Оглавление
Оглавление
Введение. _________________________________________________ 3
Глава 1. Метод /СЛРС-спектроскопии, как инструмент для исследования молекулярных газов и диагностики горения. 10
§1.1 Нелинейная спектроскопия рассеяния молекулярных газовых сред на основе процесса КАРС. Преимущества и недостатки. 10
1.1.1. Контур линии спектров Ю1РС комбинационно-активных резонансов. 11
1.1.2. Возможности, достоинства и недостатки спектроскопии КАРС в газах. 13
§1.2. Экспериментальная реализация /<*,4 РС-термометрии газовых сред. 15
§1.3. Особенности ТСЛРС-термометрии водородосодержащих пламен. 19
1.3.1. Водород - как пробная молекула для определения температуры. Колебательно - вращательная структура КР активных переходов в молекулах 1Ь. 20
1.3.2. Метод обработки спектров Н2 для определения температуры. Обоснование необходимости измерения ширин линий водорода при высоких температурах (> 1000 К). 21
Выводы к Главе 1. 26
Глава 2: Столкновительное уширение линий О-ветви водорода привысоких температурах 29
§2.1 Особенности уширения спектральных линий в зависимости от давления и температуры. 29
§2.2 Обзор работ по исследованию уширсния линий водорода. | 36
Выводы к Главе 2. I 46
Глава 3. Экспериментальная установка. Импульсная кислородно-водородная камера сгорания высокого давления и трех канальный измерительный комплекс. 49
§3.1. Импульсная кислородно-водородная камера сгорания высокого давления (ИКВД). 50
§3.2. Трехканальный измерительный комплекс для измерения давления, температуры и ширин линий. 54
3.2.1. Измерение давления в камере сгорания. 54
3.2.2. Измерение температуры. Широкополосный КАРС. 56
3.2.3. Измерения ширин контуров спектральных линий методом интерферометрии Фабри-Псро. Широкополосный и двойной широкополосный АМРС-подходы и их сравнительный анализ. 60
А К Верещагин. «Исследование столкновитслыюго уширсния спектральных линий О-иствн водорода мо лекулами золы в
диапазоне температур 2000-3500 К методом КАРС-спсктроскопии»
Оглавление
3.2.3.1. Применение ИФП для спектрального анализа контура линии. 60
3.2.3.2. Спектроскопия контура линии за одну лазерную вспышку. 65
3.2.4. Режим работы комплекса вместе с камерой сгорания. 70
Выводы к Главе 3. 72
Глава 4. Измерение ширин и температурных зависимостей коэффициентов уширения спектральных линий 2-ветви молекул водорода в столкновениях с молекулами воды при высоких температурах. 73
§4.1. Спектральный анализ контура линии. Интерпретация экспериментальных интерферограмм. 73
§4.2. Измерение температуры с использованием экспериментально полученных /-зависимостей ширин линий <2-ветви водорода. 81
§4.3. Определение плотности воды на основе изхмерений давления и температуры и расчетов адиабатического горения кислородно-водородной смеси. 86
§4.4. Температурная зависимость коэффициентов уширения линий 0-ветви молекул водорода при столкновениях с молекулами воды в температурном диапазоне 2000-3500/С 89
Выводы к Главе 4. 100
Заключение. 102
Список литературы. 104
Л К. Верещагин «Исследование столкноаптсдыгого уширсния спсхтральных линий (Э-яетви водорода молекулами воды в
диапазоне температур 2000-3500 К методом /С-П’С-спеюроскотш»
Введение
Введение.
Необходимость исследований ширин линий О-ветви водорода при высоких температурах, проведенных в дайной работе, продиктованы в первую очередь потребностью в этой информации в задачах термометрии кислородно-водородных пламен. При изучении и оптимизации процессов горения и горсльных устройств, в камерах сгорания при высоких температурах и давлениях используются преимущественно оптические бесконтактные невозмущающие методы диагностики, в том числе и методы /С^ЛС-спектроскопии. Обычно при КАРС-диагностике горения информация о температуре и плотности в исследуемой среде извлекается из спектров Ю1РС молекул, переходы которых наиболее удобны для регистрации и чувствительны по отношению к измеряемым параметрам. При этом экспериментальные спектры сравниваются с теоретическими, и но их наилучшему совпадению делается • вывод о реализующихся в эксперименте газовых
I ,
параметрах со значениями, заложенными в расчет для теоретического спектра. Точность определения газовых параметров зависит как от корректности модели, используемой для расчета /С^РС-спсктров, так и от надежности экспериментальных спектроскопических и. кинетических данных о положениях и ширинах контуров линий-спектра. Это, в частности, и определяет интерес к исследованию контуров' спектральных линий при- высоких температурах и давлениях газов.
При кислородно-водородном горении* для стабилизации*, процесса обычно используются, «богатые» смеси, где молекулы водорода присутствуют в исследуемом объеме как на стадиях перемешивания и горения, так и в продуктах сгорания, наряду с молекулами воды и являются удобными для КАРС-термометрии. При этом для измерения температуры экспериментально регистрируется КАРС-спектр £?-встви молекулы водорода (Av = 1, А/ = 0, где V - колебательное и ./- вращательное квантовые числа), содержащий несколько разрешенных линий У = 0 — 12, из соотношения интенсивностей которых восстанавливается Ьольцмаповскос распределение молекул по вращательным состояниям (температура являегся параметром этого распределения).
В схеме «широкополосного КАРС», позволяющей одновременно получать весь спектр (2-ветви водорода и часто используемой в задачах термометрии, аппаратная функция много шире отдельных спектральных линий. Поэтому регистрируемый КАРС-спектр О-ветви молекулы водорода представляет собой набор контуров аппаратных функций, расположенных в местах локализации спектральных линий и имеющих амплитуды, пропорциональные интегральным интенсивностям линий. В свою очередь, интегральные интенсивности определяются населенностями вращательных уровней и
Л.К. Всрсшапш. «Исследование столкиовнтсльного уширешш спектральных линий (Хвсгви водорода молекулами воды в
диапазоне температур 2000*3500 К метолом АМ/’СЧнсюроскопии».
Введение
ширинами линий и, таким образом, при интерпретации КАРС-спектров ширины линий комбинационных переходов также должны быть приняты во внимание.
В то время как спектроскопические константы молекулы //? можно считать хорошо известными, информация об особенностях уншрения спектральных линии водорода водой при высоких температурах 2000 - 3500 К и давлениях (80 - 200 атм), характерных для Нт-О2 камер сгорания, отсутствовала.
При низких плотностях (менее 1 Амага) спектральные линии имеют Донлеровское уширенис, практически одинаковое для всех вращательных компонент спектра, и в КАРС-снектре соотношение амплитуд линий определяется, в основном, Больцмановским распределением населенностей молекул по вращательным состояниям. Однако при плотностях более 1 Амага спектральные линии имеют преимущественно столкновитсльное уширение (которое зависит от вращательного квантового числа .7), а интегральные интенсивности - обратно пропорциональны ширинам линий. Поэтому для корректного определения температуры из /ОЯ-РС-спекгров О-ветви водорода необходимо обладать информацией о ширинах линий .спектра. Для получения этой информации достаточно иметь температурные зависимости коэффициентов уширения линий водорода водой, поскольку вода является основным компонентом продуктов сгорания и, к тому же, коэффициенты уширения спектральных линий, О-встви молекул водорода водой значительно больше коэффициентов самоуширсния.
Для условий, реализующихся при горении, в диапазоне температур 2000-3500 К
информация об уширении спектральных линий Ответви молекул водорода отсутствовала,
«
и для термометрии практических кислородно-водородных пламен использовалась экстраполяция в областг» высоких температур данных по коэффициентам уширения линий водорода водой, полученных в лабораторных исследованиях в стационарной нагреваемой кювете (см. §2.3) при более низких температурах. Экстраполированные значения заметно отличались при использовании различных моделей, применяемых для вычислений. Прояснение вопроса о надежности используемых экстраполяций и непосредственное определение коэффициентов уширения для осуществления /С4РС-тсрмометрии реальных пламен требовало решить задачу экспериментального изучения поведения контура линии переходов С?-встви водорода при столкновениях с молекулами воды при высоких давлениях и температурах. Ввиду невозможности реализации высоких температур (более 2000 К) и давлений (80 - 200 атм) в стационарной нагреваемой кювете (см. §2.3), естественной альтернативой являются измерения непосредственно в кислородноводородном пламени.
А К. Верещагин. «Исследование сголкновшсльного уширения спектральных линий 0-встзи водорода молекулами воды в
диапазоне температур 2000*3500 К методом КЛЯС-спсктроскопии».
Введение
Таким образом, в работе имеется, с одной стороны, спектроскопическая направленность: исследование уширения спектральных линий водорода водой при высоких температурах, а с другой — направленность диагностическая, связанная с измерением температуры с учетом ./-зависимости ширин спектральных линий водорода.
Цели диссертационной работы
Основной целью диссертационной работы является исследование столкновительного уширения спектральных линий Ö-ветви водорода молекулами воды при высоких температурах в кислородно-водородном пламени с применением методики /СТРС-снскгроскошш, позволяющей за один лазерный1 импульс регистрировать с высоким спектральным разрешением контур отдельной спектральной линии.
Кроме того, получение экспериментальных данных о температурных и J-зависимосги ширин спектральных линий водорода имеет- своей целью также их применение в пракгичсской термометрии кислородно-водородных пламён.
Основные задачи работы
1. Провести исследования влияния спектральных шумов лазеров накачки КАРС спектрометра в схемах широкополосного (Broadband - ВВ) и двойного широкополосного (Dual BroadBand - DBB) КАРС на форму контура отдельной линии А/ІРС-снектра, регистрируемого с помощью интерферометра Фабри-Перо (ИФП) за один лазерный импульс (~ 10 нсек) Для реализации схемы двойного широкополосного КАРС провести модернизацию узкополосного КАРС-спекгрометра измерительного комплекса
2. Исследовать диапазон возможных контролируемых изменений температуры и давления, реализуемых в камере сгорания от цикла к циклу, и установить режимы, соответствующие устойчивой их воспроизводимости. Для получения данных о давлении в камере сгорания дополнить комплекс двухканальнымЛ//# и создать в среде LabView программу чтения с АЦП отклика датчика давления и фотодиода, регистрирующего момент лазерного импульса зондирования, для последующей записи этих данных на ПК.
3. Разработать и программно реализовать алгоритмы обработки ИФГІ-интерфсроірамм КАРС-ьпскгрон и определения на их основе ширин контуров регистрируемых линий ЯМРС-спскгров.
Л К Верещагин. «Исследование столкношпсльного уширения спектральных линий Q-вствч водорода молекулами воды в
диапазоне температур 2000-3500 К методом АИЛС-спсктроскопки»
Введение
4. Провести измерения ширин и определение коэффициентов упгарения линий 0-ветви водорода, обусловленных столкновениями с молекулами воды, в температурном диапазоне 2000 — 3500 К.
5. Провести измерения и оценить уменьшение систематической ошибки в определении газовой температуры в кислородно-водородных пламенах в диапазоне 2000-3500 К на основе переходов 0-ветви молекул водорода, связанное с учетом измеренной ./-зависимости ширин линий этих переходов.
Научная новизна.
1. Проведено исследование столкновительного уширения спектральных линий 0-ветви молекул водорода (7=1,3,5,7,9) и экспериментально измерены ширины линий и-коэффициенты уширения, обусловленные столкновениями с молекулами воды, в температурном диапазоне 2000-3500 К.
2. Реализована процедура определения' температуры на основе спектров 0-ветви водорода в кислородно-водородных пламенах при высоких температурах 2000 -3500 Ку учитывающая экспериментально измеренные ./-зависимости ширин линий.
Практическая значимость работы.
1. Измеренная при высоких температурах 7-зависимость коэффициентов столкновительного уширения водой линий переходов 0-ветви водорода может быть рекомендована к использованию при термометрии, кислородно-водородных пламен в диапазоне 2000 - 3500 К.
2. Полученные данные также могут представлять интерес для теории столкновительного уширения спектральных линий при высоких температурах.
Защищаемые положения.
1. Коэффициенты уширения линий с 7=1,3,5,7,9 0-ветви молекул водорода, обусловленные столкновениями с молекулами воды в температурном диапазоне 2000-3500 К равны в пределах экспериментальной точности значениям, измеренным в данной работе.
2. Применение схемы ОВВ-КАРС при исследовании контура отдельной изолированной линии КАРС-спектра, регистрируемого с помощью интерферометра Фабри-Перо за один лазерный импульс (~ 10 нсек) даже в случае ограниченной ширины спектров лазеров (~1 см1) уменьшает искажения формы контура, обусловленные спектральными шумами лазеров накачки, за счет усреднения
А.К Верещагин. «Исследование столкновительного уширения спектральных линий <?-аствн водорода молекулами воды о
диапазоне температур 2000*3500 К'методом КИРС-спектроскопию».
Введение
шумов в спектре бигармоничсской накачки и позволяет реализовать спектральное разрешение 0.1 см'1.. •
3. Разработанные алгоритмы и программы обработки иптерферограмм Фабри-Перо позволяют реализовать процедуры: а) определения центра симметрии и усреднения по углу пространственной двумерной- картины интерференционных, колец, приводящие к одномерному распределению интенсивностей по радиусу; б) определения' ширин контуров отдельных спектральных линий, регистрируемых интерферограмм Фабри-Перо, путем подгонки спектральных профилей интерференционных полос сверткой функций Эйри и Лоренца.
4. Учет измеренных в данной работе 7-зависимостей ширин линий 0/-0р молекул водорода уменьшает систематическую ошибку определения газовой температуры в Н2/О2-пламенах, основанном на измерениях интегральных интенсивностей линий /ГЛРС-спсктров 0-ветви водорода в диапазоне температур. 2000 - 3500 К, на .~ 20 -30% соответственно.-.'
Краткое содержание диссертации. :
Диссертация состоит из введения, четырех оригинальных глав и заключения.
Во ВВЕДЕНИИ сформулированы цели и* задать диссертационной г работы. Обсуждается, актуальность темы, научная и практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов. * . .
ПЕРВАЯ глава диссертации посвящена методу КА/ЧГ-спектроскопищ как инструменту для исследования молекулярных газов; в том числе - и для диагностики горения. Обсуждаются особенности профиля контура;- линии, спектров КАРС, рассматриваются -возможности, преимущества и недостатки' спектроскопии КАРС в газах. Изложены принципы построения схемы /СТРС-спектрометра для достижения -высоких временного и пространственного разрешения. Рассмотрены особенности КАРС-термометрии водородосодержащих пламен.
ВТОРАЯ глава диссертации посвящена столкновитсльному уширснию линий 0-ветви водорода: Обсуждаются особенности уширения спектральных линий. Сделан.обзор работ по исследованию уширения /СР-активных линий водорода, включающий в себя работы по самоуширению и уширению сторонними газами,, в частности нарами воды, что имеет непосредственное отношение к данной работе.
В ТРЕТЬЕЙ- главе диссертации описана экспериментальная- установка. Рассмотрены .импульсная кислородно-водородная камера сгорания высокого давления и
Л.К. Верещагин. «Исследование столкноиитсльного уширения спектральных линий (2-ветви водорода молекулами воды в
диапазоне температур 2000-3500 К метолом АПРС-сисктроскопии».