利用辐射光谱法在线测量固体火箭推进剂燃烧温度

针对固体火箭发动机恶劣环境下的高温燃烧测量问题,提出了利用辐射光谱法来开展固体火箭推进剂燃烧温度在线测量的方法,采用200～1 100 nm光纤光谱仪测量了高压实验燃烧器下固体火箭推进剂燃烧火焰辐射光谱,总结了其光谱特性,并基于普朗克定律和光谱拟合方法获得了相应的推进剂燃烧温度,这对固体火箭推进剂燃烧诊断与燃烧机理研究具有重要的参考价值。     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准Φ118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%,15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

利用辐射光谱法在线测量固体火箭推进剂燃烧温度（英文）

针对固体火箭发动机恶劣环境下的高温燃烧测量问题,提出了利用辐射光谱法来开展固体火箭推进剂燃烧温度在线测量的方法,采用200～1 100nm光纤光谱仪测量了高压实验燃烧器下固体火箭推进剂燃烧火焰辐射光谱,总结了其光谱特性,并基于普朗克定律和光谱拟合方法获得了相应的推进剂燃烧温度,这对固体火箭推进剂燃烧诊断与燃烧机理研究具有重要的参考价值。     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究（英文）

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准?118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%, 15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

燃烧状态及煤粉粒径对火焰光谱的影响

本文利用CCD光纤光谱仪,对不同燃烧状态下的煤粉火焰光谱进行测量。发现通过光谱法测得的火焰温度和使用热电偶测得的火焰温度存在一定的偏差。光谱法的温度较热电偶的温度高100-700℃,燃烧条件变差时热电偶的温度下降,光谱法的温度升高,两者偏差增大,光谱法温度的波动范围增加。随着一次风煤粉浓度下降, K的发射谱线强度下降。相同燃烧条件下,煤粉细度提高使得光谱法测得的温度下降,温度波动加剧。     

火焰特征辐射谱线测温方法实验研究

本文利用CCD光纤光谱仪,对不同燃烧状态下的煤粉火焰辐射光谱进行测量.发现通过辐射光谱法测量的火焰温度和使用热电偶测量的火焰温度存在一定的偏差.光谱法的温度较热电偶的温度高约60～160℃,沿火焰行程,热电偶和光谱法测量的火焰温度存在较大的特性差异,光谱法测得的火焰温度沿火焰行程基本不变.同时,光谱法火焰温度的高低受到煤质特性,空气湿度,燃烧过程中的散热条件等因素的影响.     

火焰特征发射谱线研究

本文利用CCD光纤光谱仪,通过实验确定了木基燃料燃烧火焰光谱中出现的特征谱线是K,Na 的原子发射谱线,测定了特征谱线出现时的火焰温度,指出可以通过特征谱线的出现与否来确定火焰的温度范围。还发现火焰的光谱形状和火焰的燃烧状态密切相关,包含大量和燃烧有关的信息,并且对煤烟颗粒有较强的抗干扰性。通过对火焰光谱形状的分析可判断出火焰的燃烧状况,进行燃烧诊断。     

碳氢扩散火焰实验研究：燃烧气氛对火焰光谱与温度的影响

辐射是各种燃烧过程中热传递的主要方式。在不同的火焰中,辐射光谱分布十分复杂。在这项工作中,利用光谱仪测量了可见光(200～900 nm),近红外(900～1 700 nm)和中红外(2 500～5 000 nm)波段火焰的光谱强度,分析了空气和富氧气氛下扩散火焰的光谱特征。并基于光谱分析,定量得到了火焰中碳烟以及气体发射的辐射力,计算了火焰的温度分布。结果表明,空气燃烧中的火焰温度低于富氧燃烧中的火焰温度。在空气气氛下,火焰中的碳烟和气体均对中的热辐射起着重要作用。而在富氧气氛下,气体对于火焰热辐射更为重要。在可见光和近红外波段,由于在空气气氛下火焰中碳烟的大量形成,光谱曲线显示出了良好连续性。而富氧气氛下火焰的辐射光谱降低。在中红外波段,空气气氛下火焰的气体辐射明显弱于富氧气氛下火焰的气体辐射。     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示：温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100 nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

原子发射双谱线法测火焰温度的实验研究

通过光谱仪测量火焰中K(766.5,769.9 nm)原子发射谱线的相对强度比来获得火焰温度。介绍了测量原理、测量方法、实验系统。在黑体炉炉膛达到热力学平衡状态下,进行原子发射双谱线法和热电偶测温的对比实验,结果两种方法所测温度相关性较好,实验证明了该方法的可行性。用该方法测量煤粉和木材的火焰温度,结果和实际相符合。     

光谱法测量煤粉火焰温度和黑度的研究

利用由ＣＣＤ线阵组成的微型光纤光谱仪研制了现场火焰光谱测量装置。通过测量３５０ＭＷ电站锅炉的煤粉火焰从 ５３３ｎｍ至１０５０ｎｍ波段的辐射光谱,发现煤粉火焰的辐射非常接近灰体辐射。根据这一特点,从维恩公式出发,利用最优化方法处理测得的火焰辐射光谱信号,得到了火焰的温度和黑度。     

Measurement of radiative gas and particle emissions in biomass flames

Radiation is the dominant mode of heat transfer near the burner of coal and biomass-fired boilers. Predicting and measuring heat transfer is critical to the design and operation of new boiler concepts. The individual contributions of gas and particle phases are dependent on gas and particle concentration, particle size, and gas and particle temperature which vary with location relative to the flame. A method for measuring the contributions of both gas and particle radiation capable of being applied in harsh high temperature and pressure environments has been demonstrated using emission from particles and water vapor using an optical fiber probe transmitting a signal to a Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer. The method was demonstrated in four environments of varying gas and particle loading using natural gas and pulverized wood flames in a down-fired 130?kW_th cylindrical reactor. The method generates a gas and particle temperature, gas concentrations (H₂O and CO₂), total gas and particle intensities, and gas and particle total effective emissivity from line-of-sight emission measurements. For the conditions measured, downstream of the luminous flame zone, water vapor and CO₂ radiation were the dominant modes of heat transfer (effective emissivity 0.13–0.19) with particles making a minor contribution (effective emissivity 0.01–0.02). Within a lean natural gas flame, soot emission was low (effective emissivity 0.02) compared to gas (0.14) but within a luminous flame of burning wood particles (500?µm mean diameter) the particles (soot and burning wood) produced a higher effective emissivity (0.17) than the gas (0.12). The measurement technique was therefore found to be effective for several types of combustion environments.     

单只水平浓缩煤粉燃烧器在1MW燃烧试验台上的试验研究

单只水平浓缩煤粉燃烧器在１ＭＷ燃烧试验台上的试验研究孙绍增，吴少华，李争起，杨明新，王新雷，陈力哲，庞丽君，邢春礼，朱彤，孙恩召，秦裕琨（哈尔滨工业大学动力工程系哈尔滨１５０００１）关键词：水平浓淡燃烧，煤粉燃烧器，稳燃，低ＮＯ_ｘ一、引言电力工业对?..     

氧气顶炉口火焰温度多光谱分析

采用多波长分析方法测量氧气顶回转炉口火焰温度的研究。在该方法中,采用USB4000型光纤光谱仪测量火焰在可见光波长范围内的火焰辐射光谱,结合Levenberg-Marquardt最优化算法,得到火焰温度和单色辐射率变化规律。本文还提出了采用小波神经网络处理多光谱测温数据,该方法可以取消发射率与波长之间的假设模型,是一种获得目标真温及发射率行之有效的方法。网络中隐含层的神经元是由S函数和Morlet小波函数的乘积组合构成,在逼近火焰温度中具有良好的表现。     

Using spectral distribution of radiance temperature and relative emissivity for determination of the true temperature of opaque materials

A method for determining the thermodynamic (true) temperature of opaque materials by the registered spectrum of thermal radiation under the conditions when we do not know emissivity of a free-radiating body is presented. A special function, which is a product of relative emissivity of tungsten by the radiation wavelength, was used as the input data. The accuracy of results is analyzed. It is shown that when using relative emissivity, the proposed algorithm can be used both within the range of applicability of the Wien approximation and the Planck formula.     

KClO_4/Zr在石英管内的燃烧发射光谱与燃烧产物分析

为了研究燃烧条件对KClO_4/Zr烟火剂燃烧过程中光辐射性能的影响,考察了KClO_4/Zr在开放环境和不同规格封闭石英管内的燃烧发射光谱和燃烧产物。借助光纤光谱仪、光电二极管和示波器测试了烟火剂燃烧过程中的光辐射能量分布和闪光时间-强度曲线,分析了所得发射光谱在(590±10),(750±10)和(808±10)nm三个主吸收波段内的光谱效率,借助SEM表征了不同燃烧条件下KClO_4/Zr燃烧产物的形貌。结果表明:在开放条件下燃烧时,KClO_4/Zr的燃烧发射光谱在可见光到近红外的宽波段内,最强辐射出现在730~820nm波段。在石英管内封闭燃烧时,随着石英管体积的减少,在石英管外检测到的燃烧发射光谱强度逐渐减弱,光谱能量分布也呈现不同的变化规律,而且对火焰发射光谱分布进行处理后,随着石英管体积的变化,得到(590±10),(750±10)和(808±10)nm波段的光谱效率也呈现不同的变化规律。但是,随着石英管体积的减少,KClO_4/Zr烟火剂的爆燃闪光辐射时间逐渐缩短,峰值辐射强度逐渐提高。增加石英管的直径,有利于在管外获得更高的有效光辐射能量,减少石英管的直径,则有利于提高烟火剂的峰值辐射强度。随着管直径的增大,KClO_4燃烧更加充分,产物粒径较小,呈规则的球状。而管长度的改变对反应并无太大影响。     

Spherical turbulent flame propagation of pulverized coal particle clouds in an O2/N2 atmosphere

The present study aims to clarify the effects of turbulence intensity and coal concentration on the spherical turbulent flame propagation of a pulverized coal particle cloud. A unique experimental apparatus was developed in which coal particles can be dispersed homogeneously in a turbulent flow field generated by two fans. Experiments on spherical turbulent flame propagation of pulverized coal particle clouds in a constant volume spherical chamber in various turbulence intensities and coal concentrations were conducted. A common bituminous coal was used in the present study. The flame propagation velocity was obtained from an analysis of flame propagation images taken using a high-speed camera. It was found that the flame propagation velocity increased with increasing flame radius. The flame propagation velocity increases as the turbulence intensity increases. Similar trends were observed in spherical flames using gaseous fuel. The coal concentration has a weak effect on the flame propagation velocity, which is unique to pulverized coal combustions in a turbulent field. These are the first reports of experimental results for the spherical turbulent flame propagation behavior of pulverized coal particle clouds. The results obtained in the present study are obviously different from those of previous pulverized coal combustion studies and any other results of gaseous fuel combustion research.     

CS2燃烧火焰光谱辐射模型的构建与特征污染产物浓度反演研究

CS₂在当今化工等领域占据了重要地位,而CS₂火灾污染事故危害性极大。通过研究CS₂燃烧火焰光谱辐射以探究其火灾污染特性极为必要。搭建了CS₂燃烧火焰光谱测试平台,采用黑体辐射源对VSR仪器进行了标定,通过多用途傅里叶变换(VSR)红外光谱辐射仪测试了5,10和20 cm三种燃烧尺度下CS₂燃烧的火焰光谱,并通过热电偶测试了整个燃烧时间段内不同燃烧时刻下的火焰温度,以及在火焰上方安装了烟气分析仪对火焰中的燃烧产物浓度进行监测。测量了CS₂整个燃烧时间段内火焰温度,以及不同燃烧时间、不同燃烧尺度下的火焰光谱、燃烧产物组分信息。测试结果表明,CS₂火焰中主要含有高温SO₂,CO₂,CO气体和空气中卷入的H₂O分子,并获取了特征污染产物SO₂的浓度。由于现有光谱仪测量分辨率有限,室内实验测量的火焰尺度有限,为了能实现火灾在线监测需要建立一个火焰光谱辐射模型来反演CS₂火灾时的污染物浓度相关信息。基于HITRAN数据库可知在2.7 μm附近为高温水蒸气的发射峰,4.2 μm附近特征峰为高温CO₂气体的发射峰,4.7 μm附近有CO微弱的发射峰,在7.4 μm附近特征峰为高温SO₂气体的发射峰,并获得了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O气体在火焰燃烧相同温度下的吸收系数,通过计算得到了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O混合气体的透过率与发射率,并结合气体辐射传输方程、气体吸收系数等方程,创建了CS₂燃烧的火焰光谱辐射模型。利用该光谱辐射模型反演了不同燃烧时间下特征污染产物SO₂的浓度,并与实验测得的数据进行了对比分析。结果表明,该模型精度高,可用于燃烧产物浓度的定量化反演,SO₂分子含量在燃烧时间20,40,60和80 s时的反演精度分别是89.5%,82.5%,85.6%和86.5%。为遥感反演CS₂型大尺度火灾中燃烧产物的浓度奠定基础。