一種流場和火焰結構同步探測方法
【專利摘要】本發明公開一種用于碳氫燃料超聲速燃燒過程的流場和火焰結構同步探測的方法。該方法采用脈沖紋影探測超聲速燃燒場的流場結構，采用CH-PLIF探測超聲速燃燒場的火焰結構。將脈沖紋影和CH-PLIF的探測焦平面分別聚焦到超聲速燃燒室內部相同探測區域，通過脈沖同步發生器對脈沖紋影和CH-PLIF進行同步控制，實現碳氫燃料超聲速燃燒過程的流場和火焰結構同步探測。將扣除燃燒室背景噪聲的火焰結構CH-PLIF圖像與流場結構的紋影圖像相疊加，得到碳氫燃料超聲速燃燒過程中同一瞬態的流場和火焰結構的同步疊加圖像。該方法所解決的問題是：為研究碳氫燃料超聲速燃燒過程中流動與化學反應相互作用機理，提供了同步獲取燃燒場同一瞬態流場和火焰結構信息的實驗探測方法。
【專利說明】一種流場和火焰結構同步探測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種流場和火焰結構同步探測方法，特別涉及一種用于碳氫燃料超聲速燃燒過程的流場和火焰結構同步探測方法。
【背景技術】
[0002]碳氫燃料的超聲速燃燒流場極為復雜，涉及激波/膨脹波系、化學反應、剪切層、大尺度分離流和漩渦流動、超聲速氣流壓力傳播以及燃燒火焰傳播等多種復雜現象，是一個流動與化學反應高度耦合的過程。因此，深入探索碳氫燃料超聲速燃燒機理，需對超聲速燃燒場的流場和火焰結構以及相互作用過程進行全面研究。
[0003]針對碳氫燃料的超聲速燃燒場，目前主要是將流場結構和火焰結構分離出來單獨進行實驗研究。
[0004]流場結構探測方面，紋影是常用的流場結構顯示方法。而脈沖紋影技術和激光紋影技術則能夠有效抑制燃燒室背景光的影響，從而得到清晰的超聲速燃燒場瞬態流場結構圖像。
[0005]火焰結構探測方面，OH-PLIF常用來標識超聲速燃燒場的火焰結構。然而超聲速燃燒室中溫度較高，OH自由基不僅存在于化學反應區域，也存在于空氣來流當中，因此無法準確標識火焰結構。在碳氫燃料化學反應過程中，CH自由基只產生于碳氫燃料反應分解消耗的區域，因此采用CH-PLIF能夠更加準確的標識碳氫燃料燃燒的火焰結構。
[0006]單獨利用紋影或PLIF均無法同時獲取流場結構和火焰結構兩方面的信息，這樣獲得的結果無法說明碳氫燃料超聲速燃燒場中流動與化學反應的耦合過程。
【發明內容】
[0007]針對上述現狀，本發明提供了一種用于超聲速燃燒室碳氫燃料燃燒過程的流場和火焰結構同步探測方法。具體地，該同步探測方法包括脈沖紋影探測和CH自由基的平面激光誘導熒光(CH-PLIF)探測兩部分，所述脈沖紋影探測超聲速燃燒場的流場結構，所述CH-PLIF探測超聲速燃燒場的火焰結構，二者進行同步控制，上述同步探測方法具體包括以下步驟:
[0008](I)將CH自由基熒光的激發光通過柱面鏡系統整形為片光，通過石英觀察窗引入超聲速燃燒室的探測區域，片光垂直于紋影的平行光光路；
[0009](2)通過調整脈沖紋影光路中高速相機前的透鏡和CH-PLIF光路中像增強型CXD相機(ICCD)前的鏡頭，將脈沖紋影和CH-PLIF的探測焦平面分別聚焦到燃燒室內片光上的相同探測區域；
[0010](3)測量同步測量系統的電子延時和光學延時，根據測量結果設置同步脈沖發生器，使紋影脈沖光源的脈沖與CH自由基熒光的片狀激發光到達所述探測區域的時間間隔不超過500ns，，所述紋影光源的脈沖與所述片狀激發光頻率相同；
[0011](4)將所述ICXD設置為雙圖像模式，第一次快門開啟時拍攝燃燒室內燃燒背景圖像，第二次快門開啟時拍攝燃燒室內火焰結構圖像，兩次快門寬度相同，由于CH自由基熒光信號較弱，快門寬度應大于1ns并小于40ns，兩次快門時間間隔小于500ns ；
[0012](5)設置所述ICCD的快門延時和脈沖同步發生器，使第二次快門開啟與所述片狀激發光同步，所述高速相機的快門與脈沖紋影光源的脈沖同步；
[0013](6)將所述ICCD第二次快門開啟時拍攝的火焰結構圖像與第一次快門開啟時拍攝的燃燒背景圖像作差，扣除背景噪聲的影響；
[0014](7)將扣除背景噪聲的所述火焰結構圖像與所述脈沖紋影拍攝的所述流場結構圖像疊加，最終得到同步測量結果。
[0015]進一步地，利用示波器和光電探測器對所述同步測量系統的電子延時和光學延時進行測量。
[0016]該方法所解決的問題是:為研究碳氫燃料超聲速燃燒過程中流動與化學反應相互作用機理，提供了同步獲取燃燒場同一瞬態流場和火焰結構信息的實驗探測方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為超聲速燃燒場流場結構與火焰結構同步測量光路。
[0018]圖2為脈沖紋影與CH-PLIF同步測量時序。
[0019]圖3為乙烯在超聲速燃燒室內燃燒時同一瞬態的流場和火焰結構圖像。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明提供的用于超聲速燃燒室碳氫燃料燃燒過程的流場和火焰結構同步探測方法的【具體實施方式】做詳細說明。
[0021]超聲速燃燒場流場結構與火焰結構同步測量光路如圖1所示。Nd: YAG激光器1-1三倍頻后產生的355nm激光經反射鏡1_25反射后泵浦染料激光器1_2輸出波長為390.3nm的激發光。其中，染料激光器1-2中的染料選取Exalite Mix 389/398配置方案。染料激光器1-2輸出的390.3nm激發光束經反射鏡1_26反射至柱面鏡系統1_3整形為片光，之后通過石英觀察窗引入超聲速燃燒室1-4。經燃燒室1-4的出射片光被激光吸收裝置1-5所吸收。CH-PLIF探測光路采用IC⑶相機1-8收集CH自由基的熒光信號。通過調節鏡頭1_7的對焦環，將探測焦平面聚焦到燃燒室內的片光上。此外，在ICCD相機1-8的前向光路上放置窄帶帶通濾光片1-6濾除探測波段(CH自由基的熒光探測波段為420nm?440nm)以外的干擾信號，如激發光的散射光。在不影響紋影探測的前提下，ICCD相機1-8與紋影平行光路之間的夾角盡可能的小。
[0022]脈沖紋影探測光路中，脈沖光源1-11經透鏡1-12在狹縫1-13的正中央成倒立像，狹縫1-13的作用是截取光源像的中心強度最高、亮度最均勻的部分。同時，狹縫1-13置于球面鏡1-14的焦點，故穿過狹縫1-13的光線經反射鏡1-27反射至球面鏡1-14后準直為平行光，經石英觀察窗穿過燃燒室1-4至球面鏡1-15。球面鏡1-15經反射鏡1-28將平行光束匯聚至焦點的刀口 1-16。刀口 1-16通過切割因流場擾動而偏折的光線，使得燃燒室內1-4的擾動氣流通過透鏡1-17在高速相機1-18的感光面上呈明暗變化的像，從而探測得到流場結構變化的影像。通過調節透鏡1-17的位置，可將燃燒室內片光上的相同探測區域成像至高速相機1-18的感光面上。
[0023]所有觸發控制均由脈沖同步發生器1-9和1-10來實現。脈沖同步發生器1-9通過同軸電纜1-19、1-20、1-21分別提供Nd = YAG激光器1_1的閃光燈觸發信號和Q開關觸發信號、ICXD1-8的外觸發信號，并且通過同軸電纜1-22觸發脈沖同步發生器1-10，使得1_9和1-10同步。此外，脈沖同步發生器1-10則通過同軸電纜1-23和1-24分別為高速相機1-18和脈沖紋影光源1-11提供外觸發信號。
[0024]將上述所有同步控制信號線與設備連接好后，利用示波器和光電探測器對系統的電子延時和光學延時進行評估。具體做法是分別將兩個光電探測器置于燃燒室1-4內部片光光路上和高速相機1-18之前的紋影光路上，測量片狀激發光到達燃燒室1-4的時間和紋影脈沖光源1-11的脈沖光到達高速相機1-18的時間。根據示波器上兩個光電探測器輸出的脈沖間隔，設置脈沖同步發生器ι-?ο輸出的脈沖光源觸發信號的延時，使得兩個脈沖之間的間隔小于500ns。因為在500ns以內，超聲速流場在高速相機1_18的感光面以及ICCD相機1-8的感光芯片上所呈像的位移不足一個像素幾何尺寸，因此可以認為在兩個脈沖間隔內超聲速流場是靜止的。由于片狀激發光的脈沖頻率和脈沖次數由Nd:YAG激光器1-1決定，因此將Nd:YAG激光器1-1和紋影脈沖光源1-11的脈沖頻率以及脈沖次數通過脈沖同步發生器1-9和1-10設置為相同。
[0025]在超聲速燃燒場中，燃燒背景光是CH-PLIF探測火焰結構的主要干擾源。因此，本方法將ICXD相機1-8設置為雙圖像模式，即ICXD受觸發后可在很短的時間間隔內連續曝光2次。由于500ns以內流場可以被認為是靜止的，因此通過ICXD相機1_8的控制軟件將兩次快門間隔時間設置為450ns，并且兩次快門寬度相同，從而保證燃燒室背景光和CH自由基熒光信號是對同一瞬態流場進行采集。利用脈沖同步發生器1-9將ICCD相機1-8第二次快門開啟與片狀激發光設為同步，同時利用脈沖同步發生器1-10將高速相機1-18的快門與脈沖光源1-11同步。
[0026]如圖2所示，高速相機1-18快門時間設置為30μ S，能夠同步捕捉到脈沖光源1-11的脈沖；ic⑶相機1-8設置為雙圖像采集模式。由于CH熒光信號較弱，所以快門時間過長會降低CH-PLIF探測信噪比。同時又要保證CH自由基充分吸收激發光能量，因此快門時間應大于1ns并小于40ns。兩次快門時間均設為30ns，并且第二次快門開啟時可以同步捕捉到片狀激發光脈沖；由于500ns以內流場可以被認為是靜止的，脈沖光源1-11的脈沖與片狀激發光的脈沖間隔不足100ns，從而實現脈沖紋影與CH-PLIF同步采集。
[0027]ICCD相機1-8的快門第一次開啟時拍到的圖像為沒有激發光時燃燒場的背景信號及暗電流，而快門第二次開啟時拍到的圖像除了含有背景信號和暗電流外還有CH自由基受激產生的熒光信號，兩張圖像作差即可扣除背景得到CH自由基濃度場圖像，即超聲速燃燒場的火焰結構圖像。將高速相機1-18拍攝到的流場結構紋影圖像與CH-PLIF拍攝到的同一瞬態的火焰結構圖像，根據其在燃燒室1-4內部的空間幾何位置關系利用Photoshop軟件進行疊加，并將火焰結構圖像透明化，從而得到同步測量碳氫燃料超聲速燃燒過程流場與火焰結構的疊加圖像，如圖3所示。
[0028]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于超聲速燃燒室碳氫燃料燃燒過程的流場和火焰結構同步探測方法，該同步探測方法包括脈沖紋影探測和CH自由基的平面激光誘導熒光(CH-PLIF)探測兩部分，所述脈沖紋影探測超聲速燃燒場的流場結構，所述CH-PLIF探測超聲速燃燒場的火焰結構，二者進行同步控制，上述同步探測方法具體包括以下步驟: (1)將CH自由基熒光的激發光通過柱面鏡系統整形為片光，通過石英觀察窗引入超聲速燃燒室的探測區域，片光垂直于紋影的平行光光路； (2)通過調整脈沖紋影光路中高速相機前的透鏡和CH-PLIF光路中像增強型CCD相機(ICCD)前的鏡頭，將脈沖紋影和CH-PLIF的探測焦平面分別聚焦到燃燒室內片光上的相同探測區域； (3)測量同步測量系統的電子延時和光學延時，根據測量結果設置同步脈沖發生器，使紋影脈沖光源的脈沖與CH自由基熒光的片狀激發光到達所述探測區域的時間間隔不超過500ns,，所述紋影光源的脈沖與所述片狀激發光頻率相同； (4)將所述IC⑶設置為雙圖像模式，第一次快門開啟時拍攝燃燒室內燃燒背景圖像，第二次快門開啟時拍攝燃燒室內火焰結構圖像，兩次快門寬度相同，由于CH自由基熒光信號較弱，快門寬度應大于1ns并小于40ns，兩次快門時間間隔小于500ns ； (5)設置所述ICCD的快門延時和脈沖同步發生器，使第二次快門開啟與所述片狀激發光同步，所述高速相機的快門與脈沖紋影光源的脈沖同步； (6)將所述ICCD第二次快門開啟時拍攝的火焰結構圖像與第一次快門開啟時拍攝的燃燒背景圖像作差，扣除背景噪聲的影響； (7)將扣除背景噪聲的所述火焰結構圖像與所述脈沖紋影拍攝的所述流場結構圖像疊力口，最終得到同步測量結果。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，利用示波器和光電探測器對所述同步測量系統的電子延時和光學延時進行測量。
【文檔編號】G01N21/45GK104165865SQ201410373701
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】袁越明, 張泰昌, 宋軍浩, 范學軍 申請人:中國科學院力學研究所