热压载荷作用下气体检测光学窗口对激光传输影响_李栋.pdf

文章编号：1002-2082(2023)01-0195-07热压载荷作用下气体检测光学窗口对激光传输影响李栋1，李品烨1，王迪1,2，吕妍1,2，郭曦1（1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆163318；2.东北石油大学物理与电子工程学院，黑龙江大庆163318）摘摘 要：要：采用有限元方法研究了不同热压载荷作用下多组分气体原位激光检测系统的光学窗口变形分布情况，并根据热光效应计算得到光学窗口折射率分布。采用光线追迹法对比分析了氮气吹扫前后光学窗口折射率变化及变形对到达接收面的通光量和辐照度分布影响规律。此外，基于高温光学窗口激光透射测试平台开展了高温光学窗口对检测信号影响研究。结果表明：高温高压环境会使光学窗口折射率变化幅度增大及变形加剧，导致激光光路偏折引起透射光强损耗和探测信号条纹干涉；氮气吹扫可以有效改善激光传输条件，增加到达接收面的通光量，优化辐照分布，提高激光传输质量。关键词：关键词：热压载荷；光窗变形；折射率；激光传输中图分类号：TN249文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0107001Influence of optical window for gas detection on laser transmissionunder thermal pressing loadsLIDong1，LIPinye1，WANGDi1,2，LYUYan1,2，GUOXi1（1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China；2.SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China）Abstract：Thefiniteelementmethodwasusedtostudythedeformationdistributionoftheopticalwindowofthe multi-component gas in-situ laser detection system under different thermal pressing loads,and therefractiveindexdistributionoftheopticalwindowwascalculatedaccordingtothethermo-opticeffect.Theinfluencelawsoftherefractiveindexchangeanddeformationoftheopticalwindowbeforeandafternitrogenpurgingontheluminousfluxandirradiancedistributionreachingthereceivingsurfacewerecomparedandanalyzedbyraytracingmethod.Inaddition,basedonthelasertransmissiontestplatformofhigh-temperatureopticalwindow,theinfluenceofhigh-temperatureopticalwindowonthedetectionsignalwasstudied.Theresultsshowthatthehigh-temperatureandhigh-pressureenvironmentwillincreasetherefractiveindexchangeamplitudeanddeformationoftheopticalwindow,whichresultinginthelaseropticalpathdeflectioninducedtransmitted light intensity loss and probe signal fringe interference.The nitrogen purging can effectivelyimprovethelasertransmissionconditions,increasetheluminousfluxreachingthereceivingsurface,optimizetheirradiationdistributionandimprovethelasertransmissionquality.Key words：thermalpressingloads；opticalwindowdeformation；refractiveindex；lasertransmission收稿日期：2022-03-31；修回日期：2022-05-23基金项目：博 士 后 研 究 人 员 落 户 黑 龙 江 科 研 启 动 资 助 项 目（BHL-Q20101）；东 北 石 油 大 学 优 秀 科 研 人 才 培 育 基 金（SJQHB201801）；提高油气采收率教育部重点实验室开放课题（NEPU-EOR-2019-14）；东北石油大学优秀中青年科研创新团队项目（KYCXTD201901）作者简介：李栋（1979），男，博士，教授，主要从事油气介质激光检测技术研究。E-mail：通信作者：王迪，男，博士研究生，主要从事激光检测及信号处理研究。E-mail：第44卷第1期应用光学Vol.44No.12023年1月JournalofAppliedOpticsJan.2023引言光学窗口作为管输多组分气体原位激光检测系统的重要组成部分，为在线激光检测提供了光束访问媒介。在检测过程中，光学窗口作为内外环境压力和温度隔离窗直接暴露在高温高压环境中，其光学性能直接影响系统测量精度1。温度载荷作用于光学窗口产生的影响主要表现在两方面：温度梯度产生的热应力引起光学窗口变形使得激光光束通过光学窗口时传播光程发生变化2；同时温度梯度引起光学窗口折射率梯度变化，造成激光传输光强分布特性改变，进而增加偏振损耗3。而压力载荷则加剧光学窗口整体形变4。因此，掌握热压载荷作用下光学窗口折射率变化及形变对激光传输的影响规律是提高激光检测系统测量稳定性的关键5-6。国内外学者对航空、太空等环境下的成像系统光学窗口开展了大量研究。Rogozhin 等人7建立了一个基于大功率连续气体激光器输出窗口的热机械和热光学过程的数学模型，分析了高功率 CO2、CO 等激光器中窗口材料的性能。Zhang等人8建立了光学窗口在轴向温度载荷下变形的数学模型，并导入 Zemax 光学软件研究了光学系统图像质量和亮度均匀性。姬文晨等人9使用Ansys 软件分析了红外透镜在温度梯度下的面形变化并分析了变形后光学系统成像质量。吴天祺等人10通过对光机结构进行有限元分析，结合Zernike 多项式对光学系统设计的合理性进行了验证。上述研究主要针对成像系统光学窗口并以成像质量作为评判标准，而本文多组分气体激光检测系统属于典型非成像光学系统，其注重改善激光光束能量传输效率和探测器接收面能量分布。本文基于热压载荷作用下光学窗口的结构变形有限元分析结果，采用光线追迹法对比分析氮气吹扫前后激光传输效果，获得了不同管输流体注入速度、注入温度及窗口侵入侧压力对探测器接收面通光量和辐照度分布的影响规律，并实验研究了高温光学窗口对检测信号的影响。1 模型建立1.1 物理模型本文以柴油燃料燃烧喷射发生器为研究对象，多组分气体原位激光检测系统如图 1（a）所示，包括燃烧喷射发生器和光学检测装置。光学检测装置安装在多组分气体喷射管段，采用原位对射式在线检测多组分气体含量。2 个相对的光学窗口固定在多组分气体喷射管段的两侧，为对射检测模式的光学传感系统激光发射与接收模块提供光学访问端口11。图 1（b）为本研究中基于计算流体力学（CFD）方法和有限元方法研究多组分气体流动传热的基础几何模型计算域。点火器燃料和空气入口液态水入口燃烧喷射发生器燃烧过程汽化过程注入过程光学检测装置发射器接收端(a)多组分气体原位激光检测系统组装示意图(b)多组分气体喷射流场计算域 120 mm 95 mm400 mm 60 mm 75 mm 200 mmN2N2光学窗口图 1 多组分气体原位激光检测系统及简化物理模型Fig.1 Multi-component gas in-situ laser detection systemand its simplified physical model选用熔融石英作为光学窗口材料具有良好的抗热冲击性能，并对柴油燃料燃烧产物中的水蒸气和二氧化碳所用近红外激光器中心波段有较高的透过率12，具体材料属性见表 1。光学窗口厚度可根据材料属性和实际承受压差确定，简单支撑的圆形光学窗口的直径与厚度的最小比值或最小纵横比为13dh=28F3p(3+)Fs1/2（1）式中：d/h 为窗口纵横比；F为材料折断应力；p 为窗口内外表面压力差；Fs为安全系数，光学机械工程通常采用的安全系数为4。本文光学窗口直径表 1 光学窗口材料属性Table 1 Material properties of optical window材料熔点/导热系数/W(mK)1线性膨胀系数/106K1泊松比杨氏模量/GPa断裂模量/MPa熔融石英17131.40.550.1773.650196应用光学第44卷第1期d 为 60mm，折断应力 F为 65MPa，假设最大内外表面压差 P 为 2.9MPa，则满足强度要求的窗口最小厚度h 为13.82mm，最终取其厚度参数为14mm。1.2 数学模型气体激光检测系统外部环境温度设定为室温298K，光学窗口与喷射管段内部环境换热方式为热辐射和强制对流；同时，光学窗口与其支撑固定结构之间存在热传导。对光学窗口采用稳态热分析。根据传热学基本定律，其满足导热微分方程：x(xTx)+x(yTy)+x(zTz)=0（2）(Tn)s3=h(T Tf)（3）式中：为材料热导率；T 为温度。光学窗口几何变形方程为14r=urr+(T T0)（4）z=uzz+(T T0)（5）=urr+(T T0)（6）zr=urz+uzr（7）式中：为线性膨胀系数；代表应力；u 代表位移量，下标 r、z、zr 分别代表径向、轴向、环向以及切向。2 结果分析与讨论2.1 热压载荷对光窗变形及折射率影响熔融石英光学窗口四周为固定支撑，其热膨胀系数较小，仅考虑轴向热膨胀影响15。在实际多组分气体注入过程中，注入速度、注入温度和压力控制根据地层情况进行动态调整。如表 2 所示，分别分析了 3 种工况下温度梯度及压差对光学窗口变形的影响。模拟方案如下：1）注入速度 10m/s、注入温度 473K 和窗口内外压差 0.9MPa；2）注入速度 15m/s、注入温度 523K 和窗口内外压差 1.9MPa；3）注入速度 20m/s、注入温度 573K 和窗口内外压差 2.9MPa。采用顺序耦合的方式将温度载荷和压力载荷加载到光学窗口进行分析，热压载荷作用下光学窗口形变分布如图 2 所示。工况 1 下，光学窗口形变最大值为 108.2m，形变平均值为 17.0m；工况2 下，光学窗口形变最大值为 243.1m，形变平均值为 38.1m；工况 3 下，光学窗口形变最大值为378.0m，形变平均值为 59.2m。随着入口温度、入口速度和内外压力差的增大，光学窗口形变量逐渐增大，中心位置形变值最大，形变的量级为101mm。378(a)工况1(b)工况2(c)工况3336294252210168形变位移84420m图 2 热压载荷作用下的光学窗口形变分布Fig.2 Deformation distribution of optical window underthermal pressing loads由热压载荷作用对光学窗口的影响可知，熔融石英材质的光学窗口形变值极小，故弹光效应对折射率的影响低于热光效应，因