第32卷，第11期 2012年11月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.32,No.11,pp2891-2896
November,2012
可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于平面火焰中
气体浓度二维分布重建的研究
三飞，邢大伟，许婷，严建华，岑可法
姜治深，主
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江杭州310027
摘要研究了可调谱半导体激光吸收光谱技术实现气体浓度二维分布测量的方法，探索了重建气体浓度二维分布的模型和算法，并采用数值模拟的方式对重建程序进行了可行性验证。搭建了由24束激光束构成的场参数测量系统，以甲烷/空气预混火焰中HO为测量对象，运用重建程序重建了火焰中H,O浓度的二维分布，实验结果分析表明，重建结果较真实的反应了火焰中HO浓度的二维分布状态，为实现优化燃烧控制提供重要数据。
可调谐激光吸收光谱；二维重建；代数送代重建算法
关键词
中图分类号：TN247，TK16
引言
文献标识码：A
可调谐率导体激光吸收光谱技术（tunablediodelaserab o 流和温度的变化实现波长的调制，通过对待测气体的快速扫描，实现诸如温度、浓度、压强、速度等参数的窄线宽测量方法1-4)，该技术具有可靠性高、抗干扰能力强、响应速度快等特点，已经广泛应用于环境监测、燃烧测量等领域5-门，
在碳氢燃料燃烧中，H：O作为燃烧产物之一，其浓度分布对监控燃烧的反应状态具有十分重要的意义。传统TD LAS技术测量的气体浓度多为整个光路上的平均值，当测量环境中气体浓度梯度变化较大时，显然不能真实反应实际的状态。本工作以TDLAS技术为基础，搭建了24束激光束平面火焰测量系统，并利用代数选代重建算法（algebraicrecon structiontechnique，ART)重建了甲烷/空气预混平面火焰中 HO浓度的二维分布。通过数值模拟验证了该测量方法的
可行性，分析了重建浓度分布结果的选取原则。 1
基本原理与重建程序设计 1.1TDLAS测量原理
收稿日期：2012-03-21，修订日期：2012-06-20
D0I:10.3964/i.issn.1000-0593(2012)112891-06
激光器发射一束频率为v(cm-1)的单色光穿过火焰区域，当其频率与气体吸收组分频率相同时，激光能量被吸收，人射光强I。和透射光强I.遵循Beer-Lambert定律8
T,
le
(T)dx = ((L *y(L)STXd )dxa =
(1)
其中T,定义为传播分数，α（cm-1)为吸收系数，P(atm)为总压，X为组分摩尔浓度，L(cm)为吸收气体的吸收光程，9(cm=1)为线型函数，满足gd=1，S(T)(cm-，atm-1）为谱线强度，是温度T(K)的函数[")
exp（
S(T)-S(To)9
QT)
[exp(-hy/kT)
[1—exp(hcv/RT。)
(2)
其中T。(K)为参考温度，h(J.)为普朗克常数，E,(cm-1)为低能级能量，k(J·K-1)为波尔效曼常熟，c(cm·s-1)为真空中光速，>为跃迁频率，Q(T)为分割函数。定义积分吸收率A
A =a,Ldy = PLXS(T)
(3)
1.2
重建程序设计
首先将探测区域离散化为I=NXN个网格，任意第j条
激光束S穿过待测区域第i个网格的长度为L，，如图1所示。
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目（2011CB201506，2009CB219802)，图家自然科学基金项目（51276165），浙江省自然
科学基金项目（R1100395)和高等学校博士学科点专项科研基金项目(20110101110019)资助
作者简介：姜治深，1982年生，渐江大学能源清洁利用国家重点实验室硕士研究生
*通讯联系人
万方数据
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