燃烧诊断作业.docx

1 近红外吸收光谱实验报告1. 基本理论由于各种物质分子内部结构的不同，分子的能级也千差万别，各种能级之间的间隔也互不相同，这样就决定了它们对不同波长光线的选择吸收，某物质的吸收光谱反映了它在不同的光谱区域内吸收能力的分布情况，能量在4000400cm-1的红外光不足以使样品产生分子电子能级的跃迁，而只能引起振动能级与转动能级的跃迁，故红外光谱又称振动光谱。由于振动能级跃迁的同时，不可避免的伴随转动能级的变化，因此，红外光谱也称为带光谱，分子在振动和转动过程中，只有伴随净的偶极矩变化的振动才有红外活性，因为分子振动伴随偶极矩改变时，分子内电荷分布变化会产生交变电场，当其频率与入射辐射电磁波频率相等时才会产生红外吸收，近红外光区0.752.5m的吸收主要是由低能电子跃迁，含氢原子团伸缩振动的倍频吸收而产生的，另外，互相关法科学的给出了判定相关的法则，本次实验即就是利用TDLAS技术（可调谐二极管激光吸收光谱技术的简称）结合互相关法测量发动机出口处的流场速度。2. 实验内容从RBCC发动机出口流场速度的测定出发，通过在发动机出口流场方向上下游设置两束固定波长7189.597nm的平行激光，对两台探测器探测得到的信号脉动进行互相关分析，获得互相关渡越时间，并结合两束平行激光的间距，从而计算得到RBCC发动机出口流场速度。3. 实验系统示意图图1 实验系统示意图实验系统简述：在本次实验中，两束平行的激光束间的距离为28mm，靠近发动机出口平面的激光距离发动机出口的距离为15mm，两束平行的激光所在的平面距离发动机的底面的距离为50mm。4. 实验工况利用波长计可测得本次实验中所采用的激光器及参数设置，另外表1也给出了本次实验的来流模拟系统。表1激光器设定温度屏显温度设定电流来流空气总压来流空气总温来流空气流量模拟飞行高度采样频率一次火箭流量一次火箭氧燃比1392nm26.1C25.97C41.1mA1.7MPa1520K3kgs25km5MHz120gs1.065. 数据处理方法本文对采到的信号基于origin软件，绘制出截取的部分时间段的激光探测强度随时间的变化趋势，为了得到发动机出口的流场速度，对工况点的探测器信号进行放大，以便方便快捷的寻找到互相关的点，在此次实验中，均选取的是处于波峰时刻的点进行分析，利用互相关的波峰点的行数差，求解同一个脉冲信号经过前后两个光电探测器的时间差，进而，利用速度，时间与路程的关系，求解此脉冲的速度。6. 实验结果由于实验测得的数据较为庞大，故仅对其中的部分时间信号进行分析计算。取6个时间段分别为5.395-5.405s,5.8-5.802s,6.3-6.302s,7.3-7.302s,7.8-7.802s,8.8-8.802s，它们的激光光强探测信号如图2所示：(a) 5.395-5.405s (b) 5.8-5.802s(c) 6.3000-6.3020s (d) 7.3000-7.3020s(e) 7.8000-7.8020s (f) 8.8000-8.8020s图2 不同时间段的激光光强探测信号为便于读取互相关点，分别对上述6个时间段中最高波峰处进行分析。与上述6个时间段对应的波峰附近的信号如图3（典型工况点探测器信号放大图）所示：(a) 5.395-5.405s (b) 5.8-5.802s(c) 6.3000-6.3020s (d) 7.3000-7.3020s(e) 7.8000-7.8020s (f) 8.8000-8.8020s图3 不同时间段最高波峰处的激光光强探测信号（典型工况点探测器信号放大图）按照顺序，分别记各个图中的最高波峰为位置一，位置二，位置三，位置四，位置五，位置六，通过读取相应的互相关点行数差可得结果如表2：表2信号1信号2时间差（s）速度(m/s)位置一5.3968485.396864599999990.00001661681.7位置二5.80011965.800139399999990.00001981414.1位置三6.3007216.300742999999990.0000221272.7位置四7.30134747.30135299999999980.00000565000位置五7.80035960000000027.80039139999999960.0000318880.5031位置六8.80041699999999958.80044859999999930.0000316886.07592 拉曼散射计算计算过程：（1） 光学系统采集到的拉曼光子数：（2） 对于Stokes散射过程，平均取向的张量元由下式给出， 对于，已经给出，可以得到上式的值。当转动量子数J较大时，Placzek系数接近与其渐进极限，则zz张量分量为激光辐照度对Q分支拉曼信号有贡献的分子数约等于探测体积内的分子数，在500K时，基本上所有的分子都处于振动基态，假设采集所有的Q分支拉曼信号，则响应的频率为z方向的散射强度两个方向的散射强度为（3） 光学收集系统接收到的光子数为3 金属铝燃烧实验研究情况一、金属铝的燃烧特性处于溶融层中的单个铝粒子有的可能离开燃烧表面, 在气相中点火燃烧, 有的则可能在推进剂燃面点火燃烧。但一般情况下, 这类单个燃烧的铝粒子只占少数, 大多数铝粒子在熔融层中发生积累。积累铝粒在熔融层中被加热, 当温度达到铝的熔点(933 K) 时, 铝开始熔化。由于铝的热胀系数比氧化铝大, 氧化膜出现裂缝, 内部铝逸出。逸出铝作为“焊桥” ,将相互接触的单个铝粒相互粘结在一起, 形成铝的凝聚物。随着燃烧时间的增长, 推进剂燃面后退, 铝凝团从推进剂内部裸露出来, 在火焰区的高温下(1300 K)发生点火燃烧。二、铝燃烧的理论模拟模型第一类为半经验模型。模型通过对燃烧机理进行了大量的简化和假设来简化计算量，采用的是总包反应动力学的研究方式。模型得到的是较为简单的微分方程组，可以通过编程来求解，方便地计算燃烧时间、火焰温度、颗粒质量等参数随时间的变化，但这类模型不能计算出燃烧过程中的组分分布和变化，目前这类模型一般是针对单颗粒铝的燃烧建立的，尚未见铝颗粒云团的半经验模型。第二类是化学机理模型。模型基于气相反应动力学机理，考虑铝燃烧过程中涉及的所有基元反应来进行计算。通常用商业的化学动力学软件如Chemkin 来进行求解计算，可以得到反应过程中任意时刻的温度和化学组分变化和分布。一般也是针对单颗粒铝的燃烧进行研究，通常是二维模型。第三类是CFD 模型。这类模型计算的对象是铝颗粒云团在管道中与氧化剂的两相流动燃烧。可以模拟管内压力场、浓度场、两相流速度场、火焰传播情况等，目前只见二维模型的模拟。4 金属燃烧实验报告一、实验目的光学实验是实践性很强的，而实验过程对培养学生思维和动手能力、掌握具体工作程序和内容起着相当重要的作用。实习目的与要求是熟练掌握常用测量仪器的使用，认识并了解光谱仪器的用途与功能。这次的金属燃烧实验是燃烧诊断学课程理论教学和实验教学相结合的一次实践，目的在于：1、通过实验，掌握实验的原理及方法,进一步巩固和加深对课程基本知识的理解并使之系统化、整体化；2、学会使用光学分析仪器高灵敏光谱仪，了解其大概参数的意义；3、为了揭示无定形硼粉、镁粉和铝粉在空气中的的燃烧特性，利用激光点火系统研究它们的燃烧过程，采用先进的光纤光谱仪分析燃烧过程中的发射光谱。通过对推进剂中常用含能粒子硼、镁、铝燃烧时的发射光谱的观察，定性了解推断这三类粒子添加剂燃烧的过程。二、实验原理1、基本理论：原子发射光谱法（AES， atomic emission spectroscopy）根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线，对元素进行定性与定量分析的方法，是光谱学各个分支中最为古老的一种。物质是由各种元素的原子组成的，原子有结构紧密的原子核，核外围绕着不断运动的电子，电子处在一定的能级上，具有一定的能量。从整个原子来看，在一定的运动状态下，它也是处在一定的能级上，具有一定的能量。在一般情况下，大多数原子处在最低的能级状态，即基态。基态原子在激发光源（即外界能量）的作用下，获得足够的能量，外层电子跃迁到较高能级状态的激发态，这个过程叫激发。处在激发态的原子是很不稳定的，在极短的时间内外层电子便跃迁回基态或其它较低的能态而释放出多余的能量。释放能量的方式可以是通过与其它粒子的碰撞，进行能量的传递，这是无辐射跃迁，也可以以一定波长的电磁波形式辐射出去，其释放的能量及辐射线的波长（频率）要符合波尔的能量定律。此次实验中，三种物质在空气（只要是氮氧环境）中燃烧，与空气中的氧气进行反应，也可能与主要成分氮气进行化学反应。在反应生成新物质的过程中，由于原子能量的变化，会释放能量，产生辐射。利用摄谱仪进行探测。2、实验系统及仪器图1 激光点火燃烧实验系统CO2激光器：我们采用CO2激光器点火装置对试样进行点火，在变压器升压后，对激光管中CO2放电，气体分子受激辐射，产生波长在10.6微米左右的红外光。激光器最大功率300W，功率大小连续可调；采用水冷。光谱仪：海洋光学产的PG2000-Pro高灵敏光谱仪，0.13纳米的高光学分辨率，3.8毫秒的积分时间。计算机：实现对激光器功率的调节和启动，以及对发射光谱的采集。反射镜：采用树脂类镀膜镜片。激光能量高，一般发射镜容易被烧蚀，且透光性不好。聚焦透镜：汇聚激光，上下移动可调节光斑大小（光是看不见的），实现单位面积具有较高的能量。耐高温坩埚：装填试样，燃烧，辐射源。三、实验内容1、结合课本，事先对发射光谱进行了解；2、实验系统的安装，对实验设备进行了解；3、对推进剂中常用粒子添加剂铝、镁、硼分别进行激光点火燃烧实验；4、观察实验现象，并进行数据采集；5、实验数据的筛选和分析。四、实验步骤1、实验系统安装（已事先组装好）；2、调节激光器的输出功率大小，计算机上设定激光器工作时长，设定为1秒；3、预先启动激光器，使其在纸板上留下痕迹以便调节激光直径和定位；4、用小勺取少量金属粉末试样，装在耐高温的陶瓷坩埚中；5、将坩埚置于纸板上激光器烧灼的痕迹处；6、点火前各仪器准备就绪，点击计算机，开始采集数据，同时启动点火，保证点火和数据采集尽量同步，待激光器停止工作后停止采集数据。7、对每种试样实验2次；8、实验结束，收拾整理设备离开。五、实验结果1、实验现象：三种试样，燃烧都十分剧烈，有明显火焰产生。硼粉燃烧，有明亮的白炽色火焰，燃烧时可观察到有绿色火焰。最后坩埚炸开。铝粉燃烧，燃烧剧烈，产生呈橘黄色火焰，最后观察到坩埚中留下小的固体块。镁粉燃烧，燃烧剧烈，产生刺眼的白光。2、采集的光谱未知试样谱线图图2 文件夹1的数据图3 文件夹2的数据图4 文件夹3的数据注：文件夹1、2、3是未知的（实验时，忘记是取用的哪种试样），因次用后三组已知的试样的谱线图来判别文件夹1、2、3的谱线图分别是属于哪一种粉末的。已知试样谱线图图5 B粉燃烧光谱图图6 Al粉燃烧光谱图图7 Mg粉燃烧光谱图以上谱线图均是用OriginLab软件，根据实验采集到的数据进行绘制的。之后的数据分析结果是在此光谱图上进行的。六、实验结果分析与讨论1、观察每组谱线图，发现一般都会有这三个明显的峰：波长分别是589.3nm、767.13nm、774.19nm左右。发现，这就是钠原子的发射光谱，从每组实验现象中会发现，火焰呈橘黄色，即是钠的焰色反应。而且，这三个波长的光强度是最强的。符合实验观察到的现象。2、观察B粉的燃烧光谱图，发现与钠的光谱强度相比，光强度明显较低。但是仍然可以观察到几个峰值。对光谱线放大，找到这些光强峰处的波长值（nm），分别是：光强较强的有，496.1、519.22、548.65、580.11。光强较弱的有，603.54、620.37、641。再对文件夹1的谱线进行分析，同样找出哪些峰值处波长，跟别为：496、519、544.5、551.8、578、582.8、585.3、602.9、620.7、640。进行对比，发现，这个应该是B粉燃烧的光谱。光强峰值比较吻合，但是文件夹1的光谱中，光强明显强于图5的B粉的燃烧光谱强度。还有，图5的峰值个数多余文件夹1的光谱中的个数。导致的原因是：图5中光谱强度叫大，在同一个峰值附近由于干扰以及光强达到满量程，所以导致一个峰值分成了两三个。对于文件夹1的光谱，应该是544.5和551.8是一个峰，578、582.8以及585.3是一个峰值。综合起来看，B粉燃烧时的发射光谱波长是：496.1、519.22、548.65、580.11、603.54、620.37、641。结合其它实验：无定形硼粉在纯氧中燃烧。得出谱线图，波长452，471，492.9，518.1，547.1，579.1，603，620.2和637.7nm 处对应的波峰为B燃烧时生成物的发射光谱。相比较，我们实验没有读取前两个数据，即波长452，471。主要原因是我们的实验是在空气中燃烧的，所以前两个波长处的光强相比其它波长处不是很明显，故我们的实验与实际情况还是比较吻合的。3、观察Al粉燃烧的谱线图，也存在几个比较明显的峰值，波长489，513，544.7，以及主峰值在波长670nm处。与B粉燃烧得到的谱线的最大不同之处在于，Al粉燃烧其发射光谱波长更加连续，而B粉燃烧有其特征，几个明显的峰值。再反观Al粉燃烧，在波长489，513，544.7处的几个峰，可能只是连续谱线上升中信号采集不稳定或这三个波长的光的干扰。由此，发现Al粉燃烧过程比较简单。而B粉的燃烧过程，是非常复杂的。硼在氧化性气氛点火和燃烧过程中会释放出各种中间产物，例如BO，BO2，B2O3 等，硼的能量释放特性与这些反应产物存在莫大关系。比较文件夹2的谱线图，比较类似，猜测其是Al粉燃烧的谱线图。测其几个波峰处的波长，分别为：497，520，550，582。以及主波峰是在740nm处，与Al