CN105973852B - 燃料射流浓度场分布测试装置及其实施方法 - Google Patents

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Abstract

一种属于浓度场测试技术领域的燃料射流浓度场分布测试装置及其实施方法，包括激光器、倍频器、全反棱镜、片光生成镜组、定容弹系统、平面反光镜、滤镜、荧光信号探测器。本发明采用激光器产生准直的激光信号，经倍频器得到相应波长的准直激光信号，由一号全反棱镜和二号全反棱镜改变光路进入片光生成镜组，再经过片光生成镜组由准直光变成了片光，片光射入容弹内诱导示踪粒子产生荧光，荧光经过平面反光镜改变光路并经滤镜滤光后，被荧光信号探测器捕捉生成二维荧光图像，将生成的图像划分n个网格，并通过标定得到的浓度与光强的关系进行数值计算，从而得到定量的燃料喷雾浓度分布。本发明实验工况接近实际内燃机，对未来内燃机的开发有指导意义。

Description

燃料射流浓度场分布测试装置及其实施方法
技术领域
本发明涉及一种浓度场测试技术领域的的测试装置，特别是一种采用激光诱导荧光法的燃料射流浓度场分布测试装置及其实施方法。
背景技术
近年来，在内燃机技术的发展过程中，为了能更好的控制燃料的燃烧效率和排放，内燃机在燃烧前，燃料喷雾的浓度分布场是至关重要的，如果能够定量的确定燃料喷雾的浓度分布，对于喷雾的控制、燃烧室的设计等都有很好的参考价值。内燃机的光学诊断方法相较于探针法有着不干扰当地流场的优点，尤其是平面激光诱导荧光(PLIF)的方法能够将燃料的浓度分布定量地在二维图像中显示出来。传统的PLIF方法将示踪粒子(tracer)加进燃料中，需要严格选用与燃料物理性质相似的tracer，并需要在供油系统内混合均匀，操作难度较大；且标定时往往通过保持tracer在燃料中的浓度不变而改变不同次数的燃料喷射量的方法，这种标定方法对计算标定系数K有很大的不确定性。
发明内容
本发明为了解决传统PLIF操作难度较大、标定方法不确定性较大的问题，提供了一种燃料射流浓度场分布测试的实施装置，并利用该装置发明了一种燃料射流浓度场分布测试方法，该方法将tracer加进氛围气中，标定时只需改变tracer在氛围气中的浓度，且标定图像和计算图像是在同一次实验过程中的两次间隔拍摄得到，与传统方法相比降低了操作难度和计算标定系数K的不确定性。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括激光器、倍频器、一号全反棱镜、二号全反棱镜、片光生成镜组、定容弹系统、滤镜、平面反光镜、荧光信号探测器，用激光器产生准直的激光信号，经倍频器得到相应波长的准直的激光信号，由一号全反棱镜和二号全反棱镜改变光路进入片光生成镜组，再经过片光生成镜组由准直光变成了片光，片光射入容弹内诱导示踪粒子产生荧光，荧光经过平面反光镜改变光路并经滤镜滤光后，被荧光信号探测器捕捉生成二维荧光图像。荧光信号探测器用于探测示踪粒子的荧光信号，获得示踪粒子的荧光图像。
本发明还包括一种利用本发明装置测试燃料射流浓度场分布的测试方法，该方法的具体步骤为：
第一，激光器产生准直的激光信号，经过倍频器得到相应波长的准直的激光信号；
第二，经倍频的准直激光信号经一号全反棱镜和二号全反棱镜改变光路进入片光生成镜组，并被片光生成镜组转化为片光(片状激光信号)；
第三，片光经过定容弹内的定温(T)定压(p)的氛围气，激发氛围气中已知浓度并均匀分布的示踪粒子，产生荧光信号；
第四，采用荧光信号探测器对示踪粒子发出的荧光进行探测，获得二维荧光图像，作为标定图像；
第五，将标定图像划分为n个网格，提取每个网格中的平均灰度值F，其中n为整数；
第六，对于第i个网格，灰度值Fi和当地示踪粒子浓度Ci(x)的关系由公式Fi＝K·Ci(x)得到，由此关系计算出标定系数K；
第七，喷射器喷射燃料，激光器同步再次发出激光，经倍频器、一号全反棱镜、二号全反棱镜、片光生成镜组进入已喷入燃料的温度为T，喷射背压为p的定容弹内，激发氛围气中的示踪粒子发出荧光，由荧光信号探测器获得二维荧光图像，作为计算图像；
第八，将计算图像划分为n个网格，提取每个网格中的平均灰度值F，其中n为整数；
第九，由得到的K值和荧光信号探测器得到的灰度值F，通过数值计算，可以定量地得到第i个网格的示踪粒子浓度分布Ci(x)＝Fi/K，燃料喷雾浓度Cj(x)则由公式Cj(x)＝1-Ci(x)/C0计算得到，燃料喷雾中的氛围气浓度Ca(x)则由公式Ca(x)＝Ci(x)/C0，其中C0为初始时刻混合均匀的氛围气中的示踪粒子浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用平面激光诱导荧光的成像装置，设计了一种测量燃料喷雾在容弹内浓度分布的方法。本发明解决了传统方法将示踪粒子加入燃料中并充分混合的繁琐问题，并提出了将示踪粒子加入氛围气中的简便方法，用来测量燃料喷雾在容弹内浓度分布。本方法实验工况均接近于实际内燃机，对未来内燃机的开发有指导意义。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
附图中的标号分别为：1、激光器，2、倍频器，3、一号全反棱镜，4、二号全反棱镜，5、片光生成镜组，6、定容弹系统，7、平面反光镜，8、滤镜，9、荧光信号探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的具体实施方式一如图1所示，本发明包括激光器1、倍频器2、一号全反棱镜3、二号全反棱镜4、片光生成镜组5、定容弹系统6、平面反光镜7、滤镜8、荧光信号探测器9，用激光器1产生准直的激光信号，经倍频器2得到相应波长的准直的激光信号，由一号全反棱镜3和二号全反棱镜4改变光路进入片光生成镜组5，再经过片光生成镜5组由准直光变成了片光，片光射入定容弹系统6内诱导示踪粒子产生荧光，荧光经过平面反光镜7改变光路并经滤镜8滤光后，被荧光信号探测器9捕捉生成二维荧光图像。荧光信号探测器9用于探测示踪粒子的荧光信号，获得示踪粒子的荧光图像。
具体实施方式二，本实施方式是具体实施方式一所述的燃料射流浓度场分布测试装置的进一步说明，定容弹系统6中喷射燃料，定容弹系统6中充入的氛围气为惰性气体，氛围气中充入示踪粒子，且示踪粒子为有机化合物。
进一步地，示踪粒子可选用丙酮。
具体实施方式三，本实施方式是具体实施方式一所述燃料射流浓度场分布测试装置的进一步说明，激光器1采用Nd:YAG激光器。
具体实施方式四，本实施方式是具体实施方式一所述燃料射流浓度场分布测试装置的进一步说明，荧光信号探测器9采用ICCD相机。
具体实施方式五，本实施方式是具体实施方式一所述燃料射流浓度场分布测试装置的进一步说明，片光生成镜组5采用焦距为500mm的凸面球透镜和焦距为-30mm的凹面柱透镜。
具体实施方式六，本实施方式是具体实施方式一所述燃料射流浓度场分布测试装置的进一步说明，滤镜8的中心波长为390nm，带宽为18nm。
具体实施方式七，本方法是具体实施方式一的实施方法，该方法的具体步骤为：
第一，激光器1产生准直的激光信号，经过倍频器2得到相应波长的准直的激光信号；
第二，经倍频的准直激光信号经一号全反棱镜3和二号全反棱镜4改变光路进入片光生成镜组5，并被片光生成镜组5转化为片光(片状激光信号)；
第三，片光经过定容弹内的定温(T)定压(p)的氛围气，激发氛围气中已知浓度并均匀分布的示踪粒子，产生荧光信号；
第四，采用荧光信号探测器9对示踪粒子发出的荧光进行探测，获得二维荧光图像，作为标定图像；
第五，将标定图像划分为n个网格，提取每个网格中的平均灰度值F，其中n为整数；
第六，对于第i个网格，灰度值Fi和当地示踪粒子浓度Ci(x)的关系由公式Fi＝K·Ci(x)得到，由此关系计算出标定系数K；
第七，喷射器喷射燃料，激光器同步再次发出激光，经倍频器2、一号全反棱镜3、二号全反棱镜4、片光生成镜组5进入已喷燃料的温度为T，喷射背压为p的定容弹内，激发氛围气中的示踪粒子发出荧光，由荧光信号探测器9获得二维荧光图像，作为计算图像；
第八，将计算图像划分为n个网格，提取每个网格中的平均灰度值F，其中n为整数；
第九，由得到的K值和荧光信号探测器9得到的灰度值F，通过数值计算，可以定量地得到第i个网格的示踪粒子浓度分布Ci(x)＝Fi/K，燃料喷雾浓度Cj(x)则由公式Cj(x)＝1-Ci(x)/C0计算得到，燃料喷雾中的氛围气浓度Ca(x)则由公式Ca(x)＝Ci(x)/C0其中C0为初始时刻混合均匀的氛围气中的示踪粒子浓度。
本实施方式所述方法利用MATLAB软件提取出已经获得的二维荧光图像的灰度值，利用标定图像得到标定系数K，并由计算图像的灰度值计算出示踪粒子的浓度，再利用示踪粒子的浓度计算出燃料喷雾浓度和燃料喷雾中的氛围气浓度。
进一步地，燃料可选用天然气，二甲基醚、甲醇、乙醇、丁醇、高分子碳氢化合物等燃料。
具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式七所述实施方法的进一步说明，步骤一中获得的倍频后的波长为266nm。
具体实施方式九、本实施方式是对具体实施方式七所述的基于氛围气的平面激光诱导荧光对燃料喷雾浓度分布的定量测量方法的进一步说明，步骤二获得的片状脉冲信号在工作区域的光束面积大小为100mm×0.5mm，激光能量为60mJ，脉冲宽度为5ns。

Claims (6)

1.一种实施燃料射流浓度场分布测试装置的方法，其中：
燃料射流浓度场分布测试装置，包括激光器(1)和倍频器(2)，还包括一号全反棱镜(3)、二号全反棱镜(4)、片光生成镜组(5)、定容弹系统(6)、平面反光镜(7)、滤镜(8)、荧光信号探测器(9)，激光器(1)和倍频器(2)布置在一起，激光器(1)产生的光源依次按照倍频器(2)、一号全反棱镜(3)、二号全反棱镜(4)、片光生成镜组(5)、定容弹系统(6)、平面反光镜(7)、滤镜(8)的路径传播，最后被荧光信号探测器(9)捕捉；
其特征在于包括以下步骤：
第一，先进行标定实验，激光器(1)产生准直的激光信号，经过倍频器(2)得到相应波长的准直的激光信号；
第二，经倍频的准直激光信号经一号全反棱镜(3)和二号全反棱镜(4)改变光路进入片光生成镜组(5)，并被片光生成镜组(5)转化为片光(片状激光信号)；
第三，片光经过定容弹内的定温(T)定压(p)的氛围气，激发氛围气中已知浓度并均匀分布的示踪粒子，产生荧光信号；
第四，采用荧光信号探测器(9)对示踪粒子发出的荧光进行探测，获得二维荧光图像，作为标定图像；
第五，将标定图像划分为n个网格，提取每个网格中的平均灰度值F，其中n为整数；
第六，对于第i个网格，灰度值Fi和当地示踪粒子浓度Cl(x)的关系由公式Fl＝K·Cl(x)得到，由此关系计算出标定系数K；
第七，喷射器喷射燃料，激光器同步再次发出激光，经倍频器、一号全反棱镜、二号全反棱镜、片光生成镜组进入已喷入燃料的温度为T，喷射背压为p的定容弹内，激发氛围气中的示踪粒子发出荧光，由荧光信号探测器获得二维荧光图像，作为计算图像；
第八，将计算图像划分为n个网格，提取每个网格中的平均灰度值F，其中n为整数；
第九，由得到的K值和荧光信号探测器得到的灰度值F，通过数值计算，可以定量地得到第i个网格的示踪粒子浓度分布Cl(x)＝Fl/K，燃料喷雾浓度Cj(x)则由公式Cj(x)＝1-Ci(x)/C0计算得到，燃料喷雾中的氛围气浓度Ca(x)则由公式Ca(x)＝Ct(x)/Cc，其中C0为初始时刻混合均匀的氛围气中的示踪粒子浓度；
标定图像和计算图像是在同一次实验过程中的两次间隔拍摄得到。
2.根据权利要求1所述的实施燃料射流浓度场分布测试装置的方法，其特征在于定容弹系统(6)中喷射燃料，定容弹系统(6)中充入的氛围气为惰性气体，氛围气中充入示踪粒子，且示踪粒子为有机化合物。
3.根据权利要求2所述的实施燃料射流浓度场分布测试装置的方法，其特征在于激光器(1)采用脉冲激光器。
4.根据权利要求3所述的实施燃料射流浓度场分布测试装置的方法，其特征在于荧光信号探测器(9)采用ICCD相机。
5.根据权利要求4所述的实施燃料射流浓度场分布测试装置的方法，其特征在于片状激光信号生成镜组(5)采用凸面球透镜和凹面柱透镜。
6.根据权利要求5所述的实施燃料射流浓度场分布测试装置的方法，其特征在于滤镜(8)采用带通滤光片，滤镜(8)中心波长和带宽由示踪粒子的发射光谱决定。
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