Карс-диагностика газовых потоков, разрядов и процессов горения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.438

КАРС-ДИАГНОСТИКА ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ, РАЗРЯДОВ И ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

© 2007 К. А. Верещагин, Д. Н. Козлов, В. В. Смирнов,

О. М. Стельмах, В. И. Фабелинский

Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, г. Москва

Обсуждаются вопросы, связанные с применением нелинейно оптического метода спектроскопии рассеяния КАРС в исследованиях газовых потоков, пламен и разрядов. Показано, что с помощью этого метода невозмущающей локальной диагностики можно получать не только качественную, но и количественную информацию о частотах и уширениях линий в спектрах рассеяния молекулярных переходов, о функциях распределений молекул по состояниям, температурах в диапазоне 10 - 4000 К, а также о процессах распределения и передачи молекулярной энергии.

Для определения газовых параметров наряду со спектроскопическими данными молекул очень важно обладать также и информацией о сдвиге и уширении молекулярных переходов. С целью получения информации такого рода в ИОФ РАН был создан уникальный ИК-КАРС-спектрометр высокого разрешения, и впервые были одновременно записаны инфракрасные спектры поглощения и спектры когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС). С этим спектрометром была получена обширная информация о структуре колебательно-вращательных уровней энергии многих молекул, обеспечив необходимую базу данных для количественно-

го анализа и газовой термометрии [1]. На рис. 1 показаны полностью разрешенный КАРС-спектр Q-ветви колебания у1 и ИК-спектр 0-ветви колебания у3 молекулы

740еН4.

При исследовании уширения спектральных линий молекулярных газов в диапазоне давлений от 0,01 до 100 атм была изучена столкновительная динамика различных молекул. Эти результаты также обеспечивают необходимое основание для правильных процедур измерения газовой плотности и температуры.

Развитые методы импульсного возбуждения и КАРС-зондирования (с временным

Рис. 1. Полностью разрешенный КАРС-спектр 0-ветви колебания V (верхний спектр) и ИК-спектр 0-ветви колебания v3 (нижний спектр) молекулы 74ОвИ4

разрешением ~10-8 сек) оказались очень эффективными для исследований временной эволюции распределения молекулярной энергии между внутренними (колебательной и вращательный) степенями свободы и исследований по-уровневой кинетики возбужденных молекулярных систем [2]. Так, были измерены константы скоростей столкновитель-ного колебательно-колебательного обмена в N и в 8Б6, являвшиеся (как известно из литературы), соответственно, самой низкой и самой высокой из скоростей этих процессов.

На рис. 2а,б приведены спектры колебательно-вращательных переходов молекул азота, возбужденных в разряде. Показано временное поведение функции распределения по колебательным уровням. Спектры с разрешенной вращательной структурой позволяют измерять в той же самой точке разряда вращательную функцию распределения и получить вращательную (при 100 тор равную поступательной), температуру Т = 328 К.

Проводились совместные эксперименты с Центральным Институтом Аэрогидродинамики (ЦАГИ), в которых были выполнены диагностика сверхзвуковых газовых потоков и термометрия пламени смесей Н2/воздух в высокотемпературной сверхзвуковой камере сгорания [3]. Изучались харак-

терные особенности сильно охлажденных (до 10 К) сверхзвуковых струй с различными значениями числа Кнудсена. При этом экспериментально наблюдалось преобразование типа потока от вращательно-неравновесного до потока с явно выраженными признаками процессов конденсации [4]. На рис. 3 показаны населенности вращательных уровней. Вращательные температуры не равны поступательной и, кроме того, различны для четных и нечетных спиновых модификаций молекул азота.

Исследовались условия смешивания газов и передача колебательного возбуждения от одного газа многокомпонентного сверхзвукового потока к другому. Для этих целей была создана полномасштабная установка, обеспечивающая смешение компонентов смеси (с предварительным возбуждением в разряде одного из газов) в дозвуковом потоке и последующее сверхзвуковое истечение. Энергия, содержавшаяся во внутренних степенях свободы молекул в потоке, измерялась на основе КАРС-спектров.

На рис. 4 показана передача колебательной энергии от азота, возбужденного в разряде, к молекулам СО. В зависимости от условий смешивания газов эффективность передачи энергии была различной.

Рис. 2. Спектры колебательно-вращательных переходов молекул азота, возбужденных в разряде, и соответствующие функции распределения по колебательным (а) и вращательным (б) уровням энергии

Рис. 3. Населенности вращательных уровней. Вращательные температуры не равны поступательной и, кроме того, различны для четных и нечетных спиновых модификаций молекул азота

В совместной измерительной компании ОNERA (Франция), ИОФ РАН (Россия) и DLR (Германия), на стендах ОNERA было промерено пространственное распределение температуры внутри камеры сгорания (жидкий O2/газообразный Н2) [5]. При диагностике турбулентных пламен по одной «рабочей» молекуле, в частности, по водороду, в течение теста весьма часто происходит потеря сигнала даже в одной и той же измерительной точке. Такое может случаться как за счет плохого смешения (нет водорода в точке измерения), так и за счет полного сгорания водорода (опять нет водорода в точке измерения). В первом случае в измерительном объеме не будет ни водорода, ни воды, тогда как во втором - пары воды должны присутствовать в значительном количестве. Поэтому мы применили комбинированное зондирование по двум «рабочим» молекулам сразу: горючее (водород) и продукт (вода). Одновременное КАРС-зондирование по молекулам Н2 и Н20 всегда дает информацию хотя бы по одной из молекул, и, следовательно, позволяет глубже и детальнее исследовать процессы смешения и горения. Отметим, что согласие между температурными профилями, полученными по Н2 и Н2О КАРС-спектрам (средние значения и стандартные отклонения),

было удовлетворительным, особенно в зоне, где сгорание частично закончено.

На рис. 5 представлены три КАРС-спек-тра молекул Н2 и Н20, полученные последовательно в трех лазерных вспышках (10-8 сек) в одной и той же точке камеры сгорания, ко -торые иллюстрируют расширенные возможности диагностики по двум «рабочим» молекулам.

На основе этих измерений были сделаны следующие заключения. Исследуемый поток был чрезвычайно турбулентным, что следует из величины флуктуаций, измеренных за одну лазерную вспышку («мгновенных») температур. Вдоль по газовому потоку стратификация значительна вблизи инжектора, но исчезает далее вниз по потоку по мере перемешивания компонентов.

Итак, представленные результаты показывают, что КАРС является мощным диагностическим инструментом. При этом успешному применению КАРС-диагностики к исследованиям технического горения должен предшествовать сбор основных молекулярных данных (как спектроскопических, так и кинетических), если для исследуемых пламен и «рабочих» молекул такие данные отсутствуют.

Исследовательская команда из ИОФ РАН обладает знаниями и опытом вкупе с

Рис. 4. К передаче колебательной энергии от азота, Рис. 5. КАРС-спектрымолекул Н и Н20, полученные

возбужденного в разряде, к молекулам СО

последовательно в трех лазерных вспышках (10-8 сек) в одной и той же точке камеры сгорания

необходимым оборудованием, чтобы обеспечить КАРС-диагностику и получение качественной и количественной информации как в фундаментальных исследованиях, так и в прикладных задачах диагностики химических составов, измерения распределения населенностей и температур в разрядах, химических ректорах, газовых потоках и технических камерах сгорания.

Список литературы

1. S. Yu. Volkov, D. N. Kozlov, V. V. Smirnov. High-resolution CARS-IR spectroscopy of spherical top molecules// Coherent Raman Spectroscopy/ Ed: G. Marowsky and V. V. Smirnov, Springer-Verlag, 1992. p.129-147.

2. S. I. Valyansky, K. A. Vereschagin, A. Yu. Volkov, V! V. Smirnov and V. I. Fabelinsky. CARS measurement of intra-mode V-V exchange rate constants of nitrogen // Chem.

Phys. Letts. 1990. v. 140. N1. p. 59-64.

3. K.A.Vereschagin, V.I.Ivanov, V.A.Sa-belnikov, V. V. Smirnov, O. M. Stel’makh, V. I. Fabelinsky, W. Clauss, M. Oschwald. Temperature measurements by CARS in hydrogen-fuelled scramjet combustor// Aerosp.Sci.Technol. 2001. v. 5. p. 347-355.

4. A. A. Ilyukhin, R. L. Pykhov, G. Marowsky and V. V. Smirnov. Rotational temperature behaviour in superconic jet expansions of nitrogen // Appl. Phys. 2000. B70. p.127-131.

5. F. Grisch, P. Bouchardy, L. Vingert, V. V. Smirnov, O. M. Stel’makh, W. Clauss, M. Oschwald. CARS Measurements at High Pressure in Cryogenic LOX/GH2 Jet Flames // Progress in Astronautics and Aeronautics/ed. V. Young, M. Habiballah, M. Popp and J. Hulka. 2004. v.200. Chap. 10. p. 369-404.

CARS DIAGNOSTIC OF GAS FLOW, ELECTRICAL CHARGE AND BURNING PROCESSES

© 2007 K. A. Vereshagin, D. N. Kozlov, V. V. Smirnov, O. M. Stelmakh, V. I. Fabelinski A.M. Prokhorov general physics institute Russian academy of sciences

It is described questions of CARS spectroscopy nonlinear optical method using in investigations of gas flows, burns and electrical charges. It is shown that the using of this local diagnostic method allows receiving not only quality information, but also quantitative data about frequencies and lines’ width in diffusion specters of molecular transitions, functions of molecule condition’s distribution, temperatures in range 10-4000K and about processes of molecule energy distribution and transmission.