расположенные в области колебательной ветви азота. Предварительно рассчитывалась форма спектра и зависимость отношения спектральных интенсивностей на выбранных частотах от температуры. При указанном давлении происходит существенное перекрывание линий в спектре и 2-ветвь приобретает форму неразрешаемой полосы. Эффект интерференции линий в полосе 0 —» / 0-ветви учитывали, представляя мнимую часть восприимчивости в виде, предложенном Яовазсо с соавторами:
(Оу^-(й),-со 2))2 + (Р^)2
где Р — давление;
X/ и Уу- коэффициенты уширения и смешивания линий для Ы2.
На рисунке 19 приведена зависимость средних по ансамблю значений температуры от времени горения образца. В экспериментах случайная погрешность единичного измерения, достигавшая 500 К, обусловлена, главным образом, дробовым шумом фотоприемника и флуктуациями мощности лазерного излучения при отсутствии нормировки на мощность в импульсе. Значение температуры, ос-
редненное по девяти мгновенным значениям, полученным в интервале времени от 0,2 с до 0,3 с, составило 3 097 К (±3 %). Это значение вращательной температуры азота в струе продуктов реакции соответствует удалению фронта пламени от измерительного объема на расстояние около 5 мм. Эти данные получены в ходе выполнения совместных работ с ИХКиГ СО РАН с целью верификации расчетных моделей и результатов контактных измерений.
3000
Т, К 2000
¿-к
/ ч
/ ^ л
! 1
\ \
N
0,2 0,4 0,6 I с 0,8
Рисунок 19 - Зависимость средних значений температуры от времени горения образца
В 5.3.3 методом двойного широкополосного КАРС проводилось исследование течения в трубке Ранка - Хилша. Цель работы - показать возможность метода КАРС для одновременного измерения трех физических параметров газа - локальной температуры, концентрации азота и кислорода, а также давления за время одного импульса лазерного излучения (15 не). Подобные импульсные измерения нельзя осуществить зондовыми методами и они необходимы в установках кратковременного действия, например, в гиперзвуковой аэродинамической трубе АТ-303 (ИТПМ СО РАН). Время её работы составляет -0,1 с, а скорость воздуха достигает ~2 км/с. Предложенная методика апробирована в опытах с трубкой Ранка - Хилша. Как устройство для температурного разделения газа, она широко используется в различных системах охлаждения и кондиционирования. В ней сжатый воздух, интенсивно вращающийся в ограниченном объеме, вблизи его оси приобретает температуру ниже, а на периферии - выше, чем на входе в канал. На выходе из трубки разность температур между «горячим» и «холодным» потоками от 20 К до 40 К. В отдельных случаях может также происходить разделение газовых смесей по составу. До настоящего времени нет однозначного объяснения эффекта. Отчасти это связано с затруднениями в применении традиционных методов измерений для получения данных о локальных параметрах газового потока. В наших экспериментах применялось широкополосное возбуждение вращательных спектров КАРС. Обработка спектральных данных предусматривала расчет интегральных интенсивностей в приближении изолированных линий. Температура рассчитывалась по интен-сивностям шести изолированных линий азота. Отношение концентраций в смеси рассчитывалось через отношение интенсивностей, имеющих одинаковый коэффициент уширения 10-й линии азота и 7-й линии кислорода (10)//°2 (7) с учетом полученного значения температуры. Профили концентрации показали, что с точностью до ошибки измерений разделения компонентов воздуха в исследуемом режиме течения не происходило. Давление рассчитывалось по уравнению состояния идеального газа. Предварительные опыты с кислородом,
Температура, К
Давление, МПа*ОД
Рисунок 20 - Распределение температуры и давления в диаметральном сечении трубки Ранка - Хилша
азотом и воздухом в кювете без вращения газов выявили верх-
1.6
нюю границу применимости 15 этой методики и аппаратуры 15 по давлению - 0,3 МПа. На 1.4 рисунке 20 представлены поля ]3 средних по ансамблю значе-] 1 ний Т и Р, построенные по их профилям. Наблюдается, как и
1.0
ожидалось, увеличение Т и Р от центра к периферии. Заметное падение температуры происходит вблизи закручивающего аппарата, где находится выход «холодного» воздуха. Поле давлений также неоднородно. Полученные количественные данные показывают сложную картину течения в трубке Ранка -Хилша, а также возможности метода КАРС для одновременных измерений трех параметров газовой смеси с высоким пространственным разрешением. В этом эксперименте наименьшая величина случайной погрешности измерения температуры составила 4,9 %, объемной концентрации азота - 1,7 %, давления - 15,7 %.
В 5.4 приводятся результаты применения метода ЛИФ к исследованию процессов горения этанола и водорода, а также горения смесей водорода с кислородом. Измерения температуры проводились методом ЛИФ в линейном режиме (5.4.1), а измерения концентрации - в режиме насыщения сигнала, на который не влияет тушение и поэтому не требуется учет состава газов в точке измерения (5.4.2).
При измерении температуры записывался спектр возбуждения сканированием колебательно-вращательной полосы 1 <— 0 электронного перехода АгЕг ХгП радикала ОН с регистрацией интегральной по времени интенсив-
ности флуоресценции из измерительного объема в спектральной области, включающей полосы 0-»0и/-»/.На рисунке 21 показаны значения температуры, полученные методом ЛИФ (точки 3) и термопарой (точки 1-2) с коррекцией погрешности, обусловленной ее излучением. На рисунке 22 показаны результаты измерений в пламени заранее перемешанной смеси водорода с кислородом на расстоянии 20 мм от среза горелки вблизи её оси. Для стехиометриче-ского состава максимальная температура Т = 3 090 К, для богатой и бедной смесей её уровень снижается.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
у/у,
1 и 2 - получены с помощью термопары в пограничном слое над плоскостью и вблизи сферы; 3 - данные ЛИФ для лобовой точки.
Рисунок 21 - Температуры при горении этанола в воздушном потоке (1-3) и водорода (4)
50 60 70 80
Объемная доля горючего, %
2 - данные Гейдона;
2 - данные Льюиса, Эльбе;
3 - данные ЛИФ.
Рисунок 22 - Температура пламени водорода с кислородом
Для измерения концентрации была разработана схема (рисунок 23), позволяющая получить сигнал, не подверженный столкновительному тушению возбужденного состояния. Возбуждение и регистрация флуоресценции производились в колебательно-вращательной полосе 0 0 того же электронного перехода Аг2? <— Х2П. Длина волны лазера настраивалась на линию Р26. Регистрировалась интенсивность изолированной линии Я24, связанной с тем же верхним уровнем. Был применен режим с насыщением флуоресценции, который достигается увеличением плотности мощности и исключением не дающих насы-
3070 3 030 3090 3100 Длина волны, (А)
Рисунок 23 - Расчетный спектр (Т= 1 749 К) в диапазоне полосы 0-0 и диаграмма процесса ЛИФ ОН с насыщением
лиФонпрят,и?4зк. щения краевых пространст-
Разрешение 0.8 А. _____'rfv^jf 5 г г г
венных и временных областей лазерного излучения. Калибровка была основана на привлечении известных данных по абсолютной концентрации ОН при горении водорода. На рисунке 24 представлено распределение концентрации ОН в диффузионном пламени при горении водорода, истекающем в воздух из сопла диаметром d = 3 мм. На расстоянии x/d =10, когда сигнал достигает наибольшего значения, принято, что он соответствует концентрации радикалов 4,5 • 1016 см"3, измеренной ранее Lucht с соавторами.
Располагая калибровкой сигнала в эталонном пламени, были получены количественные данные для горения заранее перемешанной смеси водорода с кислородом. На рисунке 25 показано распределение радикала ОН в пламени сварочной горелки, образующемся при подаче в неё стехиомет-рической смеси водорода с кислородом. Видно, что радикал присутствует в протяжённой области ниже по потоку от фронта пламени, что обусловлено, по-видимому, сверхравновесным уровнем концентрации ОН. На рисунке 26 показаны результаты измерений в ламинарном пламени испаряющегося этанола
Рисунок 24 - Распределение концентрации ОН в диффузионном водородовоздушном пламени
Концентрация ОН'ЕК^куб.сы
X. мм
Рисунок 25 - Поле концентрации ОН в пламени стехиометрической водородокислородной смеси
0,005 0,01 0,015
ОН
у/у.
■ он
• т.к.
—А— СН
ч
ч
вблизи лобовой точки сферы диаметром 15 мм в опытах по моделированию горения капли (см. рисунок 10). Поперечная координата у отнесена к координате максимума температуры уу. Измерялись температура, абсолютные мгновенные концентрации радикалов ОН, а также относительные средние концентрации радикалов СН. Полученная максимальная счётная концентрация ОН -4,3 • 1016 см"3 (объёмная г0н~ 1 %) примерно соответствует концентрации при диффузионном горении водорода в воздухе, а также при горении стехиометрической смеси Н2+02. Видно, что параметры,
О 500 1000 1500 2000 2500
т,к
Рисунок 26 - Ламинарный пограничный слой с горением испаряющегося этанола вблизи лобовой точки сферы: распределение характеризующие горение испа-абсолютной концентрации ОН, температуры
и относительной концентрации СН ряющегося этанола (ОН, СН, 7),
отличаются по расположению их экстремумов, а в профиле СН обнаружены два максимума.
Влияние турбулентности на распределение радикалов исследовалось в пограничном слое с горением этанола над плоской пористой поверхностью (см. рисунок 11). В этих опытах калибровка сигнала проводилась в описанных выше предварительных измерениях известной концентрации ОН в лобовой точке сферы с испарением и горением этанола. Затем для одного значения турбулентности на входе с шагом 32 мм по длине канала измерялись профили концен-
трации ОН, а также профили турбулентности (с использованием ЛДА). На рисунке 27 показана эволюция профилей концентрации радикалов ОН при повышении турбулентности потока до 18 %. Исходный профиль с максимальной концентрацией ОН, равной 2,51 • 1016 см'3, получен при низкой турбулентности набегающего потока Ти = 1 % на входе в канал. Видно, что с возрастанием турбулентности до 8 % профиль концентра-
х=35шш —О— 1ат1пэг х=160 тт
г X • та
§ \ —8%
* 15- | |-А-18%
5 * А<
ь- ' - А $
0
о
о
12 3 4
Концентрация ОН *1016, см"''
Рисунок 27 - Концентрация радикалов ОН в пограничном слое
ции ОН становится пологим. При дальнейшем увеличении турбулентности до 18 % уровень концентрации ОН снижается до ~40 % от исходного значения.
Картина течения (рисунок 28) строилась по осреднённым по ансамблю значениям. Видно, что, несмотря на отсутствие монотонности, существует тенденция к увеличению уровня турбулентности и снижению концентрации ОН в максимуме с удалением от входа в канал.
а) б)
Со = 10 м/с; высота ребра к = 3 мм; Тиа = 8 %; воздушный поток слева направо.
Рисунок 28 - Картина течения в пограничном слое с горением этанола: а) линии равной степени турбулентности; б) концентрации ОН-Ю16 см"3
Эта тенденция усиливается при повышенной до Тиа = 8 % и 18 % степени турбулентности. Локальные параметры ОН и Ти с увеличением начального уровня турбулентности изменяются немонотонно: наибольшие значения ОН практически сохраняются в интервале Ти0 = 1 % - 8 % и снижаются почти втрое при
Тиа = 18 %. Максимум турбулентности, наоборот, в интервале 7н0= 1 % - 8 % возрастает, а при Ти0 = 8 % - 18 % изменяется слабо. Для Ти0 = 8 % наибольшие значения степени турбулентности в пограничном слое достигают 30 % и более, а концентрации ОН -2,6-1016 см"3. Наблюдается сходство в распределении газодинамических особенностей течения и концентрации ОН. В турбулизованном пограничном слое расхождение в положении максимумов ОН и температуры сохраняется. При Ти0 = 8 % в конце канала оно достигает от 3 до 4 мм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполненных разработок и экспериментов изучена применимость оптических методов в сфокусированных пучках - РР, СКР, КАРС и ЛИФ — для исследования реагирующих газовых потоков с целью получения информации о температуре и абсолютных концентрациях молекул и радикалов с высоким временным и пространственным разрешением. Исследованы особенности каждого метода, их недостатки и преимущества в применениях к конкретным объектам.
1. Создана аппаратура, применимая для изучения реагирующих потоков с давлением до 4 МПа в химически агрессивной среде с температурой 3 100 К при сверхзвуковых скоростях движения. Она позволяет исследовать процессы с временным разрешением 20 не и пространственным разрешением ОД х 0,1 х 1 мм3. Принципы построения аппаратуры зафиксированы в патентах на двухволновый КАРС-спектрометр с наиболее эффективным использованием располагаемой энергии лазерного излучения и многоцелевой КАРС-спектрометр на основе мощного лазера.
2. Разработаны программы для обработки экспериментальных спектров, полученных методами лазерно-индуцированной флуоресценции и рассеяния света на основе эффекта Рамана. Программа «С А ИЗяресЬ-а» позволяет рассчитывать спектры КР, КАРС и двойного широкополосного КАРС (для >12, 02, Н2 и СО), возникающие при двух- и четырехфотонных процессах молекулярного рассея-
ния света в газах. Она основана на известной информации и расчете полной базы данных для рамановских переходов этих молекул. Программа зарегистрирована и размещена на сайте ИТ СО РАН.
3. Предложены способы уменьшения погрешности импульсных измерений методом КАРС, вызванной пульсациями спектральной интенсивности широкополосного лазерного излучения накачки. Показано, что в схеме с вырожденными частотами уменьшение погрешности достигается использованием формы импульсного спектра широкополосного лазера, при этом не требуется контрольный объем. В схеме с невырожденными частотами (двойной широкополосный КАРС) в основу положена экспериментально доказанная зависимость знака рамановского сдвига от варианта фазового согласования пучков. В этой схеме уменьшение погрешности достигается использованием нормировки на одноименные линии перекрестной ветви спектра из контрольного объема.
4. Проведены исследования с использованием разработанной аппаратуры и программ:
а) методом рэлеевского рассеяния исследовалась конденсация в свободных струях газовых смесей моносилана в аргоне и гелии для ряда сопел. Изучено появление конденсации и получены обобщающие параметры;
б) исследована применимость рэлеевского рассеяния для измерения пульсаций температуры в пламени углеводородов. Показано, что в турбулентном пламени этанола область применения метода ограничена внешней частью пограничного слоя до фронта пламени, где Т< 1 ООО К;
в) методом КР исследованы погрешности зондового масс-спектрометри-ческого метода отбора проб при измерениях в пламенах с узкими зонами горения. Установлена величина смещения места отбора пробы. Ошибки измерения профилей концентраций уменьшены до 15 %;
г) исследованы особенности использования оптических методов диагностики (методы КР и КАРС) для измерения концентраций газовой примеси менее 1 %. При исследовании смешения в струях установлено, что с накоплением
сигнала можно проводить измерения концентраций азота, кислорода и водорода с погрешностью 0,01 %. Показано, что в условиях проведенных опытов соотношение концентраций кислорода и азота при диффузии воздуха в гелий и водород остается постоянным;
д) показана применимость аппаратуры для измерения взаимных корреляций пульсаций концентрации и температуры, а также пространственных и автокорреляций пульсаций концентрации водорода;
е) разработана методика локальных импульсных измерений методом двух-волнового КАРС температуры горения веществ, в состав продуктов сгорания которых входит азот. Определена температура продуктов горения твердого топлива - 3 100 К при давлении 4 МПа;
ж) исследовано течение в вихревой трубке Ранка — Хилша, методом КАРС получены поля температуры и давления. Показана возможность одновременного определения трех физических параметров газовой смеси: температуры, давления и концентрации в объеме ~0,1 мм3 за время ~20 не;
и) проведены оптические измерения локальных значений температуры и концентрации радикала ОН при диффузионном горении этанола и водорода, а также при горении заранее перемешанных смесей Н2+ 02. Данные о температуре пламени получены в линейном режиме ЛИФ, в режиме насыщения флуоресценции измерены абсолютные концентрации ОН. Показано, что максимальные уровни концентрации радикала в водородо-воздушном и стехиометриче-ском водородо-кислородном пламени близки между собой (4,4 • 1016 см"3). В диффузионных воздушных пламёнах этанола и водорода максимумы распределения ОН и температуры смещены;
к) получены экспериментальные данные о пограничном слое с горением в сложных условиях, о взаимодействии турбулентности и горения. Изучено влияние повышенной турбулентности до 18 % и ускорения воздушного потока до К= 10"6 на распределение ОН.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1 -Якоби, Ю. А. Перестраиваемые лазеры с разделением линий генерации внутри резонатора [Текст] / Ю. А. Якоби, П. В. Григорьев, А. Н. Малов, А. Л. Рудницкий, С. Ю. Федоров, Р. И. Солоухин, Ю. Е. Студеникин // Квантовая электроника. - 1985. - Т. 12, № 2. - С. 351-354.
2 Коробейничев, О. П. К обоснованию зондового масс-спектрометричес-кого метода исследования структуры пламен с узкими зонами горения [Текст] / О. П. Коробейничев, А. Г. Терещенко, И. Д. Емельянов, А. Л. Рудницкий, С. Ю. Федоров, Л. В. Куйбида, В. В. Лотов // Физика горения и взрыва. - 1985. -№ 5. - С. 22-28.
3 Малов, А. Н. Применение эксимерных ХеС1 и ЮТ лазеров для диагностики пламени методом спонтанного комбинационного рассеяния [Текст] / А. Н. Малов, С. Ю. Федоров // Физика горения и взрыва. - 1988. - Т. 24, № 4. - С. 54-58.
4 Бояршинов, Б. Ф. Использование КАРС-спектрометра для одновременных измерений температур и концентраций в водородо-воздушных пламенах [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров, А. А. Волков // Физика горения и взрыва. - 1993. - № 5. - С. 34-37.
5 Бояршинов, Б. Ф. Спектрометр когерентного антистоксова рассеяния на вращательных переходах водорода [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров, А. А. Волков //Приборы и техника эксперимента. - 1994. -№ 1. - С. 153-158.
6 Бояршинов, Б. Ф. Измерение корреляционных характеристик затопленной струи по комбинационному рассеянию света [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров, А. А. Волков // Приборы и техника эксперимента. - 1994. -№5.-С. 110-116.
7 Федоров, С. Ю. Альтернативный синхронизм во вращательном когерентном антистоксовом рассеянии света [Текст]/ С. Ю. Федоров // Приборы и техника эксперимента. - 1996. - № 1. - С. 125-129.
8 Бояршинов, Б. Ф. Измерение параметров вихревого потока газа методом когерентного антистоксова рассеяния света [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров // Приборы и техника эксперимента. - 1999. - № 6. - С. 95-99.
9 Хмель, С. Я. Конденсация смесей моносилан-аргон и моносилан-гелий в свободной струе [Текст] / С. Я. Хмель, С. Ю. Федоров, Р. Г. Шарафутдинов // Журнал технической физики.-2001.-Т. 71, вып. 6. - С. 116-121.
10 Бояршинов, Б. Ф. Измерение температуры горения твердого топлива методом КАРС [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров // Прикладная механика и техническая физика. - 2002. - Т. 43, № 6. - С. 170-175.
11 Бояршинов, Б. Ф. Измерение температуры и концентрации ОН в спир-товоздушном пламени методом ЛИФ [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров // Физика горения и взрыва. - 2003. - Т. 39, № 3. - С. 3-8.
12 Бояршинов, Б. Ф. Измерение методом ЛИФ температуры и концентрации радикала ОН при горении водорода и этанола [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров // Физика горения и взрыва. - 2004, - № 5. - С. 16-20.
13 Бояршинов, Б. Ф. Распределение радикалов ОН и СН в пограничном слое при горении этанола [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, В. И. Титков, С. Ю. Федоров // Физика горения и взрыва. - 2005. - Т. 41, № 4. - С. 22-28.
14 Бояршинов, Б. Ф. Применение метода вращательного комбинационного рассеяния света для исследования газовых примесей [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров // Прикладная механика и техническая физика. - 2010. - Т. 51, №5.-С. 177-184.
15 Федоров, С. Ю. Отношение сечений вращательного комбинационного рассеяния для кислорода и азота по измерениям в воздухе [Текст] / С. Ю. Федоров, Б. Ф. Бояршинов // Оптика атмосферы и океана. - 2012. - Т. 25, № 8. - С. 665-667.
16 Бояршинов, Б. Ф. Тепломассоперенос и стабилизация горения в пограничном слое за ребром и уступом [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров II Физика горения и взрыва. - 2013. - Т. 49, № 5. - С. 3-7.
17 Пат. 2055328 Российская Федерация МПК51 6G01J 3/44; Спектрометр когерентного антистоксова рассеяния для одновременных измерений мгновенных температур и концентраций вещества [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров; заявители и патентообладатели Бояршинов Б. Ф., Федоров С. Ю. -5064548/25; заявл. 16.07.1992; опубл. 27.02.1996. - Бюл. №6.-7 е.: ил.
18 Пат. 2429454 Российская Федерация МПК51 G01J 3/44; Спектрометр когерентного антистоксова рассеяния с контролем спектра широкополосной накачки [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (ИТ СО РАН). -2010118249/28; заявл. 05.05.2010; опубл. 20.09.2011. - Бюл. № 26. - 7 е.: ил.
19 Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2012618805 Российская Федерация; CARSspectra [Текст] / С. Ю. Федоров; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН). - 2012616890; заявл. 15.08.2012; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27.09.2012.
20 Волчков, Э. П. Пограничный слой с горением на проницаемой поверхности [Текст] : монография / Э. П. Волчков, С.Ю.Федоров, В.В.Терехов, Б. Ф. Бояршинов // Законы горения; под общ. ред. Ю. В. Полежаева. - М.: Энергомаш, 2006. - Раздел I, гл. 3. - С. 63-90.
21 Boyarshinov, В. F. Momentum transfer in the boundary layer when there is acceleration and combustion of ethanol as it evaporates behind a barrier [Текст] / В. F. Boyarshinov, V. I. Titkov, S. Yu. Fedorov // Combustion and Flame. - 2010. -Vol. 157.-P. 1496-1509.
22 Baev, V. K. Application of pulse Raman scattering for studying turbulent flames [Текст] / V. К. Baev, A. N. Malov, S. Yu. Fedorov // 12 ICDERS : Abstracts of the 12th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive
Systems. Univ. of Michigan, Ann Arbor, st. Michigan, USA, July 23-28, 1989. - Vol. 1, part 2 : Reactive systems, chapter 5 : Combustion diagnostics, (symposial talk).
23 Boyarshinov, B. F. Gas flow correlation characteristics measurement by CARS technique [Текст] / В. F. Boyarshinov, A. A. Volkov, S. Yu. Fedorov // ICMAR-1996 : Proc. 8th Int. Conf. on the methods of Aerophysical Research, Novosibirsk : Russia, 1996, Part 1. - P. 62-66.
24 Boyarshinov, B. F. CARS-measurements in Ranque-Hilsh's vortex tube [Текст] / В. F. Boyarshinov, S. Yu. Fedorov, A. A. Volkov / ICMAR-2010 : Proc. 9th Int. Conf. on the Methods of Aerophysics Research, June 29 - July 3, 1998. -Novosibirsk : Russia, 1998. - Part 1. - P. 36-40.
25 Sharafutdinov, R. G. The effect of condensation on gas jet deposition of a-Si:H with electron-beam plasma activation [Текст] / R. G. Sharafutdinov, S. Yu. Fedorov, S. Ya. Khmel, A. V. Skrinnikov // Proc. of 14 Int. Symp. on Plasma Chemistry, August 2-6, 1999. - Prague : Czech Republic - Vol. 3. - P. 1297-1302.
26 Khmel, S. Ya. Abnormal emissions of argon-monosilane free jet excited by electron beam plasma [Текст] / S. Ya. Khmel, S. Yu. Fedorov, R. G. Sharafutdinov // ICPIG XXIV : Proceedings and contributed papers XXIV Int. Conf. on the effect of Phenomena in Ionized Gases, July 11-16,1999. - Warsaw : Poland, 1999 - Vol. 4. -P. 105-106.
27 Boyarshinov, B. F. Method CARS for measurement of high pressure burning temperature. [Текст] / В. F. Boyarshinov, S. Yu. Fedorov // ICMAR-2002 : Proc. XI Int. Conf. on the Methods of Aerophysics Research, July 1-7, 2002. -Novosibirsk. - Part 1. - P. 51-5 5.
28 Бояршинов, Б. Ф. Распределение радикала ОН, тепловых и газодинамических параметров в турбулизованном пограничном слое с испарением и горением этанола [Электронный ресурс] / Б. Ф. Бояршинов, В. И. Титков, С. Ю. Федоров // ММФ-2004 : 5-й Минский Международный Форум по тепло-и массообмену, 24-28 мая 2004 г. — секция № 4 : Тепломассообмен в химически
реагирующих системах. - Доклад 4-03. - Режим доступа: http://www.itmo.by/ru/conferences/mif_5/abstract/4-03.pdf
29 Boyarshinov, В. F. Experimental investigation of local parameters of reacting flows by LDA and LIF methods [Текст] / В. F. Boyarshinov, E. P. Volchkov, V. I. Titkov, S. Yu. Fedorov // ICMAR-2004: Proc. XII Int. Conf. on the Methods of Aerophysical Research, June 28 - July 4, 2004. - Novosibirsk: Russia. - Part I. - P. 58-62.
30 Boyarshinov, B. F. Laser radiation scattering in application to research of gas-phase combustion [Текст] / В. F. Boyarshinov, V. I. Titkov, S. Yu. Fedorov // ICMAR-2004 : Proc. XII Int. Conf. on the Methods of Aerophysical Research, June 28 - July 4, 2004. - Novosibirsk : Russia. - Part I. - P. 52-57.
31 Boyarshinov, B. The boundary layer with combustion under complicated conditions [Электронный ресурс] / В. Boyarshinov, S. Fedorov, V. Titkov, E. Volchkov // IHTC-2006 : 13th International Heat Transfer Conference Sydney Convention and Exhibition Centre, August 13-18, 2006. - Sydney : Australia. -COM-19. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).
32 Boyarshinov, В. F. Multipurpose CARS-spectrometer for research of gas flows [Текст] / В. F. Boyarshinov, E. P. Volchkov S. Yu. Fedorov // XIII ICMAR: Proc. 13th Int. Conf. on the Methods of Aerophysical Research, 5-10 February 2007. - Novosibirsk: Russia. - Part III. - P. 51-56.
33 Бояршинов, Б. Ф. Влияние механизмов переноса тепла на структуру зоны горения в пограничном слое [Электронный ресурс] / Б. Ф. Бояршинов, В. И. Титков, С. Ю. Федоров // ММФ-2008 : Тезисы докладов и сообщений VI Минский Международный Форум по тепло- и массообмену, 19-23 мая 2008 г. - секция № 4. - Режим доступа: http://www.itmo.by/pdfmif_2008_ru/Section%204/4-05.pdf
34 Fedorov, S. Apparatus for laser gas diagnostics with the use of focused beams [Электронный ресурс] / S. Fedorov, B. Boyarshinov // FLUCOME-2009 : 10th International Conference on Fluid Control, Measurements, and Visualization,
17-21 August 2009. - Moscow : Russia. - ID 174. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).
35 Boyarshinov, В. F. Investigation of Momentum transfer in the Boundary Layer with Ethanol Combustion behind the Barrier: Influence of acceleration [Электронный ресурс] / В. F. Boyarshinov, S. Yu. Fedorov // ICMAR-2010 : Proceedings of the 15th Int. Conf. on the Methods of Aerophysical Research, 1-6 November 2010. - Novosibirsk : Russia - Section No. 6 : Flows with Energy Supply and Heat-mass transfer. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).
36 Бояршинов, Б. Ф. Исследование локального массопереноса в пограничном слое с горением этанола за преградой: влияние внешней турбулентности [Электронный ресурс] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров II ММФ-2012 : 14-й Минский международный форум по тепломассообмену, 10-13 сен. 2012 г. -секция № 5. - Доклад 5-08. - Режим доступа: http://www.itmo.by/pdf7mif_2012_ru/Section%205/5-08.pdf
37 Бояршинов, Б. Ф. КАРС-измерения корреляций скалярных параметров в водородной струе и пламени [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров,
A. А. Волков // РНКТ-1994 : Труды первой Российской национальной конференции по теплообмену: В 8 томах, 21-25 ноября 1994 г. - М.: МЭИ, 1994. -Т. З.-С. 47-52.
38 Бояршинов, Б. Ф. Экспериментальное исследование реагирующего пограничного слоя методами ЛДА и ЛИФ [Электронный ресурс] / Б. Ф. Бояршинов,
B. И. Тигков, С. Ю. Федоров // XXVII Сибирский теплофизический семинар, посвященный 90-летию академика С. С. Кутателадзе, 1-5 октября 2004 г. - М.; Новосибирск. - Сб. тр. - Секция 4 : Процессы переноса при физико-химических превращениях. - Доклад 4-03. -1 электрон, опт. диск (CD-ROM).
39 Бояршинов, Б.Ф. Пограничный слой с горением в сложных условиях [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, Э. П. Волчков, В. И. Титков, С. Ю. Федоров // РНКТ-2006 : Труды четвертой Российской национальной конференции по теплообмену: В 8 томах, 23-27 окт. 2006 г. - М.: Издательский дом МЭИ. - Т. 3. - С. 195-198.
40 Бояршинов, Б. Ф. Исследование переноса импульса в пограничном слое с горением этанола, испаряющегося за преградой [Текст] / Б. Ф. Бояршинов, С. Ю. Федоров // РНКТ-2010 : Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену: В 8 томах, 25-29 окт. 2010 г. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - Т. 2. - С. 57—60.
41 Boyarshinov, В. F. Studying the distribution of radicals, heat and gas-dynamic characteristics within the boundary layer with combustion [Текст] / В. F. Boyarshinov, S. Yu. Fedorov II Nonequilibriume Processes. - Vol. 1. -Combustion and Detonation / Edited by G. D. Roy, S. M. Frolov, A. M. Starik. -Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2005. - P. 84-93
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОГО РАССЕЯНИЯ И ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ДЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ПОТОКАХ ГАЗОВ С ГОРЕНИЕМ
01.04.05 - «Оптика»
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Новосибирск - 2014
05201450809
На правах рукописи
Федоров Сергей Юрьевич
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................5
Общая характеристика работы.................................................................5
РАЗДЕЛ 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................26
1.1 Основы методов РР, СКР, КАРС, ЛИФ.........................................26
1.2 Возможности средств для измерений в потоках в конце 1980-х____30
РАЗДЕЛ 2. АППАРАТУРА....................................................................38
2.1 Двухволновый КАРС-спектрометр для одновременных измерений температур и концентраций вещества...............................................38
2.2 Многоцелевой КАРС-спектрометр на основе мощного лазера.......44
2.2.1 Несущая конструкция....................................................................48
2.2.2 Лазер накачки..............................................................................49
2.2.3 Перестраиваемый лазер.................................................................58
2.2.4 Приемная система........................................................................61
2.2.5 Тестирование в пламенах водорода, пропана и этанола.........................66
РАЗДЕЛ 3. РАСЧЕТ СПЕКТРОВ.............................................................71
3.1 Спектры однофотонных переходов - ЛИФ. Алгоритмы расчета спектров флуоресценции и эмиссии радикалов.................................71
3.1.1 Радикал ОН (система А2?-Х2П)......................................................71
3.1.2 Радикал 5/Я (система А2А -X2]7)......................................................76
3.1.3 Радикал СН (системы А2А~Х2Ц В2Е~Х2П, ..........................81
3.1.4 Ион Ы2+ (система ^Е^-Х2!*)........................................................83
3.1.5 Сравнение с известными экспериментальными спектрами ЛИФ.............83
3.2 Спектры двух- и четырехфотонных переходов - КР и КАРС..........86
3.2.1 Программа "САШреОга"..............................................................87
3.2.2 Алгоритмы расчета спектров.........................................................93
3.2.3 Сравнение с известными экспериментальными спектрами КАРС...........104
РАЗДЕЛ 4. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ СЛУЧАЙНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ПРИ
ИМПУЛЬСНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ КАРС...................................................107
4.1 Уменьшение случайной погрешности измерений в схеме широкополосного КАРС с двукратно вырожденными частотами лазера накачки ...............................................................................107
4.2 Уменьшение случайной погрешности измерений в схеме двойного
широкополосного КАРС для чисто вращательных спектров.............113
РАЗДЕЛ 5. ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ В ИССЛЕДОВАНИЯХ....................121
5.1 Измерения методом РР ..............................................................121
5.1.1 Конденсация смесей в свободной струе.............................................121
5.1.2 Применимостьрэлееескогорассеяния для исследования пламен..............133
5.2 Измерения методом КР ..............................................................139
5.2.1 Бесконтактные измерения в пламени для проверки данных зондового масс-спектрометрического метода.......................................................139
5.2.2 Применение метода вращательного КР для исследования газовых примесей.....................................................................................................143
5.3 Измерения методом КАРС..........................................................152
5.3.1 Двухточечные измерения...............................................................152
5.3.2 Измерение температуры горения твердого топлива............................159
5.3.3 Исследование вихревого течения методом двойного широкополосного КАРС..............................................................................................167
5.4 Измерения методом ЛИФ............................................................174
5.4.1 Применение ЛИФ в линейном режиме для исследования пламен этанола
и водорода........................................................................................175
5.4.1.1 Температура в диффузионных пламенах.........................................179
5.4.1.2 Температура при горении смеси Н2-02...........................................181
5.4.1.3 Концентрация радикалов ОН.......................................................182
5.4.2 Применение ЛИФ в режиме с насыщением сигнала для исследования
пламен этанола и водорода...................................................................185
5.4.2.1 Концентрация радикалов ОН в пламенах этанола и водорода...............186
5.4.2.2 Концентрация радикалов СН при горении на сфере............................190
5.4.2.3 Концентрация радикалов ОН в пограничном слое с горением этанола....192
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................199
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ........................202
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................205
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Распределение концентрации радикала ОН в турбулизованном пограничном слое с испарением и горением
этанола..........................................................................................224
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Распределение концентрации радикала ОН в турбулизованном пограничном слое в закрытом канале и с
ускорением потока.........................................................................226
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Распределение параметров в трубке Ранка-Хилша.,227 ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Распределение радикалов ОН в диффузионном
пламени водорода...........................................................................229
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Совместные калибровки по волновым числам двух
линеек.....................................................................................230
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. О сверхравновесной концентрации радикалов.......232
ПРИЛОЖЕНИЕ И. Оценка расхождений между осреднёнными и
импульсными измерениями.............................................................237
ПРИЛОЖЕНИЕ К. ТЕКСТЫ ПРОГРАММ...............................................239
К.1 Программы расчета спектров ЛИФ ОН (А2*-Х2П, 0-0, 1-1).......239
К.2 Программы расчета спектров ЛИФ ОН (А2 Г ^Х2 П, 1-0, 2-1)......260
К.З Программы расчета спектров ЛИФ БШ {А2А~Х2П, 0-0, 1-1, 2-2).271
К.4 Программы расчета спектров ЛИФ СН (В2Г~Х2П] 0-0)...............299
ПРИЛОЖЕНИЕ Л. Акты внедрения.........................................................313
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы.
Диссертация посвящена разработке, совершенствованию и применению аппаратуры и методов лазерной диагностики реагирующих газовых потоков. Рассматриваются различные методы оптических исследований с использованием ла-зерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ), рэлеевского рассеяния света (РР), а также комбинационного - спонтанного (КР) и когерентного (КАРС). В процессе работы была построена многоцелевая измерительная система с использованием в качестве компонентов как серийно выпускавшейся аппаратуры, так и созданной в лаборатории. Были разработаны лазеры с улучшенными энергетическими и спектральными характеристиками, оптические схемы фокусировки излучения, электронные схемы регистрации импульсных сигналов, методики калибровки и уменьшения погрешности, компьютерные программы обработки спектральных данных. Техника применялась при исследовании газофазных пламен, горения испаряющегося этанола в пограничном слое и твердого топлива при повышенном давлении, конденсации в расширяющейся струе. Каждое из применений служило тестированием, позволяя изучить возможности и ограничения методов.
Актуальность темы. Многие задачи газовой динамики, энергетики приводят к проблеме невозмугцающых исследований газовых потоков и пламени с высоким временным и пространственным разрешением. Сложная структура, широкий диапазон термодинамических параметров, турбулентный характер движения серьезно затрудняют применение как «чистого» математического моделирования для их решения, так и контактных методов экспериментального исследования. Широко используемые лазерная анемометрия и методы визуализации не обеспечивают необходимой полноты информации об исследуемых объектах. Горение -многопараметрический процесс, при экспериментальном исследовании которого необходимы опытные данные, характеризующие различные стороны этого явле-
ния: химические, газодинамические, тепловые и т.д. Результаты измерений средних во времени концентраций, температур, скоростей движения газа, а также тепловых и массовых потоков отражают наиболее общие свойства реагирующего течения. Для этих целей успешно применяются традиционные зондовые методы. Оптические бесконтактные методы измерений, получившие широкое развитие с применением лазеров, позволяют измерять с высоким временным и пространственным разрешением мгновенные значения параметров, необходимые для углубленного изучения процессов в потоках. Оптические методы измерения скалярных параметров в сфокусированных пучках, основанные на многофотонных процессах взаимодействия света с молекулами в газах, открывают возможность измерять населенности уровней молекул и радикалов. А это прямой путь для получения недостающей информации о локальных температуре и абсолютных концентрациях. Отсюда следует, что применение этих методов является важной и актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Пропуская историю предсказания, открытия и исследования эффектов, связанную с именами Стретта (Рэлея), Эйнштейна, Смекала, Рамана, Кришнана, Ландсберга, Мандельштама и др., можно сказать, что основанные на их использовании методы в современном понимании появились после изобретения лазера. В последующий период они развивались усилиями большого количества исследователей вслед за появлением новых образцов лазерной, фотоприемной и компьютерной техники. Lapp и Penney измеряли сечения KP. Inaba и Kobayasi совершенствовали технику лидарных KP-измерений в исследованиях загрязнений атмосферы. Taran с сотрудниками первыми применили КАРС для измерений в пламени. Yuratich исследовал влияние ширины лазерной линии на спектр КАРС. Eckbreth и Anderson предложили схему DBCARS для чисто вращательных спектров, a Leipertz исследовал возможности этой схемы. Alden проводил двухволновые измерения в турбулентном пламени. Stepovsky, Crosley, Kohse-Hoinghaus, Cattolica в своих исследованиях использовали ЛИФ радикалов. Hanson применял флуоресценцию для двумерной визуализации. В нашей стране известны работы по методам нелинейной оптики Ахманова С. А. и Коротее-
ва Н. И. из Московского государственного университета. В Институте общей физики Академии наук Смирнов В. В. развивал КАРС со сканированием спектра. Анализ литературы по методам измерений за годы, предшествующие началу наших исследований в конце 1980-х, позволяет выявить следующие недостатки, препятствовавшие использованию всех потенциальных возможностей спектроскопии:
- оставались неисследованными границы применимости методов к реальным объектам для получения количественной информации о параметрах газовых сред; отсутствовала готовая к применению техника;
- обычно использовалось накопление сигнала, пригодное только для стационарных объектов; импульсные измерения КАРС сдерживались высокой погрешностью из-за нескомпенсированного спектрального шума лазеров;
- не было доступных программ расчета спектров; обработка данных ограничивалась интенсивностями изолированных линий в рамках одной ветви; накопленная информация о восприимчивости газов требовала нового формата для ее верификации и использования.
Следует отметить слабую освещенность темы в отечественной литературе.
Цель работы - исследование реальных возможностей и ограничений методов оптических исследований в газах с использованием РР, КР, КАРС, ЛИФ с применением имевшейся техники и разработка новых эффективных технических средств измерения параметров среды с высоким временным и пространственным разрешением применительно к исследованиям течений реагирующих газов.
Основные задачи:
разработка и создание аппаратуры для возбуждения и регистрации спектров и компьютерных программ обработки экспериментальных данных;
исследование способов уменьшения погрешности спектральных импульсных измерений;
получение опытных данных о температуре и концентрации молекул и радикалов в условиях, когда применение других методов затруднено.
Научная новизна. Новыми результатами диссертации являются:
- экспериментальная оптическая схема двухволнового КАРС-спектрометра для одновременного определения температуры и концентрации в газах, эффективно использующая энергию имеющегося лазерного излучения для возбуждения сигнала последовательно в контрольном и измерительном объемах, с разделением пучков излучения, рассеянного в этих объемах, при помощи оптического клина. Она позволяет в диапазоне применимости метода получить высокую чувствительность аппаратуры при имеющейся невысокой энергии лазерной системы;
- способы уменьшения случайной погрешности измерений методами КАРС и двойного широкополосного КАРС, обусловленной пульсациями спектральной интенсивности сигнала. В отличие от известных решений, в методе КАРС с вырожденными частотами предлагается регистрировать импульсные спектры широкополосного лазера при одновременном исключении контрольного объёма из оптической схемы. В методе двойного широкополосного КАРС предлагается использовать альтернативные варианты фазового согласования пучков в измерительном и контрольном объемах с перекрестной нормировкой на линии другой ветви. Эти способы применимы при моноимпульсных измерениях, когда неэффективно повышение интенсивности сигнала и невозможно накопление;
- универсальная компьютерная программа для КР- и КАРС-спектроскопии, реализующая функции расчета спектров и обработки экспериментальных спектральных данных с детальным учетом параметров регистрирующей аппаратуры. Она предоставляет пользователю наглядное отображение данных, их накопление и обработку, широкие возможности для оптимизации измерений; применима в случае существенного перекрывания линий в спектрах, в том числе, в спектрах смесей газов. Не имеет отечественных аналогов.
Оригинальность перечисленных решений подтверждена патентами РФ.
Также предложены и впервые применены:
- оптические схемы КАРС для двухточечных измерений корреляционных характеристик в потоках;
- схема двухволнового КАРС для импульсного измерения температуры в
струе продуктов горения твердого топлива при высоком давлении по неразрешаемому спектру азота;
- спектральные схемы ЛИФ для измерения температуры и концентрации радикалов при горении газофазного топлива.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Создана аппаратура, превосходящая по совокупности характеристик применявшуюся ранее технику для контактных измерений. Показана ее применимость в реагирующих турбулентных потоках при давлении до 4 МПа в химически агрессивной газовой среде при температуре до 3100 К и при сверхзвуковых скоростях движения. Она позволяет исследовать процессы с временным разрешением 10 не и пространственным разрешением 0,1x0,1x1,0 мм3.
Предложен и апробирован вариант КАРС-спектрометра с наиболее эффективным использованием располагаемой энергии лазерного излучения.
Многоцелевой КАРС-спектрометр адаптирован для применения на различных аэродинамических установках.
Создана универсальная программа для ЭВМ "САКЭБрес^а", предназначенная для обработки спектров, полученных методами КР, КАРС и двойного широкополосного КАРС. Помимо расчета теоретических спектров, она содержит инструментарий для обработки экспериментальных спектров - методы калибровки, коррекции, сравнения, интегрирования сигнала в выбранных диапазонах. Программа зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, размещена на сайте ИТ СО РАН и открыта для использования как специалистами, так и в учебном процессе.
Созданы программы расчета спектров ЛИФ радикалов. Их тексты помещены в приложения к диссертации.
Предложены и апробированы схемы и методики измерений в спектрах КАРС и двойного широкополосного КАРС, уменьшающие влияние спектрального шума лазеров на результат измерений.
Полезность решений зафиксирована в патентах и научных статьях.
Полученные опытные данные о диапазоне применимости оптических методов измерения скалярных параметров газовых сред в сфокусированных пучках могут быть полезны специалистам в соответствующих областях:
- параметры возникновения конденсации в свободных струях смесей моно-силана можно использовать при выборе режимов напыления тонких пленок;
- температура факела при горении твердого топлива может быть использована для проверки расчетных значений;
- учет величины смещения места отбора пробы зондом позволит уменьшить систематическую ошибку при масс-спектрометрических исследованиях;
- опытные данные по распределению абсолютных концентраций радикалов ОН в турбулентном пограничном слое с горением этанола размещены на сайте Института и могут использоваться для тестирования расчётных моделей.
Методология и методы исследований. Диссертационное исследование строилось на системной методологии оптической спектроскопии. Оно опиралось на представленную в научной литературе обширную информацию о молекулярных константах, системах энергетических уровней, свойствах оптических переходов, тензорных свойствах восприимчивости вещества. Основным методом исследования в работе является физич
