CN108717718A

CN108717718A - 基于层析成像的测量瞬态燃烧场三维结构空间分布的方法

Info

Publication number: CN108717718A
Application number: CN201810479393.7A
Authority: CN
Inventors: 徐文江; 尤延铖
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2018-10-30

Abstract

基于层析成像的测量瞬态燃烧场三维结构空间分布的方法，将能够产生314.415nm的激光器系统产生的激光经过紫外激光光束整形系统，将激光光束整形成横截面为长方形的柱状光束，调整激光光路使柱状激光光束通过待测试湍流火焰，激发出荧光；通过设置数字延时信号发生器控制激光器、电脑数据采集程序和相机之间的相对延时，使各系统同步运行，并调整光路使得柱状激光光束通过湍流火焰，再利用多台相机记录激光激发CH基所发出的荧光信号图像；由于得到的原始信号图像是透明火焰中CH被激发荧光在三维空间积分的结果，处理时采用层析成像方法，通过对所获得图片逐个像素进行扫描、得某一时刻下湍流火焰中CH基浓度的三维空间分布信息。

Description

基于层析成像的测量瞬态燃烧场三维结构空间分布的方法

技术领域

本发明涉及瞬态燃烧场，尤其是涉及基于层析成像的测量瞬态燃烧场三维结构空间分布的方法。

背景技术

近年来，随着火箭发动机、超燃冲压发动机和大型燃气轮机等工业和生产生活领域对湍流燃烧过程机理的不断深入研究，急切需要更为精确的测量燃烧中间产物及火焰面的空间分布和瞬态发展变化工程。由于火焰面的位置总是与化学反应带来的高温区域相耦合，测量火焰面的空间分布可以直接帮助推测火焰出现的空间位置和高温区域。平面激光诱导荧光诊断技术(PLIF)作为一种成熟的非接触式光学测量手段，在超声速燃烧器、航空航天发动机、大型锅炉燃烧系统和大型燃气轮机等研究领域一直发挥着至关重要的作用。

目前国际上已经成熟的PLIF技术通过定性测量可以获得燃烧过程中间组分的一维或者二维空间分布数据。然而实际工程应用中的燃烧过程为湍流燃烧，湍流火焰的本质是一个三维分布。因而，仅仅获得燃烧的二维信息是不够的。要想全面的理解燃烧场在整个空间的分布特征，必须获得燃烧中间组分在三维空间的整体分布情况。

中国专利CN104897632A公开一种基于扫描式平面激光诱导荧光成像系统测量瞬态燃烧场OH基浓度三维空间分布的方法，利用PLIF成像系统和瞬态燃烧场的OH基PLIF二维浓度测量技术，将得到的二维荧光图像进行软件上以及数学上的处理，即可得到燃烧场中二维PLIF图像中的OH基的浓度分布信息，再通过伺服扫描控制系统控制可转动的反射镜转动，对火焰所有剖面进行OH基浓度测量，进而确定整个湍流火焰组织中OH基浓度的瞬态三维空间分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于层析成像(computed tomography)技术和激光诱导荧光的三维立体成像，用于燃烧中自由基(CH)的瞬态三维结构测量，从而获得火焰面在空间的三维分布和发展变化过程，为促进燃烧诊断领域及化学反应动力学模型的实验验证提供切实可行实验工具的基于层析成像的测量瞬态燃烧场三维结构空间分布的方法。

本发明包括以下步骤：

1)将能够产生314.415nm的激光器系统产生的激光经过紫外激光光束整形系统，将激光光束整形成横截面为长方形的柱状光束，调整激光光路使柱状激光光束通过待测试CH4/O2/N2湍流火焰，并激发出荧光；

在步骤1)中，所述将能够产生314.415nm的激光器系统产生的激光能量可达到15mJ量级，脉冲宽度为10ns，重复频率为1～10Hz；所述柱状光束的横截面积大小可为40mm×20mm。

2)通过设置DG645数字延时信号发生器控制激光器、电脑数据采集程序和ICCD相机之间的相对延时，使各系统可以同步运行，并调整光路使得柱状激光光束通过CH4/O2/N2湍流火焰，再利用多台ICCD高速相机记录激光激发CH基所发出的荧光信号图像；

在步骤2)中，所述CH4/O2/N2湍流火焰的化学当量比范围可为Φ＝0.6～1.5。

3)由于得到的原始信号图像是透明火焰中CH被激发荧光在三维空间积分的结果，处理时采用层析成像方法，通过对所获得图片逐个像素进行扫描、处理、计算来得到某一时刻下湍流火焰中CH基浓度的三维空间分布信息。

在步骤3)中，所述层析成像方法提取出荧光强度的三维结构空间分布。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用激光诱导荧光(LIF)成像系统和瞬态燃烧场的CH基VLIF三维浓度测量技术，将得到的二维荧光照片进行软件上以及数学上的处理，即可得到湍流燃烧场中三维VLIF图像中的CH基的浓度分布信息，这就有效地解决了普通PLIF成像技术无法对瞬态火焰定量化和无法对整个火焰空间结构进行三维成像的问题。

2、本发明可广泛应用于各种流场和燃烧过程中各种组分的诊断，为燃烧学、计算流体动力学以及燃烧诊断技术的研究提供基础实验数据。

附图说明

图1为本发明基于层析成像的测量瞬态燃烧场三维结构空间分布的平面俯视图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明实施例包括以下步骤：

1、图1中显示利用染料激光器来激发火焰中CH自由基。该激光器需要首先用另外的532nm Nd:YAG固体泵浦激光器产生激光，用来激发染料激光产生628.83nm的激光，再通过倍频器产生波长为314.415nm的目标激光。该波长的选择是在于希望激发CH自由基的C²Σ⁺–X²Π(v”＝0,v’＝0)波段。目前市场上合适的激光器可以满足～15mJ的最终能量输出。

2、一系列的柱面透镜(柱状棱镜2、柱状棱3、球状棱镜4)需配合使用。其中，第一个柱面凹透镜(柱状棱镜2)用来在水平方向扩展激光束的尺寸，第二个柱面凹透镜(柱状棱3)用来在竖直方向扩展激光束的尺寸，之后的凸透镜(球状棱镜4)用来重新聚焦激光束，使其平行向前传播，避免其不断扩展导致单位面积激光能量过低的问题。

3、两组刀片5放置在激光束的光路中透镜的后方，分别用来控制激光束横截面在水平和竖直方向上的尺寸。从而得到一个尺寸可控(40mm×20mm)、横截面为长方形的激光束。

4、当激光束到达燃烧发生器15的火焰测量区域时，火焰中的CH自由基将被激光束激发到更高的电子能级，当其从不稳定的高能级跃迁回到基态时，会发出荧光。

5、将6台ICCD相机布置在被测量火焰的四周，各个相机的位置需要注意精细调节(图中6,7,8,9,10,11所示)。在本发明中，各相机的高度应处在同一水平面上，相互之间的角度不小于20°。相机不能摆放在激光束通过的位置，以保护相机感光器件不被破坏。

6、所有的相机(图像增强ICCD相机6～11)需要加装图像增强器和陷波滤镜。图像增强器的目的在于增强微弱的CH自由基荧光信号；陷波滤镜的目的是过滤掉散射出来的原始激光干扰。

7、为了保证多台相机能同时捕捉到荧光信号，需要用一台DG645延时发生器12来保证激光、相机、数据采集电脑13采集程序能够同步运行。使得在激光照射到火焰时，发出的荧光能够被相机及时捕捉到。

8、该试验中的原始数据图像是透明火焰中CH自由基荧光信号三维空间积分的结果，处理时应该采用层析成像方法，通过对所获得图片的各像素进行扫描、处理计算来得到某一时刻下湍流火焰中CH基浓度的三维空间分布信息。

本发明利用层析成像(computed tomography)系统和瞬态燃烧场中CH自由基激光诱导荧光(LIF)技术，将得到的二维空间积分的荧光图像进行数学上的三维重建，即可得到燃烧场中CH基的三维浓度分布信息，进而确定整个湍流火焰组织中CH基浓度的瞬态三维空间分布，这就有效地解决了扫描式二维PLIF成像系统对扫描电机的依赖和硬件系统过于复杂的问题。本发明可广泛应用于各种流场和燃烧过程中组分的诊断，为燃烧学、计算流体动力学以及燃烧诊断技术的研究提供基础实验数据。

Claims

1.基于层析成像的测量瞬态燃烧场三维结构空间分布的方法，其特征在于包括以下步骤：

2.如权利要求1所述基于层析成像的测量瞬态燃烧场三维结构空间分布的方法，其特征在于在步骤1)中，所述将能够产生314.415nm的激光器系统产生的激光能量达到15mJ量级，脉冲宽度为10ns，重复频率为1～10Hz。

3.如权利要求1所述基于层析成像的测量瞬态燃烧场三维结构空间分布的方法，其特征在于在步骤1)中，所述柱状光束的横截面积大小为40mm×20mm。

4.如权利要求1所述基于层析成像的测量瞬态燃烧场三维结构空间分布的方法，其特征在于在步骤2)中，所述CH4/O2/N2湍流火焰的化学当量比范围为Φ＝0.6～1.5。

5.如权利要求1所述基于层析成像的测量瞬态燃烧场三维结构空间分布的方法，其特征在于在步骤3)中，所述层析成像方法提取出荧光强度的三维结构空间分布。