CN108645623A - 发动机燃烧室燃烧效率测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机燃烧室燃烧效率测量方法及其测量装置，该方法包括以下步骤：步骤S100：采用二维重建算法二维分布测量燃烧室中至少两个横截面处流场的温度和组分浓度；步骤S200：通过安装在发动机燃烧室内的多个测速探头组，获取来流的位移光电信号，根据位移光电信号采用多普勒频移测量流场速度；步骤S300：根据流场的温度、组分浓度和流场速度计算燃烧室任意两横截面之间燃烧产物的质量流量差值，根据质量流量差值计算发动机的燃烧效率。该方法适用于测量非均匀流场的测量。本发明的又一方面还提供了该方法用测量装置。

Description

发动机燃烧室燃烧效率测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种发动机燃烧室燃烧效率测量装置及其测量方法，属于光学流场诊断领域。

背景技术

燃烧效率可用于表征燃烧是否燃烧完全，是评估燃烧室性能的重要参数之一。通过测量燃烧室出口处燃烧产物的质量流量和燃烧室入口处截面燃烧产物质量流量的差值，与燃料完全转化为燃烧产物的质量流量进行对比，从而得到燃烧室的燃烧效率。

在实际燃烧流场中，由于化学反应、流动混合的存在，使得燃烧流场中垂直流道方向的温度分布不均匀，仅依据单点温度不能反映流场的内部信息，无法准确计算实际流场的燃烧效率。采用传统的侵入式探针、测量耙等设备虽然可以实现对流场温度分布的测量，但探入流场内的探测装置会严重干扰流场。

但是现有发动机燃烧室燃烧效率测量方法，仍然主要依靠设置探头对流场进行测量，而且现有燃烧效率侧方法要么将燃烧室内的流场视为均匀流场；要么仅仅做了燃烧室出口处的气体参数的二维分布研究，均未对非均匀流场的燃烧效率提供可实施的测量方法。同时现有测量方法还存在：不适用于超声速气流参数；仅适用于实验室环境下等问题。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种可用于发动机燃烧性能评估的发动机燃烧室燃烧效率测量方法，该方法将燃烧流场视为非均匀流场并对燃烧效率做出评估，该方法适用于测量非均匀流场的测量。

所述发动机燃烧室燃烧效率测量方法，包括以下步骤：

步骤S100：多个温度浓度测量探头组阵列排布于所述燃烧室中至少两个横截面内获取来流二维分布的光电信号，根据所述光电信号采用可调谐半导体激光吸收光谱法，计算所述横截面内流场温度和组分浓度的二维分布；

步骤S200：通过安装在所述发动机燃烧室至少两个横截面内的多个测速探头组，获取所述来流的位移光电信号，根据所述位移光电信号采用多普勒频移测量流场速度；

步骤S300：根据所述流场的温度、组分浓度和所述流场速度计算所述燃烧室任意两横截面之间燃烧产物的质量流量差值，根据所述质量流量差值计算所述发动机的燃烧效率。

优选的，所述步骤S100包括以下步骤：

步骤S110：多个温度浓度测量探头组阵列排布后将所述横截面f(x,y)离散分割成N个二维网格，并假设在所述二维网格内气体温度、组分浓度、压强保持不变；

步骤S120：所述温度浓度测量接收探头获得各所述二维网格内的所述光电信号，按下式计算所述横截面内吸收光谱的吸收面积；

式中，α为光谱吸收率信号，P为气体总压，χ为待测气体组分浓度，S(T)为所用谱线ν在温度T时的谱线强度，L为激光束穿过被测流场的长度；

步骤S130：求解式(1)得到所述横截面内所述流场温度和所述组分浓度的二维分布。

可选的，所述式(1)求解包括离散式(1)后采用代数迭代算法求解的步骤。

可选的，所述温度浓度测量探头组包括相互光路连接的温度浓度测量发射探头和温度浓度测量接收探头，所述温度浓度测量发射探头发射激光穿过所述横截面流场后被所述温度浓度测量接收探头接收。

优选的，所述步骤S200包括以下步骤：

步骤S210：所述测速探头组包括相互之间光路连接的测速发射探头和测速接收探头，第i组所述测速探头组和第i+1组所述测速探头组相邻并沿所述流场来流方向间隔排布，第i组中所述测速发射探头发射激光被第i+1组中所述测速接收探头接收，第i+1组中所述测速发射探头发射激光被第i组中所述测速接收探头接收，第i组所述测速发射探头发射激光和第i+1组中所述测速发射探头发射激光所成夹角为2θ，i为任意正整数；

步骤S220：测量各束所述测速发射探头发射顺来流方向激光束和逆来流方向激光束吸收光谱的中心频率，计算第i组中所述测速发射探头发射激光与第i+1组中所述测速发射探头发射激光的中心频差；

步骤S230：根据所述中心频差计算得到第i组所述测速探头处的流场速度，以及第i+1组所述测速探头组处的流场速度。

优选的，所述步骤S300包括以下步骤：

步骤S310：计算所述燃烧室任两横截面上燃烧产物的质量流量：

步骤S320：计算所述燃烧室任两横截面上燃烧产物的质量流量差值，根据式(9)计算燃烧室燃烧效率η：

式中，为所述质量流量差值，为燃料全部转化为燃烧产物后的质量流量。

可选的，所述燃烧室的至少两个横截面为所述燃烧室的来流端和出气端。

本发明的又一方面公开了一种发动机燃烧室燃烧效率的测量装置，包括：激光入射光路、燃烧室和光电信号转换器；

所述燃烧室：包括多个测速探头组和多个温度浓度测量探头组；

所述测速探头组分别安装于所述燃烧室的至少两个横截面上；

所述测速探头组与所述激光入射光路光路连接，并与所述光电信号转换器数据连接；

所述温度浓度测量探头组与所述激光入射光路光路连接，并与所述光电信号转换器数据连接；

所述温度浓度测量探头组分别安装于所述燃烧室的至少两个横截面上的内壁上，并在所述燃烧室的至少两个横截面上阵列排布，将所述燃烧室的至少两个横截面均分割为多个二维网格。

可选的，所述测速探头组包括相互之间光路连接的测速发射探头和测速接收探头，所述测速发射探头与所述激光入射光路光路连接；

所述测速接收探头与所述光电信号转换器数据连接。

可选的，所述温度浓度测量探头组包括相互光路连接的温度浓度测量发射探头和温度浓度测量接收探头，所述温度浓度测量发射探头与所述激光入射光路光路连接；

所述温度浓度测量接收探头与所述光电信号转换器数据连接。

可选的，所述燃烧室的至少两个横截面为所述燃烧室的来流端和出气端。

可选的，所述测速发射探头包括相邻且沿来流方向间隔排布的第i个测速发射探头和第i+1个测速发射探头；所述测速接收探头包括相邻且沿来流方向间隔排布的第i个测速接收探头和第i+1个测速接收探头；所述第i个测速发射探头与所述第i+1个测速接收探头光路连接；所述第i+1个测速发射探头与所述第i个测速接收探头光路连接。

可选的，连接所述第i个温度浓度测量发射探头与所述第i+1个温度浓度测量接收探头的光路与所述第i+1个温度浓度测量发射探头与所述第i个温度浓度测量接收探头连接的光路夹角为2θ范围为10～45°。

可选的，所述激光入射光路包括激光器和分束器，所述激光器与所述分束器光路连接，所述分束器分别与所述测速探头组和所述温度浓度测量组光路连接。

可选的，所述激光入射光路还包括激光控制器，所述激光控制器与所述激光器控制连接。

本发明的有益效果包括但不限于：

(1)本发明所提供的发动机燃烧室燃烧效率的测量方法，利用激光吸收光谱断层诊断技术(TDLAT)获得被测截面气体参数的二维分布，同时利用多普勒频移原理测量顺气流方向和逆气流方向，吸收光谱的中心频率差值，进而计算得到燃烧室入口和出口截面燃烧产物的质量流量变化。通过与燃料完全转化为燃烧产物的质量流量进行对比，从而实现对燃烧室燃烧效率的测量。

(2)本发明所提供的发动机燃烧室燃烧效率的测量方法，将燃烧室入口和出口截面视为非均匀分布流场，可以有效测量燃烧室燃烧产物的质量流量，尤其适用于超燃发动机、亚燃发动机和内燃机等多种发动机燃烧效率测量。该方法可用于二维测量燃烧场入口、出口截面温度以及各组分浓度。

(3)本发明所提供的发动机燃烧室燃烧效率的测量方法，通过光学测量手段，避免使用需伸入流程内的探测装置，在不干扰被测流场的情况下，实现对被测流场参数的二维分布测量。

(4)本发明所提供的发动机燃烧室燃烧效率的测量方法，在测量入口和出口气体温度不均匀的流场时，相比于现有的一维温度测量方法，可以有效提高测量精度，有利于对燃烧室燃烧效率的测量和计算。

(5)本发明所提供的发动机燃烧室燃烧效率的测量方法，仅需获得燃烧室入口和出口截面处，燃烧产物的质量流量，即可获得发动机燃烧室燃烧效率，避免使用探测头伸入流场中对流场造成干扰，测量精度较高，测量过程简便易行。

(6)本发明所提供的发动机燃烧室燃烧效率的测量装置，结构简单，搭建容易，易于操作。

附图说明

图1是本发明提供的发动机燃烧室燃烧效率测量方法流程示意框图；

图2是本发明提供的发动机燃烧室燃烧效率的测量装置结构示意图；

图3是本发明优选实施例中燃烧室右侧视示意图；

图4是本发明优选实施例中燃烧室测量原理说明示意图；

图5是本发明优选实施例中测量多普勒频移结果示意图；

部件和附图标记列表：

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

参见图1，本发明提供的发动机燃烧室燃烧效率测量方法，包括以下步骤：

步骤S100：多个温度浓度测量探头组阵列排布于燃烧室中至少两个横截面内获取来流二维分布的光电信号，根据光电信号采用可调谐半导体激光吸收光谱法，计算横截面内流场温度和组分浓度的二维分布；

步骤S200：通过安装在发动机燃烧室至少两个横截面内的多个测速探头组，获取来流的位移光电信号，根据位移光电信号采用多普勒频移测量流场速度；

步骤S300：根据流场的温度、组分浓度和流场速度计算燃烧室任意两横截面之间燃烧产物的质量流量差值，根据质量流量差值计算发动机的燃烧效率。

本方法可以应用于超燃冲压发动机、亚燃冲压发动机和内燃机等多种发动机燃烧性能评估，具有不干扰被测流场、多参数同步测量的优势。采用可调谐半导体激光吸收光谱断层诊断技术获得流场的温度和组分浓度的二维分布，再利用多普勒频移获得流场速度，通过计算发动机隔离段和燃烧室出口处燃烧产物水分子的质量流量变化，评估发动机的燃烧性能。该测量方法中所用二维重建算法和多普勒频移测量方法按现有步骤进行即可。任两横截面可以为燃烧室的入口和出口也可以根据测量要求进行调整。测速探头组以能完成测量要求的数据采集的方式安装即可。温度浓度测量探头组以能完成测量的方式安装即可。该方法可以用于检测的组分包括水组分，但不限于此。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)进行测量。TDLAS测量方法是一种光学测量技术，可以有效避免干扰被测流场，具有灵敏度高、抗噪声能力强、环境适应性强等优势。基于TDLAS技术可以实现对气流速度、温度、组分浓度和质量流量的测量，还可以针对流场内特定组分的相关参数进行测量。

现有技术中通过将TDLAS技术与计算机断层诊断技术(CT)相结合，得到激光吸收光谱断层诊断技术(TDLAT)，TDLAT方法可以实现对流场温度和组分浓度的二维分布测量。

TDLAT发测量的基本原理是将被测流场离散成为一定数目的网格，假设在每个网格内气体参数是恒定的，通过在同一平面内测量不同方向的吸收光谱的吸收面积，再利用反演算法得到被测流场气体参数的二维分布信息。

优选的，步骤S100包括以下步骤：

步骤S110：

多个温度浓度测量探头组阵列排布后将横截面f(x,y)离散分割成N个二维网格，并假设在二维网格内气体温度、组分浓度、压强保持不变；

步骤S120：获得各二维网格内的光电信号，按下式计算横截面内吸收光谱的吸收面积；

式中，α为光谱吸收率信号，P[atm]为气体总压，χ为待测气体组分浓度，S(T)[cm^-2/atm]为所用谱线ν在温度T[K]时的谱线强度，L[cm]为激光束穿过被测流场的长度；

步骤S130：求解式(1)得到二维网格组成的横截面内的流场温度和实时组分浓度。

此步骤中温度浓度测量探头组阵列遍布后将横截面分割为多个二维网格，是指以矩形横截面为例，温度浓度测量探头组成对沿横截面的边安装于燃烧室的内壁上，同时温度浓度测量探头组内所形成的激光束，将横截面分割为多个二维矩形网格，按此设置称为阵列式排布。例如所述温度浓度测量探头组包括相互光路连接的温度浓度测量发射探头和温度浓度测量接收探头，所述温度浓度测量发射探头发射激光穿过所述横截面流场后被所述温度浓度测量接收探头接收。

优选的，式(1)求解包括离散式(1)后采用代数迭代算法求解。

具体的式(1)的求解过程如下：

S(T)吸收谱线强度随温度的变化可以表示为：

其中，T₀为参考温度296K，E″为低能态能级，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，c为光速，Q(T)为温度T时的配分函数值，Q(T₀)为温度T₀时的配分函数值，v为谱线的中心频率，一定温度范围内的配分函数可以用多项式表示。由于f(x,y)被离散成N个二维网格，将方程(1)改写成离散方程形式：

其中，A_v,i为所用谱线v的第i条光线的投影值，L_ij表示第i条光线穿过第j个网格的长度，i是光线编号，f_v，j是第j个网格的压强、温度和组分浓度的乘积，X是组分浓度。

采用代数迭代算法，重建被测流场的温度和组分浓度的二维分布，得到每个截面的温度和组分浓度。

本发明采用代数迭代算法，其迭代算法表达式可以写为

其中，w为迭代次数，α为松弛因子，L_i为第i条光线穿过流场所有网格长度构成的向量，A_i为第i条光线的投影值。由于温度场和浓度场均为正值，在迭代过程中加入非负性限制。

优选的，步骤S200包括以下步骤：

步骤S210：测速探头组包括相互之间光路连接的测速发射探头和测速接收探头，第i组测速探头组和第i+1组测速探头组相邻并沿流场来流方向间隔排布，第i组中测速发射探头发射激光被第i+1组中测速接收探头接收，第i+1组中测速发射探头发射激光被第i组中测速接收探头接收，第i组和第i+1组中测速发射探头发射激光所成夹角为2θ；i为任意正整数。θ为测速探头组中所发射激光与法向所成角。

步骤S220：测量各束测速发射探头发射激光顺来流方向和逆来流方向吸收光谱的中心频率，计算第i组中测速发射探头发射激光与第i+1组中测速发射探头发射激光的中心频差；

步骤S230：根据中心频差计算得到第i组测速探头处的流场速度，以及第i+1组测速探头组处的流场速度。

此处的顺来流方向是指沿来流方向传输激光束，此处第i组所述测速探头组产生顺来流激光束；逆来流方向是指逆来流方向传输的激光束，第i+1组所述测速探头组产生逆来流激光束。

流场速度按以下步骤求解：具体气流具有平行于光束路径方向的速度分量，吸收跃迁的中心频率将出现频移，频移量可表示为

其中，Δν[cm^-1]是中心频率的移动量，ν₀[cm^-1]是未移动时的线心频率，c[cm/s]是光速，U[cm/s]是气流的速度，U_p是平行于光束方向的速度分量。本发明中用与流速方向成不同角度的两光束吸收线的中心频差来确定相对频移量。两束光的中心频差

根据公式(6)，分别获得气流的入口速度和出口速度。

优选的，步骤S300包括以下步骤：

步骤S310：计算燃烧室任两横截面上燃烧产物的质量流量：

步骤S320：计算燃烧室任两横截面上燃烧产物的质量流量差值，根据式(9)计算燃烧室燃烧效率η：

式中，为质量流量差值，为燃料全部转化为燃烧产物后的质量流量。

在具体实施例中：(1)计算燃烧室入口和出口截面燃烧产物的质量流量；

入口截面被离散成N个网格，入口截面燃烧产物质量流量可以表示为：

其中，ρ为燃烧产物密度，U是气流的速度矢量，p_a为入口处流场压强，R为气体常数，U_a为入口处测得气流的速度矢量，T_ai为入口截面每个网格的温度，为每个网格的入口截面积与该网格温度比后求和，U_a为入口截面的气流速度。

出口截面被离散成M个网格，出口截面燃烧产物质量流量可以表示为：

式中，ρ为燃烧产物密度，为出口截面积，p_e为出口处流场压强，R为气体常数，T_ei为出口截面每个网格的温度，U_e为出口截面的气流速度。

(2)根据燃烧室入口和出口截面燃烧产物的质量流量的差值，假设燃料全部转化为燃烧产物后的质量流量为计算燃烧室燃烧效率η。

参见图2，本发明的另一方面还提供了一种发动机燃烧室200燃烧效率测量装置，包括：激光入射光路、燃烧室200和光电信号转换器；燃烧室200包括多个测速探头组和多个温度浓度测量探头组；多个测速探头组分别安装于燃烧室200的至少两个横截面上；测速探头组与激光入射光路光路连接，并与光电信号转换器数据连接；温度浓度测量探头组与激光入射光路光路连接，并与光电信号转换器数据连接；多个温度浓度测量探头组分别安装于燃烧室200的至少两个横截面上的内壁上，并在燃烧室200的至少两个横截面上阵列排布，将燃烧室200的至少两个横截面上分别分割为二维网格。

本文中二维网格是指，各网格结构中单元格为菱形或矩形的二维网状结构。通过将燃烧室200的至少两个横截面上分别均分割为二维网状结构，能实现利用二维重建算法分别实现对隔离段和燃烧室2002个截面处温度和水分子组分浓度的二维分布测量。可根据测量需要分别在燃烧室200的至少两个横截面上设置温度浓度测量探头组。根据测量需要，可将相应的测量探头设置于多个横截面上。

优选的，测速探头组包括相互之间光路连接的测速发射探头和测速接收探头，测速发射探头与测量激光入射光路光路连接；测速接收探头与光电信号转换器数据连接；温度浓度测量探头组包括相互光路连接的温度浓度测量发射探头和温度浓度测量接收探头，温度浓度测量发射探头与测量激光入射光路光路连接；温度浓度测量接收探头与光电信号转换器数据连接。

根据安装在发动机燃烧室200入口和出口2个截面上的多路激光接收、发射探头实现对该截面信息的采集测量，同时避免了采用有形探头对来流的干扰，提高了测量结果去准确性。

优选的，燃烧室200的至少两个横截面为燃烧室200的来流端和/或出气端。

参见图4，优选的，测速发射探头包括相邻且沿来流方向间隔排布的第i个测速发射探头和第i+1个测速发射探头；测速接收探头包括相邻且沿来流方向间隔排布的第i个测速接收探头和第i+1个测速接收探头；第i个测速发射探头与第i+1个测速接收探头光路连接；第i+1个测速发射探头与第i个测速接收探头光路连接。根据安装在沿着发动机来流方向激光接收探头的吸收信号，利用多普勒频移测量流场速度。

优选的，连接第i个温度浓度测量发射探头与第i+1个温度浓度测量接收探头的光路与第i+1个温度浓度测量发射探头与第i个温度浓度测量接收探头连接的光路夹角为2θ范围为10～45°。

优选的，温度浓度测量组为20～28个；测速探头组为4～10个。按此设置，能实现定量分析发动机燃烧效率。具体探头的设置数量可根据需要进行调整。

优选的，测量激光入射光路包括激光器120和分束器，激光器120与分束器光路连接，分束器分别与测速探头组和温度浓度测量组光路连接。通过对激光器120产生的单路激光进行分束，分束后的激光分别进入各测速探头组、温度浓度测量组光路连接。为了保持入射激光的强度，可根据需要设置多个激光器120，并对激光器120出射激光设置合束器130，对合束后的激光再分束产生所需路数的激光即可。

参见图1，在一具体实施例中，测量激光入射光路包括2个激光器120、合束器130和分束器，2个激光器120产生的激光与合束器130光路连接，经其合束后，与分束器光路连接。分束器分别与设置于燃烧室200来流端和出气端的测速探头组和温度浓度测量组中的发射探头光路连接，提供测量所需激光。

优选的，测量激光入射光路还包括激光控制器110，激光控制器110与激光器120控制连接。

以下结合具体实施例，对本发明提供的发动机燃烧室200燃烧效率测量装置进行详细说明：

实施例发动机燃烧室燃烧效率测量装置

参见图2，发动机燃烧室200燃烧效率测量装置包括：激光控制器110，与激光器120控制连接，用于控制激光器120发出激光或停止发射激光。激光控制器110与激光器120控制连接。在本实施例中，激光控制器110与2个激光器120相连接。显然也可以并不仅与2个激光器120连接，也可以根据测量的需要设置多个激光器120，以保证测量强度需要。两个激光器120出射激光与合束器130光路连接。合束器130与第一分束器140光路连接。2个激光器120出射激光经过合束后，进入第一分束器140后，分束为2路激光后分别进入第二分束器。第二分束器包括第二分束器a和第二分束器b，分别对第一分束器140出射的2路激光进行分束。各第二分束器又将2路激光分别分束为16路激光。第二分束器a与第一入口激光发射探头210光路连接。第二分束器b与第一出口激光发射探头250光路连接。激光分别通过第一入口激光发射探头210、第一出口激光发射探头250射出后，在燃烧室200的入口端、出口端分别形成激光阵列。

燃烧室200的第一端为气流来流端，第二端为气流出气端。第一入口激光发射探头210设置于来流端上，并向燃烧室200内出射激光。第一入口激光发射探头210分设于来流端的内壁上，沿燃烧室200径向延伸。第一入口激光发射探头210出射的激光被与之对应设置的第一入口激光接收探头220接收。参见图2，在具体实施例中，第一入口激光发射探头210包括第一入口激光发射探头210a和第一入口激光发射探头210b。第一入口激光发射探头210a设置于燃烧室200的横向边长上。第一入口激光发射探头210b设置于燃烧室200的纵向边长上。第一入口激光接收探头220包括第一入口激光接收探头220a和第一入口激光接收探头220b。第一入口激光接收探头220a设置于燃烧室200的横向边长上并与第一入口激光发射探头210a光路连接。第一入口激光接收探头220b设置于燃烧室200的纵向边长上并与第一入口激光发射探头210b光路连接。与之相似，燃烧室200的出气端上同样设置第一出口激光发射探头250和第一出口激光接收探头260。设置方式与来流端相似，在此不累述。按此设置能实现对燃烧室200来流端和出气端的截面温度和组分浓度的二维测量。参见图3～4，通过阵列排布第一入口激光发射探头210和第一入口激光接收探头220，可将来流端截面分割为多个单元格，并分别测量各单元格内参数，从而实现二维测量，避免了来流非均匀情况下的测量误差，提高了测量的准确性，使该测量装置及其对应的测量方法能运用于来流不稳定、不均匀环境下，温度、组分浓度的准确测量。

在具体实施例中，二维测量所用激光为28路。

为了测量燃烧室200来流端和出气端的来流速度，还包括第二入口激光接收探头240、第二入口激光发射探头230。第二入口激光发射探头230与第二分束器a光路连接。第二入口激光接收探头240与第二入口激光发射探头230光路连接，并用于接收第二入口激光接收探头240出射的激光。第二入口激光接收探头240、第二入口激光发射探头230设置于燃烧室200来流端的内壁上，二者处于来流端的同一截面上。

在一具体实施例中，用于测量速度的激光为4路激光，各路激光分别与一个第二入口激光发射探头230光路连接。该第二入口激光发射探头230与第二入口激光接收探头240光路连接。在燃烧室200的出流端还包括第二出口激光发射探头270和第二出口激光接收探头280，其设置方式与来流端相同，在此不累述。

还包括数据采集器310，数据采集器310分别与第一入口激光接收探头220、第二入口激光接收探头240、第一出口激光接收探头260和第二出口激光接收探头280数据连接。各激光接收探头获取的光信号转化为电信号。转换为电信号后可通过示波器或其他设备对其进行处理或分析。在一具体实施例中，数据采集器310采集32路激光束400经过被测流场区域后，被激光接收探头接收，光信号转化为电信号，电信号经数据采集器310采集后经数据传输线传输给计算机320。

所用激光器120可以为DFB(Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器120。本文中，第一分束器140为可以将一束激光分束为二束激光的分束器。第二分束器为可以将一束激光分束为16束激光的分束器。第一入口激光发射探头210设置于燃烧室200入口处，并用于发射激光的探头阵列式排布。第一入口激光接收探头220阵列式排布，并用于接收第一入口激光发射探头210发射的激光。第二入口激光发射探头230，所发射激光用于测量进入燃烧室200的流体的速度。第二入口激光接收探头240，用于接收第二入口激光发射探头230发射激光。第一出口激光发射探头250，设置于燃烧室200的出口处，并用于在出口处发射激光。第二出口激光发射探头270，设置于燃烧室200的出口处，并向燃烧室200内发射测速激光，激光为阵列式发射。第二出口激光接收探头280，设置于燃烧室200的出口处，并接收第二出口激光发射探头270发射的激光。

实施例：发动机燃烧室燃烧效率测量方法

该测量方法实施例中所用装置为前述测量装置实施例中公开的测量装置：

S100：测量截面温度和浓度的二维分布，

(1)在发动机燃烧室入口截面处安装多路激光发射探头和激光接收探头；

(2)将入口截面f(x,y)离散分割成N个网格，并假设在离散网格区域内气体温度、组分浓度、压强保持不变；

(3)获得不同方向激光吸收信号，计算吸收光谱的吸收面积；

吸收面积可以表示为

式中，α为光谱吸收率信号，P[atm]为气体总压，χ为待测气体组分浓度，S(T)[cm^-2/atm]为所用谱线ν在温度T[K]时的谱线强度，L[cm]为激光束穿过被测流场的长度。

吸收谱线强度随温度的变化可以表示为：

其中T₀为参考温度296K，E″为低能态能级，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，c为光速，Q(T)为温度T时的配分函数值，Q(T₀)为温度T₀时的配分函数值，v为谱线的中心频率，一定温度范围内的配分函数可以用多项式表示。由于f(x,y)被离散成N个二维网格，将方程(1)改写成离散方程形式：

其中，A_v,i为采用谱线v的第i条光线的投影值，L_ij表示第i条光线穿过第j个网格的长度，i是光线编号，f_v，j是第j个网格的压强、温度和组分浓度的乘积，X是组分浓度。

(4)采用代数迭代算法，重建被测流场的温度和组分浓度的二维分布。

本发明采用代数迭代算法，其迭代算法表达式可以写为

其中，w为迭代次数，α为松弛因子，L_i为第i条光线穿过流场所有网格长度构成的向量，A_i为第i条光线的投影值。由于温度场和浓度场均为正值，在迭代过程中加入非负性限制。

步骤S200：流场速度测量：

(1)在燃烧室入口和出口处沿着气流方向安装激光器速度发射探头和激光接收探头，激光器速度发射探头输出两束激光，一束与法向成θ角指向上游，另一束以相同的角度指向下游；

(2)测量沿着气流方向和逆着气流方向吸收光谱的中心频率的差值；

气流具有平行于光束路径方向的速度分量，吸收跃迁的中心频率将出现频移，频移量可表示为

其中，Δν[cm^-1]是中心频率的移动量，ν₀[cm^-1]是未移动时的线心频率，c[cm/s]是光速，U[cm/s]是气流的速度，U_p是平行于光束方向的速度分量。本发明中用与流速方向成不同角度的两光束吸收线的中心频差来确定相对频移量。本发明中用与流速方向成不同角度的两光束吸收线的中心频差来确定相对频移量。两束光的中心频差

(3)根据公式(6)，分别获得气流的入口速度和出口速度。

步骤S300：燃烧室燃烧效率计算测量：

(1)计算燃烧室入口和出口截面燃烧产物的质量流量；

入口截面被离散成N个网格，入口截面燃烧产物质量流量可以表示为：

其中，P_a为入口处流场压强，U_a为入口截面的气流速度，为每个网格的入口截面积与该网格温度比后求和，R为气体常数。

出口截面被离散成M个网格，

出口截面燃烧产物质量流量可以表示为：

式中ρ为燃烧产物密度，U为气流速度，S为入口截面积，p为流场压强，R为气体常数，T_ai和T_ei为入口截面和出口截面每个网格的温度，U_a和U_e为入口截面和出口截面的气流速度。

(3)根据燃烧室入口和出口截面燃烧产物的质量流量的差值，假设燃料全部转化为燃烧产物后的质量流量为计算燃烧室燃烧效率。

式中，为质量流量差值，为燃料全部转化为燃烧产物后的质量流量。

频移结果如图5所示。由图可见，中心频率为v₀，沿着气流方向和逆着气流方向产生的频率差为Δν。图中v为频率坐标；a为电压坐标。

以上，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种发动机燃烧室燃烧效率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：多个温度浓度测量探头组阵列排布于所述燃烧室中至少两个横截面内获取来流二维分布的光电信号，根据所述光电信号采用可调谐半导体激光吸收光谱法，计算所述横截面内流场温度和组分浓度的二维分布；

步骤S200：通过安装在所述发动机燃烧室至少两个横截面内的多个测速探头组，获取所述来流的位移光电信号，根据所述位移光电信号采用多普勒频移测量流场速度；

步骤S300：根据所述流场的温度、组分浓度和所述流场速度计算所述燃烧室任意两横截面之间燃烧产物的质量流量差值，根据所述质量流量差值计算所述发动机的燃烧效率。

2.根据权利要求1所述的发动机燃烧室燃烧效率测量方法，其特征在于，所述步骤S100包括以下步骤：

步骤S110：多个温度浓度测量探头组阵列排布后将所述横截面f(x,y)离散分割成N个二维网格，并假设在所述二维网格内气体温度、组分浓度、压强保持不变；

步骤S120：所述温度浓度测量接收探头获得各所述二维网格内的所述光电信号，按下式计算所述横截面内吸收光谱的吸收面积；

式中，α为光谱吸收率信号，P为气体总压，χ为待测气体组分浓度，S(T)为所用谱线ν在温度T时的谱线强度，L为激光束穿过被测流场的长度；

步骤S130：求解式(1)得到所述横截面内所述流场温度和所述组分浓度的二维分布；

优选的，所述步骤S200包括以下步骤：

步骤S210：所述测速探头组包括相互之间光路连接的测速发射探头和测速接收探头，第i组所述测速探头组和第i+1组所述测速探头组相邻并沿所述流场来流方向间隔排布，第i组中所述测速发射探头发射激光被第i+1组中所述测速接收探头接收，第i+1组中所述测速发射探头发射激光被第i组中所述测速接收探头接收，第i组所述测速发射探头发射激光和第i+1组中所述测速发射探头发射激光所成夹角为2θ，i为任意正整数；

步骤S220：测量各束所述测速发射探头发射顺来流方向激光束和逆来流方向激光束吸收光谱的中心频率，计算第i组中所述测速发射探头发射激光与第i+1组中所述测速发射探头发射激光的中心频差；

步骤S230：根据所述中心频差计算得到第i组所述测速探头处的流场速度，以及第i+1组所述测速探头组处的流场速度；

优选的，所述步骤S300包括以下步骤：

步骤S310：计算所述燃烧室任两横截面上燃烧产物的质量流量：

步骤S320：计算所述燃烧室任两横截面上燃烧产物的质量流量差值，根据式(9)计算燃烧室燃烧效率η：

式中，为所述质量流量差值，为燃料全部转化为燃烧产物后的质量流量；

优选的，所述燃烧室的至少两个横截面为所述燃烧室的来流端和出气端。

3.根据权利要求2所述的发动机燃烧室燃烧效率测量方法，其特征在于，所述式(1)求解包括离散式(1)后采用代数迭代算法求解的步骤；

优选的，所述温度浓度测量探头组包括相互光路连接的温度浓度测量发射探头和温度浓度测量接收探头，所述温度浓度测量发射探头发射激光穿过所述横截面流场后被所述温度浓度测量接收探头接收。

4.一种发动机燃烧室燃烧效率的测量装置，其特征在于，包括：激光入射光路、燃烧室和光电信号转换器；

所述燃烧室：包括多个测速探头组和多个温度浓度测量探头组；

所述测速探头组分别安装于所述燃烧室的至少两个横截面上；

所述测速探头组与所述激光入射光路光路连接，并与所述光电信号转换器数据连接；

所述温度浓度测量探头组与所述激光入射光路光路连接，并与所述光电信号转换器数据连接；

所述温度浓度测量探头组分别安装于所述燃烧室的至少两个横截面上的内壁上，并在所述燃烧室的至少两个横截面上阵列排布，将所述燃烧室的至少两个横截面均分割为多个二维网格。

5.根据权利要求4所述的发动机燃烧室燃烧效率测量装置，其特征在于，所述测速探头组包括相互之间光路连接的测速发射探头和测速接收探头，所述测速发射探头与所述激光入射光路光路连接；

所述测速接收探头与所述光电信号转换器数据连接；

优选的，所述温度浓度测量探头组包括相互光路连接的温度浓度测量发射探头和温度浓度测量接收探头，所述温度浓度测量发射探头与所述激光入射光路光路连接；

所述温度浓度测量接收探头与所述光电信号转换器数据连接。

6.根据权利要求4所述的发动机燃烧室燃烧效率测量装置，其特征在于，所述燃烧室的至少两个横截面为所述燃烧室的来流端和出气端。

7.根据权利要求5所述的发动机燃烧室燃烧效率测量装置，其特征在于，所述测速发射探头包括相邻且沿来流方向间隔排布的第i个测速发射探头和第i+1个测速发射探头；所述测速接收探头包括相邻且沿来流方向间隔排布的第i个测速接收探头和第i+1个测速接收探头；所述第i个测速发射探头与所述第i+1个测速接收探头光路连接；所述第i+1个测速发射探头与所述第i个测速接收探头光路连接。

8.根据权利要求7所述的发动机燃烧室燃烧效率测量装置，其特征在于，连接所述第i个温度浓度测量发射探头与所述第i+1个温度浓度测量接收探头的光路与所述第i+1个温度浓度测量发射探头与所述第i个温度浓度测量接收探头连接的光路夹角为2θ范围为10～45°。

9.根据权利要求4所述的发动机燃烧室燃烧效率测量装置，其特征在于，所述激光入射光路包括激光器和分束器，所述激光器与所述分束器光路连接，所述分束器分别与所述测速探头组和所述温度浓度测量组光路连接。

10.根据权利要求9所述的发动机燃烧室燃烧效率测量装置，其特征在于，所述激光入射光路还包括激光控制器，所述激光控制器与所述激光器控制连接。