CN104931224A - 一种观测不同真空度环境下气流流场结构的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种观测不同真空度环境下气流流场结构的装置及方法，所述装置由光源、准直镜、压力变送器、气体喷管、真空室、聚焦透镜、刀口、镜头、高反高透镜、第一CCD相机、第二CCD相机和全反镜、聚焦凸柱透镜、准直凸柱透镜、平凹透镜、激光器、真空泵、气体喷管和真空泵构成。本发明利用纹影法及丙酮PLIF同时对不同真空度环境下气流流场结构进行观测，通过同一时刻两种观测方式获得信息的对比矫正进而获得真实的气流流场结构。本发明为提高高空及太空中激光点火成功几率和可靠性，专注于观测不同真空度下的气流流场结构，发明中的装置及方法所获得的气流流场结构信息能够有效的帮助不同环境下发动机的激光点火方案选择最佳点火位置。

Description

一种观测不同真空度环境下气流流场结构的装置及方法

技术领域

本发明属于空气动力学领域，涉及一种观测不同真空度环境下气流流场结构的装置及方法。

背景技术

今天，随着飞机的涡轮发动机、军用飞机超燃冲压发动机、火箭发动机和航空火箭姿控轨控发动机点火技术的研究日益深入，面对传统点火技术的诸多弊端，激光等离子体点火技术及激光点火技术已经成为一类非常热门的研究课题，该技术拥有替代传统电火花点火方式的巨大潜力。

激光诱导等离子体点火技术虽然相对传统点火方式具有诸多优点如无电磁干扰、非入侵式点火、点火位置和时间精准可控、可实现多次点火和多点同时点火等，但是激光点火技术相比传统的点火技术，其作用区域小，作用时间短，所以选择适合的点火位置来提高点火可靠性尤为重要。

针对高空或太空领域的发动机点火,外界环境不再是1atm，而在不同真空度环境下燃料的喷注流场结构变得多样复杂，因此研究不同真空度下气流流场结构已经成为如何为激光点火技术选择合适的点火位置从而提供可靠性的重要参考。因此研究不同真空度环境下气流流场结将成为非常热门的研究方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种观测不同真空度环境下气流流场结构的装置及方法，在真空室内利用纹影系统和丙酮PLIF观测不同真空度下气流的流场结构，为激光点火技术选择合适的位置提供有效参考，提高激光点火可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种观测不同真空度环境下气流流场结构的装置，包括光源、准直镜、压力变送器、气体喷管、真空室、聚焦透镜、刀口、镜头、高反高透镜、第一CCD相机、全反镜和第二CCD相机、聚焦凸柱透镜、准直凸柱透镜、平凹透镜、激光器、真空泵、气体喷管和真空泵，其中：沿X轴方向设置有光源、准直镜、真空室、聚焦透镜、刀口、镜头、高反高透镜、第一CCD相机、第二CCD相机和全反镜，沿Y轴方向设置有激光器、平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜、真空室，真空室上连接有压力变送器、气体喷管和真空泵，光源经准直镜准直后形成平行于X轴的光束，经真空室、聚焦透镜、刀口、镜头后进入高反高透镜，高反高透镜将光源发出的光全部通过进入后面的第一CCD相机中获得纹影图像，激光器发射的激光经平凹透镜扩束和准直凸柱透镜准直后形成平行于Y轴的光束，再经聚焦凸柱透镜形成垂直于X轴的片状光束，高反高透镜将片状光束激发真空室内丙酮产生的荧光全部反射出并经由全反镜进入第二CCD相机获得丙酮荧光分布图像。

本发明中，光源、准直镜、聚焦透镜和刀口构成纹影系统，其中镜头可以将真空室内观测区域的目标清晰完整的成像于第一CCD相机上。

本发明中，聚焦凸柱透镜、准直凸柱透镜和平凹透镜构成光束整形系统，可以将激光器输出的266nm波长的激光整形为覆盖真空室内观测区域的片状光束。

本发明中，镜头、高反高透镜、全反镜、第一CCD相机、第二CCD相机构成信息采集系统。

该装置利用纹影系统及丙酮PLIF同时对不同真空度下气流流场结构的观测，通过同一时刻两种观测方式获得的信息进行对比矫正进而获得最真实的流场结构。

利用上述装置实现多束泵浦光产生多光束脉冲激光输出的方法，由以下步骤实现：

步骤一、通过真空泵改变真空室内真空度，将预混丙酮气体的气流经由气体喷管喷注进入真空室；

步骤二、光源的光经由准直镜形成准直光通过真空室内观测区域，刀口放置在聚焦透镜焦点处，形成纹影图像；

步骤三、激光经由平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜整形为片状光束通过真空室内观测区域，激发丙酮分子产生荧光；

步骤四、调整激光片状光束、第一CCD相机像平面、第二CCD相机像平面与光源光柱在观测区域重合，高反高透镜将光源发出的光全部通过进入后面的第一CCD相机中获得纹影图像，同时将激光片状光束激发丙酮产生的荧光全部反射出并经由全反镜进入第二CCD相机获得丙酮荧光分布图像；

步骤五、将两个CCD相机分别获得的气流结构纹影图像及丙酮荧光分布图像进行对比矫正，获得不同真空度下气流喷注所形成的流程结构信息。

本发明具有如下有点：

1、本发明为提高高空及太空中激光点火成功几率和可靠性，专注于观测不同真空度下的气流流场结构，发明中的装置及方法所获得的气流流场结构信息能够有效的帮助不同环境下发动机的激光点火方案选择最佳点火位置。

2、本发明所用装置及方法简单适用，且在普通实验室内即可完，非常适用于发动机激光点火技术的研究或激光点火技术工程应用的理论知道。

3、本发明利用纹影法及丙酮PLIF同时对不同真空度环境下气流流场结构进行观测，通过同一时刻两种观测方式获得信息的对比矫正进而获得真实的气流流场结构。

附图说明

图1为本发明观测不同真空度环境下气流流场结构的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供了一种观测不同真空度环境下气流流场结构的装置，该装置由光源1、准直镜2、压力变送器3、气体喷管4、真空室5、聚焦透镜6、刀口7、镜头8、高反高透镜9、第一CCD相机10、全反镜11、聚焦凸柱透镜12、准直凸柱透镜13、平凹透镜14、激光器15、真空泵16、第二CCD相机17构成，其中：沿X轴方向设置有光源1、准直镜2、真空室3、聚焦透镜6、刀口7、镜头8、高反高透镜9、第一CCD相机10、全反镜11和第二CCD相机17，沿Y轴方向设置有激光器15、平凹透镜14、准直凸柱透镜13、聚焦凸柱透镜12、真空室5，真空室5上连接有压力变送器3、气体喷管4和真空泵5。光源1经准直镜准直后形成平行于X轴的光束，经真空室5、聚焦透镜6、刀口7、镜头8后进入高反高透镜9，高反高透镜9将光源发出的光全部通过进入后面的第一CCD相机10中获得纹影图像，激光器15发射的激光经平凹透镜14扩束和准直凸柱透镜13准直后形成平行于Y轴的光束，再经聚焦凸柱透镜12形成垂直于X轴的片状光束，高反高透镜9将片状光束激发真空室内丙酮产生的荧光全部反射出并经由全反镜11进入第二CCD相机17获得丙酮荧光分布图像。

本实施方式中，光源1、准直镜2、真空室5、聚焦透镜6、刀口7、镜头8、高反高透镜9和第一CCD 相机10为共轴形式存在。

本实施方式中，光源1、准直镜2、聚焦透镜6和刀口7构成了纹影系统，其中光源1位于准直镜2的焦点处，刀口7位于聚焦透镜6的焦点处。

本实施方式中，聚焦凸柱透镜12、准直凸柱透镜13和平凹透镜14共轴形式存在，构成激光光束整形系统。

本实施方式中，激光器15输出激光波长为266nm，激光经由激光光束整形系统后形成片状光束，其厚度<1mm。

本实施方式中，高反高透镜9对于500nm以下波长反射率>99.9%，500nm以上波长透过率>99.9%，全反镜11的反射率>99.9%。

本实施方式中，两个CCD相机与观测区域间光程相等，两个CCD相机对于同一时刻观测区域内图像的成像时间误差不超过10ps。

本实施方式中，利用纹影法和丙酮PLIF来同时获得观测区域内气流流场结构的图像，通过不同观测时刻来获得气流流场结构的总的变化形式。需要说明的是，其中利用两个CCD相机来同时观测同一时刻的信息，要做到观测时刻的时间误差不超过10ps，需要对观测光的光程进行准确计算并利用高精度的数字延时脉冲信号发生器来完成时序控制。

具体实施方式二：本实施方式利用具体实施方式一所述装置可以实现观测不同真空度环境下气的流流场结构，由以下步骤实现：

步骤一、通过真空泵5改变真空室3内真空度，将预混丙酮气体的气流经由气体喷管4喷注进入真空室3；

步骤二、光源1的光经由准直镜2形成准直光通过真空室3内观测区域，刀口7放置在聚焦透镜6焦点处，所成纹影图像；

步骤三、激光经由平凹透镜14、准直凸柱透镜13、聚焦凸柱透镜12整形为片状光束通过真空室3内观测区域，激发丙酮分子产生荧光；

步骤四、调整激光片状光束、第一CCD相机10像平面、第二CCD相机17像平面与光源光柱在观测区域重合，高反高透镜9将光源发出的光全部通过进入后面的第一CCD相机10中获得纹影图像，同时将激光激发丙酮产生的荧光全部反射出并经由全反镜11进入第二CCD17获得丙酮荧光分布图像；

步骤五、将两个CCD相机分别获得的气流结构纹影图像及丙酮荧光分布图像进行对比矫正，获得不同真空度下气流喷注所形成的流程结构信息。

Claims (10)

1.一种观测不同真空度环境下气流流场结构的装置，其特征在于所述装置由光源、准直镜、压力变送器、气体喷管、真空室、聚焦透镜、刀口、镜头、高反高透镜、第一CCD相机、第二CCD相机和全反镜、聚焦凸柱透镜、准直凸柱透镜、平凹透镜、激光器、真空泵、气体喷管和真空泵构成，其中：沿X轴方向设置有光源、准直镜、真空室、聚焦透镜、刀口、镜头、高反高透镜、第一CCD相机、全反镜和第二CCD相机，沿Y轴方向设置有激光器、平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜、真空室，真空室上连接有压力变送器、气体喷管和真空泵，光源经准直镜准直后形成平行于X轴的光束，经真空室、聚焦透镜、刀口后进入高反高透镜，高反高透镜将光源发出的光全部通过进入后面的第一CCD相机中获得纹影图像，激光器发射的激光经平凹透镜扩束和准直凸柱透镜准直后形成平行于Y轴的光束，再经聚焦凸柱透镜形成垂直于X轴的片状光束，高反高透镜将片状光束激发真空室内丙酮产生的荧光全部反射出并经由全反镜进入第二CCD相机获得丙酮荧光分布图像。

2.根据权利要求1所述的观测不同真空度环境下气流流场结构的装置，其特征在于所述光源、准直镜、真空室、聚焦透镜、刀口、镜头、高反高透镜和第一CCD 相机为共轴形式存在。

3.根据权利要求1或2所述的观测不同真空度环境下气流流场结构的装置，其特征在于所述光源位于准直镜的焦点处，刀口位于聚焦透镜的焦点处。

4.根据权利要求1所述的观测不同真空度环境下气流流场结构的装置，其特征在于所述聚焦凸柱透镜、准直凸柱透镜和平凹透镜共轴形式存在。

5.根据权利要求1所述的观测不同真空度环境下气流流场结构的装置，其特征在于所述激光器输出激光波长为266nm，片状光束厚度<1mm。

6.根据权利要求1所述的观测不同真空度环境下气流流场结构的装置，其特征在于所述高反高透镜对于500nm以下波长反射率>99.9%，500nm以上波长透过率>99.9%。

7.根据权利要求1所述的观测不同真空度环境下气流流场结构的装置，其特征在于所述全反镜11的反射率>99.9%。

8.一种利用权利要求1所述观测不同真空度环境下气流流场结构的装置实现观测不同真空度环境下气流流场结构的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

步骤一、通过真空泵改变真空室内真空度，将预混丙酮气体的气流经由气体喷管喷注进入真空室；

步骤二、光源的光经由准直镜形成准直光通过真空室内观测区域，刀口放置在聚焦透镜焦点处，形成纹影图像；

步骤三、激光经由平凹透镜、准直凸柱透镜、聚焦凸柱透镜整形为片状光束通过真空室内观测区域，激发丙酮分子产生荧光；

步骤四、调整激光片状光束、第一CCD相机像平面、第二CCD相机像平面与光源光柱在观测区域重合，高反高透镜将光源发出的光全部通过进入后面的第一CCD相机中获得纹影图像，同时将激光片状光束激发丙酮产生的荧光全部反射出并经由全反镜进入第二个CCD相机获得丙酮荧光分布图像；

步骤五、将两个CCD相机分别获得的气流结构纹影图像及丙酮荧光分布图像进行对比矫正，获得不同真空度下气流喷注所形成的流程结构信息。

9.根据权利要求8所述的利用观测不同真空度环境下气流流场结构的装置实现观测不同真空度环境下气流流场结构的方法，其特征在于所述第一CCD相机和第二CCD相机与观测区域间光程相等。

10.根据权利要求8所述的利用观测不同真空度环境下气流流场结构的装置实现观测不同真空度环境下气流流场结构的方法，其特征在于所述第一CCD相机和第二CCD相机对于同一时刻观测区域内图像的成像时间误差不超过10ps。