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基于多角度投影激光吸收光谱技术的两段式速度分布流场测试方法

王传位 李宁 黄孝龙 翁春生

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基于多角度投影激光吸收光谱技术的两段式速度分布流场测试方法

王传位, 李宁, 黄孝龙, 翁春生

Two-stage velocity distribution measurement from multiple projections by tunable diode laser absorption spectrum

Wang Chuan-Wei, Li Ning, Huang Xiao-Long, Weng Chun-Sheng
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  • 针对具有明显速度梯度的非均匀流场速度分布在线测试难题, 提出了基于多角度投影的激光吸收光谱多普勒速度分布测试方法, 利用多角度投影吸收光谱信息低频能量相对变化对两段式速度分布区间长度与对应速度值进行耦合求解. 建立不同投影角度下吸收光谱平均频偏值与不同速度区间频偏差值之间的函数关系, 提出了基于傅里叶变换的光谱信号低频能量变化分析方法, 解决了不同速度梯度条件下光谱信号微弱变化检测难题. 采用7185.6 cm–1波段H2O特征谱线结合三条投影光路实现了对于两段式速度分布模型的快速重建, 研究了投影角度以及不同幅值噪音对速度分布计算的影响. 分析表明该方法对于具有明显速度梯度的流场中高速区速度值重建结果最佳, 相对误差0.9%, 同时测量噪音对高速区速度值重建结果影响最小. 投影角度增大有利于增强重建方程中不同速度区间光谱频偏差值对速度区间长度比值的灵敏度, 提高测量精度. 考虑到系统测量空间分辨率限制, 0°, 30°, 60°是较为理想的光路分布角度. 研究结果对于推动激光吸收光谱技术在发动机诊断及气体动力学研究中的应用具有重要意义.
    A novel approach to using tunable diode laser absorption spectrum (TDLAS) is developed for nonuniform velocity distribution measurement by Doppler effect. An analysis of the energy in direct absorption spectrum at low frequencies is made by Fourier transform, because the TDLAS method offers the advantages in using Beer law to deal with coupling relations between velocity distribution and corresponding length of velocity region. By comparing with traditional TDLAS-Doppler velocity measurement, advantages of this approach to the more exact solution of core flow velocity by signal process without using extra lasers and detectors are explored. Following the published theory, between velocity regions at multiple projections the absorbance about average in frequency offsets and the absorbance about difference in frequency offsets are incorporated into an improved fitting model. A solution to obtaining changes of absorbance energy at low frequencies by Fourier transform is used to demonstrate the ability to recover minor change in absorbance under different conditions, inferring a better method to realize the simultaneous measurement of velocity distribution. The influences of these parameters, such as projection angles and noise during absorption, are investigated by the multiple projection simulations at rovibrational transitions of H2O near 7185.6 cm–1 from three projections. This approach is validated in a two-stage velocity distribution model, demonstrating the ability to exactly measure core flow, with a precision of 0.9% RMS (root mean square). The high velocity in the core flow is less influenced by the random noise in absorption due to nearly linear relationship between the difference in frequency offsets and the ratio of length of velocity region. Some satisfied results can be obtained when larger angles of projection are arranged. The combination of 0°, 30°, and 60° will be a reasonable optic design considering the limitation of spatial resolution. In conclusion, the novel approach to velocity distribution measurement based on TDLAS-Doppler from multiple projections has great potential applications in engine diagnosis and gas dynamic research.
      通信作者: 李宁, phoenixkyo@163.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金项目(批准号: 11372141, 11472138)、中央高校基本科研业务费专项资金(批准号: 30919011258)和江苏省自然科学基金青年基金(批准号: BK20190439)资助的课题
      Corresponding author: Li Ning, phoenixkyo@163.com
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11372141, 11472138), the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant No. 30919011258), and the Natural Science Foundation of Jiangsu Province, China (Grant No. BK20190439)
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  • 图 1  基于多普勒效应的激光吸收光谱测速原理 (a)激光吸收光谱多普勒测速系统示意图; (b)吸收光谱信号多普勒频偏示意图

    Fig. 1.  TDLAS-based Doppler velocimetry: (a) Diagram of velocity measurement system; (b) diagram of frequency shifts between absorption signals.

    图 2  两段式速度分布模型与多光路测试系统示意图 (a)速度分布流场模型示意图; (b)激光吸收光谱速度分布测试系统示意图

    Fig. 2.  Model and multiple projection system design for two-stage velocity distribution: (a) Velocity distributions assumed in the analysis; (b) illustration of optical system for TDLAS velocity distribution measurement.

    图 3  EθAh/Al$\Delta {\nu_{{{\rm{h}} \text{-}{\rm{l}}}, \theta }}$的函数关系图

    Fig. 3.  Function diagram of Eθ, Ah/Al and $\Delta {\nu_{\rm{h} \text{-} l, \theta }}$.

    图 4  不同工况下平均频率偏移计算误差结果

    Fig. 4.  Relative error of average frequency offset under different conditions.

    图 5  60°光路投影条件下$\Delta {\nu_{{{\rm{h}} \text{-}{\rm{l}}}, \theta }}$Ah/Al的关系 (a) $\Delta {\nu_{{{\rm{h}} \text{-}{\rm{l}}}, \theta }}$Ah/Al的变化; (b) $\Delta {\nu_{{{\rm{h}} \text{-}{\rm{l}}}, \theta }}$一阶导数随Ah/Al的变化

    Fig. 5.  Function relationship between $\Delta {\nu_{{{\rm{h}} \text{-}{\rm{l}}}, \theta }}$ and Ah/Al at 60° optical path: (a) $\Delta {\nu_{{{\rm{h}} \text{-}{\rm{l}}}, \theta }}$ varies with Ah/Al; (b) 1 st derivative of $\Delta {\nu_{{{\rm{h}} \text{-}{\rm{l}}}, \theta }}$ varies with Ah/Al.

    图 6  模型与计算结果对比图

    Fig. 6.  Comparison of model with calculation results.

    图 7  不同Eθ条件下Ah/Al$\Delta {\nu_{{{\rm{h}} \text{-}{\rm{l}}}, \theta }}$之间函数关系

    Fig. 7.  Relationship between Ah/Al and $\Delta {\nu_{{{\rm{h}} \text{-}{\rm{l}}}, \theta }}$ at different Eθ.

    图 8  不同速度模型条件下投影光路光谱信号特征

    Fig. 8.  Absorbance features at projection in different velocity models.

    图 9  噪音对速度分布测量的影响

    Fig. 9.  Effect of noise on velocity distribution measurement.

    表 1  不同角度组合下的计算结果

    Table 1.  Calculation results under different angle combinations.

    投影角度计算误差
    θ1/(°)θ2/(°)Lh/%Vh/%Vl/%
    102016.237.0718.92
    104015.846.8818.71
    106015.846.8418.78
    108015.846.8118.84
    204015.216.5818.15
    20608.743.7112.08
    20804.752.017.35
    30602.521.074.16
    30801.740.732.96
    40601.370.582.36
    40801.010.421.77
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    表 2  不同速度下的计算结果

    Table 2.  Calculation results at different velocity.

    模型流场参数计算结果相对误差
    Vh/m·s–1Vl/m·s–1Ah/AlVh/%Vl/%Lh/%
    100010040.177.470.31
    100010014.7453.3214.44
    80030041.6020.144.08
    80030019.5637.0117.53
    60030044.3262.0719.41
    600300115.1577.7336.63
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-12
  • 修回日期:  2019-10-15
  • 上网日期:  2019-11-28
  • 刊出日期:  2019-12-01

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