激光诊断技术在民航中的应用

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1、激光诊断技术在航空发动机测试领域应用研究摘要：简要介绍了多种激光诊断技术在航空发动机测试领域的发展现状。关键词：激光诊断技术航空发动机测试1引言激光（LASER）是英语“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”的字头缩写，意思即是“通过受激辐射实现光放大”，是20世纪以来，人类的第四大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960年，美国休斯顿实验室的梅曼利用掺钕的红宝石晶体，用氙灯

2、泵浦，制造了世界上第一台激光器，激光才应运而生。我国科学家在激光器领域的早期工作并不落后，继梅曼一年之后，1961年夏天，中科院长春光机所的科学家就利用球形聚光器和直管氙灯，用自己制造的掺钕的红宝石在我国第一次实现了激光输出，诞生了中国第一台激光器。自从激光被首次制造出来，就开始了激光技术的高速发展。激光诊断技术经过20多年的发展，已经发展成为包含不同方面的、综合的技术，例如温度场测量技术、激光扫描压力敏感漆技术、激光燃气分析技术、激光测速诊断技术，并且适用于测量航空发动机内多种参数，如发动机的进口流场温度、燃烧室内的雾化、射流掺混、燃烧产物浓度、气膜冷却效果、叶栅和

3、扩压段的气流分离、激波宽度等。在航空发动机设计研制经常会受到许多传统方法无法解决的测试问题，激光诊断技术的发展为航空发动机的设计和故障诊断带来了极大的便利，很好的解决了这些问题。2温度场测量技术测量温度的传统方法大多是点测量，有很多局限性，如被测温：度不能太高，采用接触式测量会：破坏流场，无法获得整个温度场的信息等。使用非接触的激光测量方法，可以避免这些问题。2.1相干反斯托克斯拉曼散射技术相干反斯托克斯拉曼散射（CoherentAnti—StokesRamanScattering,CARS)技术也称相干反斯托克斯拉曼光谱技术(CoherentAnti—StokesR

4、amanSpectroscopy)。斯科托斯拉曼散射技术测量温度的基本出发点是根据粒子数分布和温度有光的波尔兹曼方程，拉曼谱线的轮廓形状取决于被测样品分子的振动-转动能级的粒子数分布，而它的分布由于体系的温度有光。采用CARS技术可同时获得燃烧室内燃气温度和某燃烧产物的物质的量分数。产生的相干信号可增加信噪比，并可以用空间滤波器来减少高温燃气带来的干扰光信号，因此增强了测量信号的质量，这些优点使得CARS技术在高温燃烧温度测量中具有独特优势。NASA兰利研究中心(LRC：LangleyResearchCenter)的工作突出特点是十分注重CARS的实际应用研究，尤其是

5、在超声速燃烧研究中应用。根据此项技术，他们很精确的测量了超声速燃烧室的温度场分布、高压燃烧室的温度、工作状态下吸气冲压发动机模型的温度，并对2000K以上的温度进行了测量。2.2激发诱导荧光技术发光可以定义为原子或分子从激发状态到较低能状态经历的辐射发射过程，如果激发态是通过吸收入射辐射产生的，那么源于这种激发态的发射就是兴致发光，荧光现象属于兴致发光，涉用到两种辐射：激发光和发射光。激光诱导荧光光谱(LIFS：LaserInducedFluorescenceSpectroscopy)是以激光作为激发光源的荧光光谱，可以做到共振激发，因此具有较高的灵敏度，对于燃烧流场

6、的测量具有较好的优势。在PLIF被提出之后，因为LIFS与平面激光诱导荧光(PLIF：PlanarLaserInducedFluorescence)原理上基本相同，但后者具有非常优秀的空间和时间分辨能力，所以在航空发动机燃烧诊断中PLIF技术更受重视。由于LIFS测温的原理和方法较为复杂，尤其是在处理不同上能级猝灭速率时存在难题，而且在对非稳态火焰的测量和空间分辨能力方面都存在弱点，所以对LIFS测温的研究普遍不够重视。但是LIFS技术也有自己的优势，如在对时空分辨率要求不高的火焰进行钡4量时，光谱具有量化较为方便，测量光路简单等优点。1990年代早期，R．K．Han

7、son等对氢氧基和一氧化氮的组分和温度分布测量技术进行了探索，并在激波加热流体和模型超声速燃烧发动机中进行了应用的尝试。虽然处于简单模拟阶段，但是作为原理性演示测量，这种研究有一定的意义。随着PLIF技术在时间分辨能力上的进步，研究开始采用双套PLIF测量系统，具备了对燃烧流场的瞬态结构的测量能力和使用双线激发法测量非稳态燃烧流场温度分布的能力。PLIF测量的流场模拟也趋于复杂，对一些经典的尖劈和圆柱高速绕流流场进行了研究，显示应用水平有所提高。使用时间上有分辨能力的NO和OH基PLIF技术，研究了激波反射、高超声速下的激波后过渡过程、预混可燃气体超