激光诱导荧光技术在高焓空气氮原子测量中的应用

摘要

高超声速飞行器再入大气层时,受到激波的压缩和激波层内粘性阻滞作用,周围绕流流场的空气温度在4000～15000 K之间,使空气中的氧、氮分子发生离解,从而出现高温气体效应,形成高焓化学非平衡流.飞行器表面防热材料基本都含有大量的碳元素,通常情况下主要是氧原子与碳发生反应,但在焓值大于18 M J·kg-1的情况下,氮原子与飞行器表面碳反应的无量纲烧蚀因子BCN>0.1725,此时碳在高焓空气介质中的无量纲质量烧蚀因子BCair>0.345,因此,碳的氮化烧蚀变得非常剧烈,和氧化烧蚀相当;同时离解的氮原子也会在飞行器表面发生催化复合反应放出大量的热,使飞行器表面承受更多的热载荷.因此,分析高焓化学非平衡流流场中的氮原子具有现实意义.在地面模拟设备中建立高焓化学非平衡流场,对氮原子进行测量技术,可以很好的对其进行研究.双光子吸收激光诱导荧光(TALIF)技术作为一种非接触测量,在不干扰流场环境的情况下,可以直接获得氮原子的浓度分布.对流场氮原子激发荧光,通过布置在风洞试验段外与流场和激光形成的平面呈垂直方向的ICCD获取到二维氮原子的荧光信号.为确保荧光图像的清晰及视场合适,选择了Nikon f=50 mm F/1.4镜头作为前级收光设备.实验成像采用50次曝光的累计结果,以消除气流扰动及激光能量抖动造成的不确定性.实验中,在理论激发波长附件进行测试,优化选择出206.717 nm作为正式实验中脉冲激光的最佳激发波长.在最佳激光波长条件下,从小到大调整激发能量,获得了该环境下的氮原子激发的非饱和线性区为1.8 mJ以下.正式实验过程中激光能量为1.6 mJ,处于线性区.对所获取的荧光图像进行处理,提取激光中心线上的荧光强度进行分析,发现无论是亚声速还是超声速,荧光强度沿径向都呈驼峰状分布,与之前氧原子测试结果比较,发现流场中氮分子还未完全离解,这符合实验风洞流场特性.