Развитие методов КР-спектроскопии для исследования газовых потоков и пламени тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РТ6 о» - я ом

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

«ДОГОВ СЕРГЕЙ КРЬЕВИЧ

РАЗВИТИЕ 1ЕТОДОВ КР-СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ И ПЛАМЕНИ

01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

НОВОСИБИРСК-1996

Работа выполнена в Институте теплофизики им. С.С.Кутателадзе Сибирского Отделения РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Покасов В.В.,

кандидат физико-математических наук Аршинов Ю.Ф.

Ведущая организация: Институт автоматики и электрометрии СО РАН

Защита состоится " ^ "ОН-У&Р^Я 1996 г. в /Г часов на заседании специализированного совета К 200.18.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте лазерной физики СО РАН (630090, г.Нрвосибирск-90, проспект Акад. Лаврентьева, 13/3).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института лазерной физики СО РАН.

Автореферат разослан " Ь "САк-ТЗДЗэЭб г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

Н.Г.Никулин

Общая характеристика работа.

Актуальность проблемы. Многие проблемы гвдрогазодинамики, энергетики, связанные с ними вопросы охраны окружающей среды требуют углубленного изучения процессов, происходящих при движении газов, в том числе и химически реагирующих. Наряду с численными и аналитическими методами их исследования ватаы экспериментальные, способные обеспечить проверку модельных представлений о структуре потока, о физических свойствах среды. Сложный химический состав, широкий диапазон температур и скоростей течения, турбулентный характер движения требуют от методов измерений бесконтактности, безынерционности, высокого временного (*10_б с) и пространственного (=»0.05 мм) разрешения, возможности качественного и количественного газового анализа и дистанционного зондирования. Наиболее полно этому перечню могут удовлетворить опти-¿еские методы измерений, а среди них - методы, основанные на использовании эффекта комбинационного рассеяния света - СКР и <АРС.

Начиная с 70-х годов методы КР широко применяются в мире для «¡следования 'температуры и состава в газовых потоках и пламенах сак в лабораторных аэродинамических установках, так и в специальных устройствах - двигателе внутреннего сгорания, струе реактивного двигателя и др. Однако, количество таких работ, выпол-1енных в нашей стране весьма ограничено.

Эти исследования были начаты в 1979 г., когда весь круг при-южений еще не был определен. Также было неясно в какой степени южно воспользоваться обширными возможностями КР-спектроскопии, юновываясь на использовании отечественной лабораторной техники >бщего назначения.

Цель работы заключалась в экспериментальном изучении возмож-гастей КР-методов (сначала СКР и затем КАРС) для исследования ■азовых потоков и пламени, развитии методов измерения мгновенных арактеристик течений.

Научная новизна результатов состоит в следующем: - экспериментально проверена возможность и особенности при-:енения различных лазеров (непрерывного, импульсно-периодическо-о, импульсного) видимого и ультрафиолетового (УФ) диапазонов ля измерения параметров газовых потоков в т.ч. с горением с ис-ользояанием эффекта комбинационного рассеяния света;

- 3 -

- в использовании синхронного детектирования в методе счета фотонов для измерения слабого сигнала рассеяния;

- в применении метода СКР для экспериментального определения погрешности зондового масс-спектрометрического исследования пламен с узкими зонами горения, а также для наблюдения спектров Ван-дер-Ваальсовских молекул в сверхзвуковой струе;

- в использовании УФ излучения эксимерных лазеров для увеличения чувствительности метода СКР до уровня, позволяющего проводить моноимпульсные измерения концентраций; впервые получены УФ спектры СКР в пламени с возбуждением от ХеС1- и KrF-лазеров;

- в методике измерения температуры и концентрации водорода с высоким временным и пространственным разрешением (10~8 с, 0.05 мм), основанной на возбуждении двух изолированных вращательных линий КАРС;

- в развитии метода КАРС для двухточечных импульсных измерений концентрации молекул в изотермическом течении;

- в способе повышения точности импульсных измерений температуры в методе вращательного КАРС путем учета флуктуации в профиле спектра лазеров; впервые использована нормировка на линии перекрестной ветви;

- в использовании метода вращательного КАРС для импульсных измерений температуры и парциальных концентраций в многокомпонентной смеси;

Практическая ценность. Методики измерения средних и "мгновенных" значений температуры и концентраций, в т.ч. двухточечные могут быть положены в основу при создании аппаратуры для исследования газовых .потоков и пламен. Результаты, полученные в измерениях в обоснование зондового метода могут быть применены длз повышения точности при использовании последнего. Использовани< нормировки методом альтернативного синхронизма при измерениям температуры и концентрации по вращательным спектрам КАРС приводит к уменьшению погрешности и аппаратурным упрощениям при регистрации и обработке сигнала.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывалис; на Всесоюзной конференции по прикладной физике "Использовани современных физических методов в неразрушающих исследованиях контроле", Хабаровск, 1981г.; на III Всесоюзной школе по метода аэрофизических исследований, Красноярск, 1982г.; на I Всесоюзно научно-технической конференции "Методы диагностики двухфазных

- 4 -

реагирующих потоков", Алушта, 1988г.; на 12-ой ЮОЕИБ (Int.Conf.Det.Expl.& РеасизуБ.), Анн Арбор, Мичиган, США, 1989г.; на III и IV Международном семинаре "Структура пламени", Алма-Ата 1989г. и Новосибирск 1992г.; на II Межреспубликанской конференции "Оптические методы исследования потоков", Новосибирск, 1993г.; на I Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 1994г.

Объем работа. Диссертация содержит 199 страниц и 52 рисунка. Она включает в себя введение, пять глав, заключение, список литературы и приложения.

Содержания работа.

Первая глава является обзором теоретических и экспериментальных работ, посвященных основам методов спонтанного КР. В ней рассмотрены принципы формирования комбинационных спектров: правила отбора и формулы для частот и интенсивностей линий. Показаны способы обработки спектральной информации для получения данных о температуре и концентрации молекул, основанные на температурной чувствительности формы спектра. Рассматриваются примеры использования методов для диагностики газовых потоков и пламен.

Вторая глава посвящена измерениям средних значений концентрации и температуры методом СКР. Описана методика с накоплением сигнала, обладающая предельной чувствительностью. Для повышения интенсивности излучения исследуемая среда была помещена внутрь резонатора лазера (рис. 1). Это позволило увеличить величину сигнала более чем на порядок, что было равносильно использованию более мощного лазера. В основу системы регистрации было положено синхронное детектирование в методе счета фотонов в т.ч. и опорного сигнала. С помощью одного ФЭУ измерялись одновременно фон, полезный сигнал и мощность лазера. Обработка таких данных позволяла избежать систематической ошибки, вызванной нестабильностью фона, мощности лазера и чувствительности приемной системы. Раньше такая методика для измерения слабых сигналов в КР-спектроскопии не применялась. В известных методиках обязательным являлось использование лазеров, стабилизированных по мощности, и специально подобранных фотоумножителей, обладающих постоянной чувствительностью в некотором диапазоне напряжений питания.

Измерение профилей концентраций основных компонентов в диф-

фузионных пламенах показали, что методика позволяет измерять концентрации 1016+1017 см"3 (0.1+1%) молекул N2, Ог, Н2О, Н2, СН4 с временем накопления *»100 с при использовании непрерывного аргонового лазера мощностью 1 Вт (рис. 2).

Созданный на основе методики СКР-спектрометр применялся для оценки погрешности зондового масс-спектрометрического исследования пламен с узкими зонами горения. Зондовая масс-спектрометрия, щироко применяемая для определения химической структуры пламени, позволяет получить важную информацию о кинетике и механизме химических реакций в пламенах. Однако, зонд для отбора пробы, вводимый в зону химических реакций, вносит возмущения, которые могут вызвать погрешности при измерении профилей концентраций. Целью этих экспериментов было определить величину и характер такой погрешности для случая, когда отношение ширины зоны горения к внешнему диаметру кончика зонда близко к единице. Именно этот случай имел место при исследовании структуры пламени перхлората аммония (ПХА).

Сравнение профилей концентраций сн4, измеренных в модельном пламени зондовым методом и бесконтактным методом СКР, показало расхождение данных (рис. 3). Оно было вызвано смещением места отбора пробы (0.2 мм), вносящим систематическую ошибку в результаты зондовых измерений. Таким образом, было показано, что при надлежащем учете места отбора пробы профили концентраций, полученные зондовым методом, могут быть использованы для количественной обработки данных по структуре пламен.

Кроме того, СКР-спектрометр применялся для выполнения НИР, посвященной изучению явления конденсации в ее начальной стадии, с целью обнаружения спектров Ван-дер-Ваальсовских молекул. Измерения проводились в струе инертного газа (аргона), истекающего в вакуум. На рис. 4 приведены спектры, полученные в невозмущенной сверхзвуковой области. На частотах =»28 и *24 см-1 видны два пика, соответствующие колебательным переходам 0-1 и 1-2 в молекуле Аг2- Они согласуются со значениями, полученными зарубежными авторами примерно в это же время. Применение при записи спектра времени накопления по 40 минут в точке было возможным благодаря использованию описанной выше методики измерения слабого сигнала. Для измерения статической температуры в потоке к рабочему газу в качестве примеси добавлялось 2% азота. Температура, измеренная по вращательным линиям КР азота, составила 45 К.

- 6 -

к

Также изучалась возможность применения СКР-спектрометра для измерения состава в погранслое с горением этанола. Измерение профиля концентрации азота (рис. 5) в поперечном сечении потока показало, что наличие интенсивного свечения из объекта вынуждает использовать неприемлемо большие времена накопления сигнала (>30 минут). С целью уменьшения величины регистрируемого фона непрерывный аргоновый лазер был заменен на импульсно-периодический и использовалось стробирование системы регистрации. Оказалось, что излучение лазера с длиной волны 532 нм возбуждает флуоресценцию аэрозоля топлива, присутствующего в потоке, которая также вызывает появление широкополосного интенсивного фона в спектрах КР. Поскольку эта засветка связана по времени с лазерным излучением, она не может быть учтена как непрерывный фон. Таким образом, при использовании КР-методов для диагностики реагирующих течений в конкретных устройствах величину собственного и флуоресцентного свечения пламени необходимо учитывать с тем чтобы контролировать возможные искажения спектров.

В третьей главе описаны исследования, направленные на расширение возможностей СКР с использованием ультрафиолетового возбуждающего излучения. Такое излучение с высокой энергией в импульсе и с короткой длиной волны стало доступным благодаря появлению эксимерных лазеров. По литературным данным эффективность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Поскольку при использовании УФ возбуждения рамановские спектры также оказываются расположенными в УФ области, то это обусловливает увеличение их интенсивности. Опыты показали, что использование эксимерных ХеС1 (308 нм) и КгР (248 нм) лазеров позволяет проводить измерение концентрации молекул *1017 см"3 ±10% за время одного импульса излучения (=»30 не). Впервые были измерены УФ спектры СКР в пламени (рис. 6 и 7), обнаружены осо-Эенности использования ХеС1 лазера для измерений в пламени. Они связаны с возбуждением флуоресценции радикала ОН, дающей фоновую засветку при измерении сигнала рассеяния. Продемонстрированы измерения турбулентных флуктуаций концентраций компонентов в струе и пламени, в т.ч. одновременные измерения двух компонентов.

Четвертая глава как и первая является обзором литературы, но тосвященной "активному" варианту КР-спектроскопии - КАРС. В ней эассматриваются некоторые особенности четырехфотонного процесса, варианты частотного и фазового согласования лазерных пучков, от- 7 -

личия в способах расчета температуры и концентрации. Показана зависимость спектральной интенсивности от ширины комбинационных линий. Перечислены некоторые применения метода для исследования реальных объектов.

Пятая глава посвящена импульсным измерениям по спектрам КАРС. Описывается спектрометр для одновременных измерений мгновенных температур и концентраций вещества (рис. 8), конструкция которого составила предмет изобретения. Был разработан способ возбуждения двух вращательных линий - минимального, но достаточного количества для определения температуры и концентрации молекул. Используя двухчастотный селективный резонатор в лазере на красителе, был сформирован спектр перестраиваемого излучения, состоящий из двух узких линий высокой спектральной яркости. Их частоты выбирались такими, чтобы в сочетании с частотой ИсЬУАВ лазера возбуждались вращательные переходы в молекуле Нг- Возбуждаемые линии спектра, по две из каждого объема, регистрировались с помощью четырех фотоумножителей. На рис. 9 приведены осевые профили температуры и концентрации Нг в пламени, полученные усреднением их мгновенных значений.

Использование четырех измерительных каналов позволило при исследовании изотермического течения провести двухточечные измерения концентрации: одновременные измерения в двух точках пространства (рис. 10) и в одной точке с задержкой по времени (рис.12). На рис. И показано частотное согласование и сведение пучков при измерении автокорреляций.

Для измерений по вращательным спектрам молекул, имеющих малый вращательный кв'ант (N2, Ог и др.), использовалась известная схема с двойной широкополосной накачкой и многоканальная регистрация спектров с применением фотодиодной "линейки". В таких спектрах наблюдаются флуктуации интенсивности, вызванные флукту-ациями в спектре лазерного излучения, а это накладывает ограничения на точность определения параметров газа. По литературным данным среднеквадратичное отклонение для температуры Для

уменьшения случайной погрешности обычно используется нормировка на спектральный профиль опорного сигнала, имеющий аналогичные флуктуации формы. Было впервые показано, что формирование чисто вращательного спектра КАРС зависит от способа фазового согласования волновых векторов (рис. 13). При использовании альтернативных вариантов согласования можно добиться симметрии флуктуа-

- 8 -

ций формы разных ветвей. Был разработан способ совмещения двух ветвей спектра на одной "линейке" (рис.14) и экспериментально получено уменьшение погрешности при расчете температуры с 6% до 37..

На основе измерения интенсивностей изолированных линий, принадлежащих разным компонентам (рис.15), разработана методика импульсного измерения температуры и парциальных концентраций в смеси. Приводятся результаты измерений N2 и О2 в воздухе при н.у. (рис.16). Эта возможность чисто вращательных спектров КАРС до сих пор не была реализована.

Выводы.

В результате исследования возможностей использования КР-спектроскопии в условиях газодинамического эксперимента был:

1. Создан внутрирезонаторный СКР спектрометр, в котором впервые применено синхронное детектирование в методе счета фотонов в т.ч. опорного сигнала. С его использованием получены новые данные: о величине погрешности зондового масс-спектрометрического метода исследования узких пламен; о спектрах комбинационного рассеяния димеров аргона.

2. Впервые получены УФ спектры комбинационного рассеяния в пламени с использованием эксимерных ХеС1- и КгГ-лазеров. Показана применимость СКР для "мгновенных" измерений концентраций молекул *1017 см-3 ±10% по УФ спектрам.

3. На основе возбуждения и регистрации двух вращательных линий КАРС разработана методика измерения температуры и концентрации водорода в струе и пламени с высоким временным и пространственным разрешением (10 не, 0.05 мм).

4. Разработаны методики двухточечных измерений концентрации молекул в изотермическом течении в диапазоне 0+20 мм и 10~7+102 с. Получены данные по пространственным и временным корреляциям в затопленной струе.

5. Показана применимость чисто вращательного КАРС для измерения температуры и концентраций в многокомпонентной смеси. Разработан метод альтернативного синхронизма для повышения точности импульсных измерений с 6% до 3%.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Баев В.К., Малов А.Н., Федоров С.Ю. Применение импульсного метода комбинационного рассеяния для исследования турбулентного пламени // Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков: Тезисы докладов I Всесоюз. науч.-тех. конф., Алушта, 17-20 мая 1988. -Харьков, 1988. -С. 6.

2. Бояршинов Б.Ф., Волков A.A., Федоров С.Ю. Измерение корреляционных характеристик затопленной струи по комбинационному рассеянию света // ПТЭ. -1994. -N. 5. -С. 110-116.

3. Бояршинов Б.Ф., Волков A.A., Федоров С.Ю. Использование КАРС-спектрометра для одновременных измерений температур и концентраций в водородовоздушном пламени // Физика горения и взрыва. -1993. -N.5. -С.34-37.

4. Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., Волков A.A., КАРС-измерения корреляции скалярных параметров в водородной струе и пламени // Труды Первой Российской национальной конф. по теплообмену, М., 21-25 ноября 1994. -М., 1994. -Т. 3. -С. 47-52.

5. Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю.» Волков A.A. Спектрометр когерентного антистоксова рассеяния на вращательных переходах водорода // Приборы и техника эксперимента. -1994. -N.1. -С.153-158.

6. Коробейничев О.П., Терещенко А.Г., Емельянов И.Д. и др. К обоснованию зондового масс-спектрометрического метода исследования структуры пламен с узкими зонами горения // Физика горения и взрыва. -1985. -N.5. -C.22-2Ö.

7. Коробейничев О.П., Терещенко А.Г., Емельянов И.Д. и др. Обоснование метода масс-спектрометрического зондирования пламен конденсированных систем с узкими зонами горения. -Новосибирск, 1985. -37 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИХ-КиГ, ИТПМ, НГУ; N 14).

8. Малов А.Н., Федоров С.Ю. Применение эксимерных ХеС1 и KrF лазеров для диагностики пламени методом спонтанного комбинационного рассеяния // ФГВ. -1988. -N. 4. -С. 54-58.

9. Патент на изобретение МПК6 6 Ol J 3/34. Спектрометр когерентного антистоксова рассеяния для одновременных измерений мгновенных температур и концентраций вещества/ Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю. (Россия) - N 5064548/25 (034371); Заявлено 16.07.92 (Положительное решение о выдаче 5.01.95).

10. Рудницкий А.Л., Федоров С.Ю. Применение комбинационного рас-

сеяния для измерения распределения температур и концентраций компонентов в диффузионном водородном факеле // Использование совр. физ. методов в неразрушающих исследованиях и контроле: Тезисы докладов Всесоюз. конф. по прикладной физике, Хабаровск, 12-14 октября 1981. -Хабаровск: ХЦНТИ, 1981. -С.18-19.

И. Рудницкий А.Л., Федоров С.Ю., Якоби Ю.А. СКР-спектрометр с внутрирезонаторным рассеянием света // Оптические методы исследования газовых потоков и плазмы: Тезисы докладов III Всесоюзной школы по методам аэрофизических исследований, Красноярск, 4-13 июня 1982. - Минск: ИТМО АН БССР, 1982. -С. 55-59.

12. Федоров С.Ю., Бояршинов Б.Ф., Волков А.А. Применение КАРС-спектрометра для получения корреляций пульсаций в водородной струе и пламени // Оптические методы исследования потоков: Тезисы докладов II Межресп. конф., -Новосибирск, 1-3 июня, 1993. -Новосибирск, 1993. -С. 41-42.

13. Федоров С.Ю. Альтернативный синхронизм во вращательном когерентном антистоксовом рассеянии света // Приборы и техника эксперимента. -1996. -N.1. -С. 125-129.

14. Федоров С.Ю. Наблюдение спектров Ван-дер-Ваальсовских молекул // Моделирование процессов гидрогазодинамики и энергетики: Труды Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов, Новосибирск, 1985. -Новосибирск, 1985. -С. 246-249.

15. Baev V.K., Malov A.N., Fedorov S.Yu. Application of pulse Raman scattering for studying turbulent flames // Abstracts 12 ICDERS (Int. Conf. Det. Expl. & React. Sys.), Univ. of Michigan, Ann Arbor, st. Michigan, USA, July 23-28, 1989. -Vol. 1. -part 2, Reactive systems, -chapter 5, Combustion Diagnostics.

16. Baev V.K., Malov A.N., Fedorov S.Yu. The applications of the impulsive metod of Raman scattering for studying turbulent flames // Abstracts III Intern. Seminar on Flame Structure, Alma-Ata, September 18-22, 1989. -Novosibirsk, 1989, -Section 3, Turbulent Flames -rep. 3-15.

17. Boyarshinov B.F., Volkov A.A., Fedorov S.Yu. Measuring complex for optical diagnostics of reactive flows // Abstracts IV Intern. Seminar on Flame Structure, Novosibirsk, August 18-21, 1992. -Novosibirsk, 1992, -Section 5, Turbulent Flames -rep. 5-7. -P. 121-122.

г—4

Г-1

-----й-

-

сигнал

мощность

-4

О

X, мм

Рис. 1. СКР-спектрометр с внутрирезонаторным рассеянием света.

Рис. 2. Профили концентраций в водородном диффузионном пламени: О - n2, © - 02, и - Н2.

0.0 0.2 0.4 0.6 О.В 1.0 ь, им

Рис. 3. Зависимости от рассто- Рис. 4. Спектры в сверхзвуковой яния до поверхности горелки струе аргона, относительной концентрации метана, измеренной с помощью СКР р), микрозонда (■), макрозонда (•).

2

10

---1-1- а 1

□ 1

□ Д1--

ш

• СЯ

/ -

сэ

• -1- .1 , 1 •

0.0 0.2 0.4 0.6 О.а 1.0 500 1000 1500

(Сыг рИСд/2р)о

т, к

Рис. 5. Профили концентрации азота (а) и температуры (б) в погранслое с горением этанола.

1.0

0.5

0.0

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

0 ОН:Ю4

2000 1/СМ

4000

ё

о

X аэ

5 !е

5 X

5

1.0

0.5

0.0

т-1— 1 -

41«. _

НаО

365Я 1

1 ^

2331

Ог

1556 * . 1

2000 1/СМ

4000

Рис. 6. УФ спектр СКР в пламени, Х1-зо8 нм (ХеС1).

Рис. 7. УФ спектр СКР в пламени, М-249 нм (КгР). 13 -

-^--1 I I из/и.

(¿1 и-1—1--

Ат^-ч ✓---\ /---ч /1—г\

а) )

4© ©+© о 'о-

0) ] ©; У

Рис. 8. КАРС-спектрометр на вращательных переходах водорода.

800

600 -

400 -

0.8

0.4 0.6

0.3 0.4

0.2 0.2

0 5 10 15 20 25 x, мм

0.1

-20 -10 0 10 20 У. ММ

Рис. 9. Осевой профиль средней Рис. 10. Пространственные кор-температуры (о) и концентрации реляции пульсаций концентрации (•). Н2 в струе.

- 14 -

1+дУ

д1,с

Рис. 11. Частотное согласование и сведение пучков при измерении автокорреляций.

Рис. 12. Автокорреляции пульсаций концентрации Нг в трех точках струи.

Ш

^ м 1 /) < 0> ! кГ^^кз /X

С

I _I___}-Ул-Л—-

I и' /А \

и)" а)'"

Рис. 13. Альтернативные варианты пространственного фазового согласования волновых векторов при взаимодействии пучков накачки и формировании спектра сигнала.

(й) 1®®

От .ед. в.60 8.20 а У ШЬ«.

-1Л -л . да

Сек- «тога, 1/п:

и'.2 щ

Рис. 14. Схема формирования Рис. 15. Чисто вращательные спектра. спектры Ог (а; и воздуха (б).

<$■ 0.3

0.30

0.25

0.20

200 300 400 0.0 0.5 1.0

Т, К КОНЦЕНТРАЦИЯ М2

200

Рис. 16. Взаимные корреляции концентраций и температуры, из меренных при н.у.