CN109084914B - 一种高温高速湍流热通量的全场测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温高速湍流热通量的全场测量系统，所述系统包括多源信息融合模块、同步控制器、热敏长余辉发光粒子布撒器、激光器、高速光学成像系统、燃烧面板：多源信息融合模块将多源信息进行互补集成，用于确定热敏示踪剂表征的高温高速气态流场密度、速度和温度等高频信息；所述同步控制器控制燃烧气体供应给所述燃烧面板的供应量，控制用于给热敏示踪剂的时间序列长热敏余辉图像成像的所述高速光学成像系统；所述氮气供应给所述粒子布撒装置后给燃烧面板提供发光粒子输入，以作为示踪剂；所述激光器向所述燃烧面板提供激光。本发明充分利用多源信息融合技术，同步测量全场密度、速度和温度，测量高温高速湍流热通量。

Description

一种高温高速湍流热通量的全场测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种测量系统及方法，特别涉及一种高温高速湍流热通量的全场测量系统及方法。

背景技术

在高温高速湍流流动中，密度、速度与温度高度耦合，一直是湍流研究的难题，需要同步对全场密度、速度和温度进行高频、高精度测量。高温湍流热通量涉及密度、温度和速度的同步测量，需要得到高温环境下的高频多源全场信息。目前公开专利申请文件中的磷光粒子测速和测温技术可以同步测量全场的速度和温度；分子标定测速和测温(MTV&T)技术可以同步测量激光网格点的速度和温度；平面诱导荧光(PLIF)技术可以测量全场燃烧流场组份浓度，在特定条件下也能够测量流场温度；粒子图像测速(PIV)技术用于测量全场速度；分子瑞利散射技术可以测量全场密度。

然而，磷光粒子测速和测温技术不能测量流场密度，所用低频跨帧相机不能提供高频信息；分子标定技术必须利用激光网格节点或网格线激发能量强的特点，激发所在位置的分子示踪剂以发光，但不能激发网格内部区域的示踪剂；分子示踪剂不耐高温，而且发光强度较弱，往往只能用于低温测量，这种基于空间的描述方式取决于网格节点间距，空间分辨率较低，很难实现气态流场测量。粒子图像测速技术基于示踪粒子图像分析位移，仅能测量流场速度。激光诱导荧光技术依赖于环境气体成分，且荧光往往只有纳秒-微秒的寿命，很难对速度场和温度场进行定量测量，对激光器和成像系统要求非常高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于信息融合技术的高温高速湍流热通量的全场测量方法及装置。本发明将多源信息融合算法、热敏长余辉发光粒子和高速相机相结合，创造性地提出高温高速湍流热通量的全场测量系统及方法，能够同步测量流场地密度、速度和温度的全场信息。相比于现有激光测量技术，简化了硬件系统配置和降低了硬件系统的成本。

本发明公开的具体方案为：一种高温高速湍流热通量的全场测量系统，其特征在于，所述系统包括多源信息融合模块、同步控制器、热敏长余辉发光粒子布撒器、激光器、高速光学成像系统、燃烧面板：

其中，多源信息融合模块将多源信息进行互补集成，用于确定热敏示踪剂表征的高温高速气态流场密度、速度和温度等高频信息；

所述同步控制器控制甲烷、氮气、氧气/空气供应给所述燃烧面板的供应量，以及控制用于给热敏示踪剂的时间序列长热敏余辉图像成像的所述高速光学成像系统；

所述氮气供应给所述粒子布撒装置后给燃烧面板提供发光粒子输入，以作为示踪剂，所述甲烷、氧气/空气直接供应给燃烧面板；

所述激光器向所述燃烧面板提供激光。

进一步地，所述多源信息融合模块对从不同类型的信号数据进行有效的数据配准，将数据无误差地转换为图像灰度均一化的基准下，对预处理过后的信号数据进行特征提取，提取图像灰度、互相关等信息量的特征集。

进一步地，所述发光粒子为稀土掺杂的固态热敏材料，粒径100纳米-1微米。

进一步地，所述激光器为单脉冲紫外固定波长激光器。

进一步地，所述高速光学成像系统，帧频为1000～100000帧/秒。

一种所述的高温高速湍流热通量的全场测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在高温高速气态流场的测量区域内布撒热敏长余辉发光粒子作为示踪剂；

2)利用所述激光器输出的平面激光对其进行照射；

3)采用高速相机得到热敏示踪剂的时间序列图像；

4)通过多源信息融合模块，同步分析热敏示踪剂表征的密度、速度和温度信息。

进一步地，在步骤1)中，还包括以下步骤：高温高速气态流场由可控射流燃烧火焰产生，最高流速达到1000m/s，最高温度达到2000K；由粒子布撒器产生热敏长余辉粒子气溶胶，通过连接粒子布撒喷嘴，在高压驱动气作用下进入待测流场区域，作为流场信息的示踪剂。

进一步地，在步骤2)中，还包括以下步骤：由固态激光器经过倍频合束设计光路，形成355纳米或266纳米的紫外波长单脉冲平面激光，能量可以达到80～100毫焦/脉冲；在紫外波长高能量平面激光照射激发下，分散在流场待测区域的热敏示踪剂将发射可见光，为表征流场信息提供光源。

进一步地，在步骤3)中，还包括以下步骤：高速相机的帧频为1000～100000帧/秒，在试验时间内连续记录一系列的热敏示踪剂光学图像，并标识每帧图像之间的时间关系；将时间序列图像经光纤传入多源信息融合模块，作为数据源。

进一步地，在步骤4)中，还包括以下步骤：对从不同类型的信号数据进行有效的数据配准，将数据无误差地转换为图像灰度均一化的基准下，对预处理过后的信号数据进行特征提取，提取图像灰度、互相关等信息量的特征集，采用不同方法将全场不同空间位置热敏示踪剂信息关联到其空间对应的所测物理量，以示踪剂位移和时间间隔确定速度、以图像灰度梯度和标定关系确定密度、以图像灰度随时间变化和标定关系确定温度，对全场速度、密度和温度物理量进行融合，最终得到湍流热通量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明充分利用多源信息融合技术，结合热敏长余辉发光粒子的光学特性和热敏特性，以高速相机记录时间序列图像，同步测量全场密度、速度和温度，测量高温高速湍流热通量。采用多源信息融合算法，提高图像分析能力和多物理场信息处理能力。采用单脉冲平面激光，提高高温气态流场的瞬时冻结能力。基于平面激光技术，提高空间分辨率并得到高温气态流场测试区域的信息。

附图说明

图1是高温高速湍流热通量的全场测量系统的示意图。

图2和图3为测试方法及其时序控制图。

图4为多源信息融合算法原理图。

图5为温度标定装置示意图。

图6为密度标定装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明公开的高温高速湍流热通量的全场测量系统及方法的具体实施方式做详细说明，而非用以限制本发明的范围。

要测量高温湍流热通量，必须对多源数据进行融合，必须同步测量密度、速度和温度3种物理量，必须使用高速相机、甚至组合使用高频激光器和高速相机提供高频信息。多源测量系统是信息融合的硬件基础，多源信息是信息融合的协调优化和综合处理对象。多源信息融合，就是充分利用多源信息资源，采用计算机技术对按时序获得的观测信息在一定准则下加以自动分析、综合、支配，得到被测对象的一致性解释与描述，以完成所需的任务，使系统获得比它的各组成部分更优越的性能。多源测试系统是利用激光器定向发光、亮度高、颜色纯和能量密度大的特点，结合示踪物的光学特性进行流场各种物理量测量的技术。

如图1所示，本发明提供了一种基于多源信息融合的高温高速湍流热通量的全场测量系统，具体地，该系统包括多源信息融合模块、同步控制器、热敏长余辉发光粒子布撒器、激光器、高速光学成像系统、温度标定装置和密度标定装置。

其中，所述多源信息融合模块为时间序列图像的快速高精度匹配技术，能够对不同特征模式的多源信息进行处理，获得具有相关和集成特性的融合信息。核心为特征识别和互补算法，将多源信息进行互补集成，用于确定热敏示踪剂表征的高温高速气态流场密度、速度和温度等高频信息。所述多源信息融合模块对从不同类型的信号数据进行有效的数据配准，将数据无误差地转换为图像灰度均一化的基准下。对预处理过后的信号数据进行特征提取，提取图像灰度、互相关等信息量的特征集。采用不同方法将全场不同空间位置热敏示踪剂信息关联到其空间对应的所测物理量，以示踪剂位移和时间间隔确定速度、以图像灰度梯度和标定关系确定密度、以图像灰度随时间变化和标定关系确定温度。对全场速度、密度和温度物理量进行融合，最终得到湍流热通量。

所述同步控制器控制甲烷、氮气、氧气/空气供应给燃烧面板的供应量，以及控制用于给热敏示踪剂的时间序列长余辉图像成像的高速光学成像系统。其中，所述氮气高压气瓶供应给所述粒子布撒装置后给燃烧面板提供发光粒子输入，以作为示踪剂，所述甲烷、氧气/空气直接供应给燃烧面板，同时，激光器直接向燃烧面板提供激光。

所述热敏长余辉发光粒子为稀土掺杂的固态热敏材料，粒径100纳米-1微米，具有化学稳定和耐高温特性，在波长355纳米或266纳米的激光照射下产生长余辉发光，发光时间在100毫秒-1秒，发射峰在490纳米，其热敏特性用于标记高温气态流场。相比于分子示踪剂具有更高的发光强度，提高了图像信噪比。

所述激光器为单脉冲紫外固定波长激光器，对波长532纳米的双腔Nd:YAG激光器进行倍频合束，输出355纳米或266纳米的单脉冲平面激光，用于照射热敏示踪剂产生长余辉发光。所述平面激光为单脉冲平面激光，激发波长为355纳米或266纳米，用于激发整个辐照区域内的热敏示踪剂产生长余辉发光，相比于仅能激发激光网格线或节点处示踪剂的网格状激光，提高了图像空间分辨率。

所述高速光学成像系统，帧频为1000～100000帧/秒，用于拍摄1组热敏示踪剂的时间序列长余辉图像，相比于多个激光器和相机组合，实现了高频测量，并简化了试验系统和降低成本。

所述温度标定装置为有2个光学窗口的高温腔室，①采用硅管通电加热，温度调节范围为300-1500K，加热静置的热敏长余辉发光粒子。②在不同温度下，1个窗口入射单脉冲激光束激发热敏示踪剂产生长余辉发光，另外1个窗口采用高速相机记录长余辉图像。③获得温度-余辉时间的关系曲线。

所述密度标定装置为有2个光学窗口的超声速风洞。①采用30度尖劈模型，在超声速流场中诱发前缘斜激波，马赫数调节范围为2.5-7，在实验舱中均匀布撒热敏长余辉发光粒子。②在不同马赫数下，1个窗口入射单脉冲激光束激发热敏示踪剂产生长余辉发光，另外1个窗口采用高速相机记录尖劈前缘斜激波的长余辉图像。③获得密度-激波前后灰度的关系曲线。

采用所述全场测量系统通过以下方法实现：

1.在高温高速气态流场的测量区域内布撒热敏长余辉发光粒子作为示踪剂：

1.1高温高速气态流场由可控射流燃烧火焰产生，最高流速达到1000m/s，最高温度达到2000K；

1.2由粒子布撒器产生热敏长余辉粒子气溶胶，通过连接粒子布撒喷嘴，在高压驱动气作用下进入待测流场区域，作为流场信息的示踪剂。

2.利用激光器输出的平面激光对其进行照射

2.1由固态激光器经过倍频合束设计光路，形成355纳米或266纳米的紫外波长单脉冲平面激光，能量可以达到80～100毫焦/脉冲；

2.2在紫外波长高能量平面激光照射激发下，分散在流场待测区域的热敏示踪剂将发射可见光，为表征流场信息提供光源。

3.采用高速相机得到热敏示踪剂的时间序列图像

3.1高速相机的帧频为1000～100000帧/秒，在试验时间内连续记录一系列的热敏示踪剂光学图像，并标识每帧图像之间的时间关系；

3.2将时间序列图像经光纤传入多源信息融合模块，作为数据源。

4.通过多源信息融合模块，同步分析热敏示踪剂表征的密度、速度和温度信息。

4.1对从不同类型的信号数据进行有效的数据配准，将数据无误差地转换为图像灰度均一化的基准下。

4.2对预处理过后的信号数据进行特征提取，提取图像灰度、互相关等信息量的特征集。

4.3采用不同方法将全场不同空间位置热敏示踪剂信息关联到其空间对应的所测物理量，以示踪剂位移和时间间隔确定速度、以图像灰度梯度和标定关系确定密度、以图像灰度随时间变化和标定关系确定温度。

4.4对全场速度、密度和温度物理量进行融合，最终得到湍流热通量。

本发明公开的测量系统操作简单、经济成本低，能够测量高温高速湍流热通量。首先，本发明提出的多源信息融合算法，在热敏示踪剂的多源信息基础上，能够实现高温高速流场的湍流热通量分析，极大扩展了操作简单、经济成本低测试系统的多参数同步测量功能；其次，本发明充分利用了热敏长余辉发光粒子的光学特性和热敏特性，将试验系统简化为单脉冲激光器和高速相机的组合，直接获得高频图像，节省了应用高频激光器的高昂成本；再次，本发明基于长余辉发光图像，将成像系统简化为1台高速相机采集时间序列的图像，进一步降低了成本。最后，本发明采用的热敏示踪剂可以由355纳米或266纳米波长激光激发产生长余辉发光。这些激光通过对波长532纳米的Nd:YAG激光器进行倍频合束，大大降低了成本。

总而言之，采用本项发明技术，能够测量高温高速湍流热通量；能够简化测量装置，使用低频激光器和高速相机实现。

图2和图3为测试方法及其时序控制图。355nm或266nm平面激光入射待测试验区域，在一个脉冲周期T内由跨帧相机采集曝光时间t的时间序列图像，根据光衰减周期的光强灰度变化，采用比分法计算固态示踪剂的长余辉时间。激光器和相机的时序由同步控制器进行精确控制，实现速度和温度等多物理场的同步测量。

图4为多源信息融合算法原理图。首先，针对时间序列内不同时刻的图像进行非线性信号分析，提取灰度特征和量化；其次，进行归一化互相关分析，确定固态示踪剂的相对位置变化及其互相关性；再次，由此得到的互相关信息，用于计算固态示踪剂的运动轨迹、位移和速度；最后，根据图4公式和余辉时间-温度标定曲线，计算长余辉发光粒子表征的瞬态温度场。以此算法为核心，形成本发明的图像分析算法，实现了测试区域内时间序列速度和温度的同步动态测量。

对从不同类型的信号数据进行有效的数据配准，将数据无误差地转换为图像灰度均一化的基准下。②对预处理过后的信号数据进行特征提取，提取图像灰度、互相关等信息量的特征集。③采用不同方法将全场不同空间位置热敏示踪剂信息关联到其空间对应的所测物理量，以示踪剂位移和时间间隔确定速度、以图像灰度梯度和标定关系确定密度、以图像灰度随时间变化和标定关系确定温度。④对全场速度、密度和温度物理量进行融合，最终得到湍流热通量。

图5为温度标定装置示意图。主体为高温腔室，采用硅管通电加热，温度调节范围为300-1500K，用于加热静置的长余辉发光粒子。通过1个窗口入射激光使其长余辉发光，通过另外1个窗口实时采集不同温度的图像，获得余辉时间-温度的关系曲线。

图6为密度标定装置示意图。主体为30度尖劈模型，在多马赫数风洞中诱发前缘斜激波，马赫数调节范围为2.5-7，在实验舱中均匀布撒热敏长余辉发光粒子。通过高速相机记录尖劈前缘斜激波的长余辉图像，获得密度-激波前后灰度的关系曲线。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，在上述说明书的描述中提到的数值及数值范围并不用于限制本发明，只是为本发明提供优选的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高温高速湍流热通量的全场测量系统，其特征在于，所述系统包括多源信息融合模块、同步控制器、热敏长余辉发光粒子布撒器、激光器、高速光学成像系统、燃烧面板：

其中，多源信息融合模块将多源信息进行互补集成，用于确定热敏示踪剂表征的高温高速气态流场密度、速度和温度高频信息；

所述同步控制器控制甲烷、氮气、氧气/空气供应给所述燃烧面板的供应量，以及控制用于给热敏示踪剂的时间序列长热敏余辉图像成像的所述高速光学成像系统；

所述氮气供应给所述粒子布撒装置后给燃烧面板提供发光粒子输入，以作为示踪剂，所述甲烷、氧气/空气直接供应给燃烧面板；

所述激光器向所述燃烧面板提供激光；其中，所述多源信息融合模块对从不同类型的信号数据进行有效的数据配准，将数据无误差地转换为图像灰度均一化的基准下，对预处理过后的信号数据进行特征提取，提取图像灰度、互相关信息量的特征集。

2.如权利要求1所述的高温高速湍流热通量的全场测量系统，其特征在于，所述发光粒子为稀土掺杂的固态热敏材料，粒径100纳米-1微米。

3.如权利要求1所述的高温高速湍流热通量的全场测量系统，其特征在于，所述激光器为单脉冲紫外固定波长激光器。

4.如权利要求1所述的高温高速湍流热通量的全场测量系统，其特征在于，所述高速光学成像系统，帧频为1000～100000帧/秒。

5.一种采用如权利要求1所述的高温高速湍流热通量的全场测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在高温高速气态流场的测量区域内布撒热敏长余辉发光粒子作为示踪剂；

2)利用所述激光器输出的平面激光对其进行照射；

3)采用高速相机得到热敏示踪剂的时间序列图像；

4)通过多源信息融合模块，同步分析热敏示踪剂表征的密度、速度和温度信息，其中，在步骤4)中，还包括以下步骤：对从不同类型的信号数据进行有效的数据配准，将数据无误差地转换为图像灰度均一化的基准下，对预处理过后的信号数据进行特征提取，提取图像灰度、互相关信息量的特征集，采用不同方法将全场不同空间位置热敏示踪剂信息关联到其空间对应的所测物理量，以示踪剂位移和时间间隔确定速度、以图像灰度梯度和标定关系确定密度、以图像灰度随时间变化和标定关系确定温度，对全场速度、密度和温度物理量进行融合，最终得到湍流热通量。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，还包括以下步骤：高温高速气态流场由可控射流燃烧火焰产生，最高流速达到1000m/s，最高温度达到2000K；由粒子布撒器产生热敏长余辉粒子气溶胶，通过连接粒子布撒喷嘴，在高压驱动气作用下进入待测流场区域，作为流场信息的示踪剂。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤2)中，还包括以下步骤：由固态激光器经过倍频合束设计光路，形成355纳米或266纳米的紫外波长单脉冲平面激光，能量达到80～100毫焦/脉冲；在紫外波长高能量平面激光照射激发下，分散在流场待测区域的热敏示踪剂将发射可见光，为表征流场信息提供光源。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤3)中，还包括以下步骤：高速相机的帧频为1000～100000帧/秒，在试验时间内连续记录一系列的热敏示踪剂光学图像，并标识每帧图像之间的时间关系；将时间序列图像经光纤传入多源信息融合模块，作为数据源。

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