基于激光吸收光谱技术的水下爆轰过程管内燃气温度在线测试研究

作     者：石逸凡 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李宁;黄孝龙

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 082601[工学-武器系统与运用工程] 082402[工学-轮机工程] 0826[工学-兵器科学与技术] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：吸收光谱 脉冲爆轰 气泡脉动 温度测量 水下推进 数值仿真 实验研究 

摘      要：以爆轰方式提供动力的新型水下推进方式具有理论热循环效率高、比冲高、结构简单等突出优点。受限于爆轰发动机工作时强振动、高温高压等恶劣环境,传统接触式测试方法很难获取水下爆轰过程爆轰管内燃气瞬态变化特征及其演变,目前相关研究非常少。可调谐半导体激光吸收光谱技术是实现爆轰过程非接触式燃烧诊断的有效方法,在航空发动机和大型燃烧发电装置等领域内燃烧流场诊断方面已经取得了丰硕成果。本论文开展了基于激光吸收光谱技术的水下爆轰过程管内燃气在线测试研究,分析了高温燃气温度平台及排气持续时间等特征参数,结合高速摄像获得的气泡脉动图像对水下爆轰过程管口处流场演变进行深入研究。主要研究内容如下:(1)针对水下爆轰过程管内高温高压环境,开展了激光吸收光谱测量仿真研究。建立了水下爆轰物理模型,采用时-空守恒元与求解元算法对管内爆轰发展过程进行仿真,以此建立模型验证激光吸收光谱方法测量管内爆轰燃气特征变化的可行性。同时,提出了基于频分复用技术的燃气吸收光谱波长调制信号处理方法,分析了波长调制吸收光谱信号的频谱特征,给出了频分复用技术应用中调制频率的选择原则。对噪音干扰条件下的吸收光谱信号测量准确性进行了分析。(2)针对水下爆轰过程管内燃气测试需求,设计研制了适用于强振动和高温高压燃烧室环境的激光吸收光谱测试装置,在实验室内搭建了基于分布式光纤的水下爆轰实验测试系统,包括对测试系统各个组成模块进行了细致描述。利用标准具对7185.6cm与7444.35cm波段可调谐半导体激光器波长扫描特性进行了测试分析,利用三段式管式炉对激光吸收光谱温度测量准确性进行验证。(3)针对典型工况下水下爆轰过程管内爆轰燃气温度变化进行测试研究。结合高速相机拍摄得到的水下爆轰燃气气泡脉动特征,深入分析了当量比、入水深度和填充压力等因素对水下爆轰环境管内燃气温度变化的影响。与空气环境中的对比,水下环境爆轰管内高温燃气持续时间明显延长。在爆轰管内存在负压及爆轰燃气气泡脱离管口的条件下,水介质将进入管内导致激光测量信号消失,并通过透明爆轰管实验进行了验证。论文将数值仿真与实验研究相结合,发展了针对水下爆轰环境管内爆轰燃气在线测试方法,实现了对水下爆轰过程燃气温度及持续时间的准确测量。研究结果可为水下爆轰推进诊断技术发展提供理论和数据支撑。