基于SRBS的气体压强及体黏滞系数测量

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瑞利-布里渊散射的散射截面比拉曼散射的散射截面大约50倍,其在对流层大气参数(温度、压强、风速)测量等方面具有独特的优势,同时利用瑞利-布里渊散射实现恶劣环境(高温、高压)下气体参数的准确测量对于航天飞机主引擎状态的监测和超燃发动机燃烧室参数测量方面具有重要意义。本文基于Tenti S6模型利用卷积方法和优化后的反卷积方法,分别仿真探究了利用自发瑞利-布里渊散射(SRBS)测量不同气体压强及体黏滞系数相关的各参数误差或不确定度对参数测量准确性的影响并对影响程度进行量化表示,为参数的准确测量和实验数据的分析提供指导。考虑到实际环境特点,本文在已搭建的SRBS探测系统中引入了气溶胶发生装置。基于Tenti S6模型和在不同实验条件下测量的N2、O2、CO2及空气的高信噪比SRBS光谱,分别利用卷积和反卷积方法实现相应条件下气体压强的测量。测量压强的拟合结果表明,在较低压力(<2 bar)下,由卷积方法反演得到的压强要小于实际值,反卷积方法反演得到的压强要大于实际值,反卷积方法的压强反演精度要优于卷积方法;但是在较高压力(≥2 bar)下,结果相反。该结果与仿真分析一致,表明反卷积方法在低压环境下的气体参数测量具有一定的优势。而且压强反演结果表明,米散射的存在在一定程度上会影响压强测量精度,而且相对强度越强这种影响越明显。同时,利用卷积方法测量了各气体在温度为278.0-308.0 K、压强为4-7 bar下的体黏滞系数值,获得各自的体黏滞系数与温度之间函数关系,同时将测量的体黏滞系数值与文献报道值进行对比,对其中的误差进行分析。经比较发现,虽然本文得到的测量结果与报道值存在一定的差异,但是仍能够实现理论光谱与测量光谱较好匹配。造成测量结果存在明显差异的原因包括各相关参数的误差、测量的统计误差、甚至是理论模型自身的缺陷。同时,将不同温度下CO2体黏滞系数与温度的函数关系预测的体黏滞系数值作为Tenti S6模型的已知参数对测量1-6 bar下CO2的自发瑞利-布里渊散射光谱拟合并反演温度,其反演温度误差小于1.5 K,表明所得函数不仅适用于较高的压力条件(≥4bar)而且在较小压力(<4 bar)时同样有效。
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