Необходимость исследований ширин линий О-ветви водорода при высоких температурах, проведенных в данной работе, продиктованы в первую очередь потребностью в этой информации в задачах термометрии кислородно-водородных пламен. При изучении и оптимизации процессов горения и горельных устройств, в камерах сгорания при высоких температурах и давлениях используются преимущественно оптические бесконтактные невозмущающие методы диагностики, в том числе и методы .^.РС-спектроскопии. Обычно при КАРС-диагностике горения информация о температуре и плотности в исследуемой среде извлекается из спектров КАРС молекул, переходы которых наиболее удобны для регистрации и чувствительны по отношению к измеряемым параметрам. При этом экспериментальные спектры сравниваются с теоретическими, и по их наилучшему совпадению делается-вывод о реализующихся в эксперименте газовых параметрах со значениями, заложенными в расчет для теоретического спектра. Точность определения газовых параметров зависит как от корректности модели, используемой для расчета КАРС-спектров, 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 горениидля, 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 А^РС-термометрии. При этом для измерения температуры экспериментально регистрируется КАРС-спекгр (З-ветви молекулы водорода {?V = 1, А./ — 0, где V — колебательное и У — вращательное квантовые числа), содержащий несколько разрешенных линий ./ = 0 — 12, из соотношения интенсивностей которых восстанавливается Больцмановское распределение молекул по вращательным состояниям (температура является параметром этого распределения).
В схеме «широкополосного КАРС», позволяющей одновременно получать весь спектр О-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 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 Н2 можно считать хорошо известными, информация об особенностях уширения спектральных линий водорода водой при высоких температурах 2000 — 3500 К и давлениях (80 — 200 атм), характерных для Н2-О2 камер сгорания, отсутствовала.
При низких плотностях (менее 1 Амага) спектральные линии имеют Доплеровское уширение, практически, одинаковое для всех вращательных компонент спектра, и в КАРС-спектре соотношение амплитуд линий определяется, в основном, Больцмановским распределением населенностей молекул по вращательным состояниям. Однако при плотностях более 1 Амага спектральные1 линии имеют преимущественно столкновительное уширение (которое зависит от вращательного квантового числа X), а интегральные интенсивности — обратно пропорциональны ширинам линий. Поэтому для корректного определения температуры из РС-спектров (9-нетви 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-ветви молекул водорода водой значительно больше коэффициентов самоуширения.
Для условий, реализующихся при горении, в диапазоне температур 2000;3500 К информация об уширении спектральных линий С^ветви молекул водорода отсутствовала, г и для термометрии практических кислородно-водородных пламен использовалась экстраполяция в область 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 ^?4РС-термометрии реальных пламен требовало решить задачу экспериментального изучения поведения контура линии переходов О-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 кислородно-водородном пламени.
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 диссертаиионной работы.
Основной целью диссертационной работы является исследование столкновительного уширения спектральных линий О-ветви водорода молекулами воды при высоких температурах в кислородно-водородном пламени с применением методики iCá-PC-спектроскопии, позволяющей за один лазерный’импульс регистрировать с высоким спектральным разрешением контур отдельной спектральной линии.
Кроме того, получение экспериментальных данных о температурных и J-зависимости ширин спектральных линий водорода имеет своей целью также их применение в практической 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 КАРС-спектра, регистрируемого с помощью интерферометра Фабри-Перо (ИФП) за один лазерный импульс (7 10 нсек) Для реализации схемы двойного широкополосного КАРС провести модернизацию узкополосного КАРС-спектрометра 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 двухканальным*^(Д/7 и создать в среде Lab View 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 ИФП-интерферограмм КАРС-спектров и определения на их основе ширин контуров регистрируемых линий КАРС-спектроъ.
4. Провести измерения ширин и определение коэффициентов упшрения линий О-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 упшрения спектральных линий О-ветви молекул водорода (7=1,3,5,7,9) и экспериментально измерены ширины линий и-коэффициенты упшрения, обусловленные столкновениями с молекулами воды, в температурном диапазоне 2000;3500 К.
2. Реализована процедура определения' температуры на основе спеюров б-ветви водорода в кислородно-водородных пламенах при высоких температурах 2000 — 3500 К, учитывающая экспериментально измеренные /-зависимости ширин линий.
Практическая значимость работы.
1. Измеренная при высоких температурах /-зависимость коэффициентов столкновительного уширения водой линий переходов ветви водорода может быть рекомендована к использованию при термометрии I 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 /=1,3,5,7,9 £?-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 ИВВ-КАРС при исследовании контура отдельной изолированной линии /С4РС-спектра, регистрируемого с помощью интерферометра Фабри-Перо за один лазерный импульс 10 нсек) даже в случае ограниченной ширины спектров лазеров (~1 см) уменьшает искажения формы контура, обусловленные спектральными шумами лазеров накачки, за счет усреднения шумовш спектре бигармонической накачки и позволяет реализовать спектральное разрешение 0.1 см'1.
3. Разработанные алгоритмы и программы обработки интерферограмм Фабри-Перо позволяют реализовать процедуры: а) определения центра симметрии и усреднения по углу пространственной двумерной картины интерференционных, колец, приводящие к одномерному распределению интенсивностейУ по радиусуб) ¦ определения' ширин контуров отдельных спектральных линийрегистрируемых интерферограмм Фабри-Перо, путем подгонки: спектральных профилей интерференционных полос сверткой функций Эйри и Лоренца.
4. Учетизмеренных. в.данной. работе /-зависимостей ширин? линий О1-О9 молекул водорода уменьшает, систематическую ошибку определения газовой. температуры в Н2/О2-пламенах, основанном на измерениях интегральных интенсивностей линий' А^РС-спектров (?-ветви водорода в диапазоне температур. 2000 — 3500 К, па ~ 20 -30% соответственно.. 1.
Краткое содержание диссертации:
Дйсс’ертация состоит. из введения, четырех оригинальных-глав и заключения. Во ВВЕДЕНИИ сформулированы, цели т задачи" диссертационной- .работы. Обсуждаетсяактуальность темы,*, научная и практическая ценность полученных в диссертационной, работе результатов. ¦
ПЕРВАЯ' глава диссертации: посвященаметоду ./СЛРС-спектроскопии как инструменту для. исследования молекулярных газовв том числе — и для диагностики горения. Обсуждаются особенности профиля: контура линии" спектров КАРС, рассматриваются возможности, преимущества и недостаткиспектроскопии КАРС в газах. Изложены принципы построения' схемы /?ЛРС-спектрометра для достижения — высоких временного и1 пространственного разрешения: Рассмотрены особенности. КАРС-термометрии водородосодержащих^ пламен.
В ТОРАЯ глава-, диссертации посвящена столкновительному уширсниюлиний О-ветви водорода: Обсуждаются особенности уширения спектральных линий. Сделан: обзор работ по исследованию, уширенияР-активных линий водорода, включающий. в себя работы по самоуширению и уширению сторонними газамив/ частности — парами воды, что имеет непосредственное отношение к данной работе.
В ТРЕТЬЕЙ главе диссертации описана экспериментальная установка. Рассмотрены. импульсная кислородно-водородная камера сгорания высокого давления и трехканальный комплекс для измерения давлений, температур и ширин линий выбранных переходов О-ветви молекул водорода в камере сгорания.
В ЧЕТВЕРТОЙ главе диссертационной работы приводятся результаты измерений и анализа полученной спектральной информации о контурах линий С?-ветви Н2. На основе измерений ширин отдельных линий (9-ветви молекул водорода, обусловленных столкновениями с молекулами воды в диапазоне температур 2000< Т <3500 К и плотностей 1< р <6 Амага, получены температурные зависимости коэффициентов уширения линий с ./=1,3,5,7,9. Для измерения температуры по KÁ-PC-спектрам Q-ветви водорода были использованы экспериментально измеренные /-зависимости ширин линий, полученные непосредственно в импульсно-периодической кислородно-водородной камере i сгорания высокого давления.
В Заключении сформулированы основные результаты работы.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 14 работах, из них'5 публикаций в журналах из списка ВАК [1−5], и докладывались на конференциях:
1. XXIII Европейская конференция по нелинейно-оптический спектроскопии ECONOS-2004, Эрланген, Германия, апр. 2004 г.
2. Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO/LAT 2005, Санкт-Петербург, Россия, 11−15 Мая 2005 г.
3 Российский Научный Форум с международным участием ДЕМИДОВСКИЕ ЧТЕНИЯ. Москва — Екатеринбург — Томск, 25 февраля — б марта 2006 г. Конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики».
4. XXV Европейская конференция по нелинейно-оптический спектроскопии ECONOS-2006, Братислава, Словакия, апр. 2006 г.
5 XIX Международная конференция по молекулярной спектроскопии высокого разрешения, (ICHIRMS) Прага, Чешская Республика, 29.08−02.09 2006 г.
6 XXVI Европейская конференция по нелинейной оптике и спектроскопии ECONOS-2007, СПетербург, Россия, май 2007 г.
7. Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO/LAT 2007, Minsk, Belarus, 28 May — 1 June, 2007 г.
8. XXI Международная конференция по спектроскопии комбинационного рассеяния ICORS-2008, Лондон, Англия, 17−22 августа 2008 г.
9. Международная конференция «Комбинационное рассеяние — 80 лет исследований» («KP-80»), ФИАН, Москва, Россия, 08−10 октября 2008 г.
10. XXVIII Европейская конференция по нелинейной оптике и спектроскопии ECONOS-2009, Фраскати, Италия, май 2009 г.
11. 10-я Международная Научно-Техническая Конференция «Оптические методы исследования потоков» (ОМИП-2009), Московский энергетический институт (технический университет), Москва, РФ, 23 — 26 июня 2009 г.
12. XX Европейская конференция по нелинейной оптике и спектроскопии ECONOS-2011, Энсхеде, Нидерланды, май 2011 г.
13. VIII Тихоокеанский Симпозиум по Визуализации Течений и Обработке Изображений (PSFVIP-8), Москва, РФ, 21−25 августа 2011 г.
Выводы к Главе 4.
Проведение измерений? непосредственно вкислородно-водородном пламени позволило-, продвинутся? в область, высоких температур >1800″ К и получить данные, недоступные в>юоветных измерениях.. — ''. ¦
Дляанализа контура спектральной линии: использовалсяинтерферометр Фабриlcpo (ИФП). Обработка интерферограмм: включала: определение центров, усреднение, по углу, приведение интерферограмм к Эйри-подобному профилю, учитывая тем, самым распределение-интенсивности в пучке, возможную — широкополоснуюзасветку и шумы приемника, подгонку экспериментальных профилей сверткой? аппаратнойфункцииинтерферометра (Эйри) спрофилем однородно уширенного перехода (Лоренц): В результате обработки и анализа обширного массива-экспериментальных интерферограмм КАРС, записанных для линий б/, Оз, 0.5, 0.7, б? р, была получена информация-.о параметрах контуров спектральных линий (центральная" частота, ширина) в: диапазоне давлений- 10 — ЮО. ш/ш и темнсратур-2000 — 3500 К. ' .
Температура, определялась из широкополосных КАРС-спектроъ: Для первичной, оценки температуры То использовалась экстраполяция данных по коэффициентам уширения линий водорода водой, полученных в кюветных измерениях в температурном диапазоне 600 — 1800 К, в область высоких температур (-2000;3500 К) и специальная итерационная процедура. На основании полученных значений температуры То и Также на основе этих измерений были получены данные о температурных зависимостях коэффициентов столкновительного сдвига при этих же условиях [55]: .. 1()0 измеренных значений давления в ИКВД, делались оценки концентрационного состава продуктов сгорания на основе расчета адиабатического горения кислородно-водородной смесикаждому широкополосному КАРС-спектру ставился в соответствие набор параметров (температура, давление, концентрации продуктов), характеризующих условия эксперимента в этой реализации и — ширинаспектральной линииконтур которой анализировался в этом эксперименте. После группировкивсего массива данных по признаку одинаковости реализующихся в ИКВД условий, удавалось собрать /-зависимостш ширин контуров спектральных линий, соответствующие каждой реализации широкополосного КАРС-спектра. Эти экспериментальные /" -зависимости ширин линий использовались для корректного измерения /температуры в каждой — реализации. Учет измеренной в данной работе /-зависимости ширин линий позволил уменьшить систематическую ошибку (с ~20−30'% до ~ 3−5%) в определении газовой температуры в Я/С^-пламенах, основанном на измерениях интегральных интенсивностей. линий КАРС-спектров С?-ветви водорода.
Оценка^ коэффициента диффузии показала, что основной вклад в уширение линии при реализующихся ¡-условиях внутрикамеры сгорания дает столкновительное уширение. На основе измерений ширин отдельных линий О-ветви. молекул водорода, обусловленных столкновениями’с молекулами воды в диапазоне температур>2000<�Г<3500 К и плотностей 1 <р<6 Амага, получены температурные зависимости коэффициентов. уширения линий с /=1,3,5,7,9. Измеренные коэффициентыуширениясогласуются с экстраполяциями в? область высоких^ температур результатов, полученных в> стационарной кювете при температурах 600−1800 К. Однако поведение опорных кривых, проведенных через экспериментальные" значения коэффициентов, уширения может означать, что следует уточнить вид закона температурной зависимости коэффициентов уширения для наилучшего аналитического описания наблюдаемых экспериментальных данных.
Полученные данные, в совокупности с кюветными измерениями, могут быть использованы-в практических приложениях по термометрии водородосодержащих смесей в диапазоне температур от 300 до 3500 К.
Заключение
.
В работе получены следующие основные результаты:
1. Измерены ширины и коэффициенты уширения линий О-ветви молекул водорода, обусловленные столкновениями с молекулами воды в температурном диапазоне 2000;3500 К (/=1,3,5,7,9).
2. Проведен анализ влияния спектральных шумов лазеров накачки на форму контура отдельной линии КАРС-сисктра, регистрируемого с помощью интерферометра Фабри-Перо за один лазерный импульс (~ 10 нсек) в схемах широкополосного и двойного широкополосного КАРС Показано, что даже в случае ограниченной ширины спектров лазеров (~1 см1), применение схемы двойного широкополосного КАРС за счет усреднения шумов в спектре бигармонической накачки уменьшает искажения формы контура (дисперсия значений ширин контура, измеренным по 100 импульсам уменьшается в 3 раза) и позволяет реализовать аппаратурное спектральное разрешение ОД см'1.
3. Для определения параметров контуров спектральных линий КАРС, регистрируемых с помощью интерферометра Фабри-Перо, разработаны алгоритмы и созданы программы обработки интерферограмм, включающие в себя: а) определение центров симметрии и усреднение по углу пространственной двухмерной картины интерференционных колец, приводящее к одномерному распределению интенсивностей4 по радиусуб) определение ширин контуров отдельных спектральных линий путем подгонки спектральных профилей интерференционных. полос сверткой функций Эйри и Лоренца.
4. Проведены измерения температур в кислородно-водородном пламени камеры сгорания высокого давления и показано, что учет измеренных в данной работе 3-зависимостей ширин линий молекул водорода в диапазоне температур 2000 — 3500 К уменьшает систематическую ошибку в определении газовой температуры в Д/Ог-пламенах, основанном на измерениях интегральных интенсивностей линий КАРС спектров О-ветви водорода, на 20−30%.
5. Применение импульсной кислородно-водородной камеры сгорания высокого давления (20−200 агпм. при температурах 2000;3500 К) позволило создать условия, когда столкновительная ширина спектральных линий водорода при высоких температурах обусловлена, главным образом, столкновениями с молекулами воды. Показано, что работа ИКВД стабильна, а условия внутри воспроизводимы от импульса к импульсу.
6. Для реализации оптической схемы двойного широкополосного КАРС, были модифицированы канал измерения температуры и канал определения параметров контура спектральной линииа также канал измерения давления был дополнен двухканальным АЦП, и была создана в среде Lab View программа чтения с АЦП отклика датчика давления и фотодиода.
