CN109856085B - 一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的装置及方法，包括定容燃烧弹系统、激光系统、燃油供给系统、信号同步系统和信号采集系统，通过信号采集系统的HCCD相机、ICCD相机、CCD相机，激光系统中的激光器和信号同步系统的配合工作，可以解决动力机械燃油喷雾雾化和燃烧过程难以同时测量问题，本发明采用激光米氏散射法、激光诱导荧光法和自发火焰发光法实现了对动力机械系统燃烧条件下喷雾结构和燃烧过程的联合测量，可以同时开展燃烧条件下燃油喷雾的液相长度、燃烧中间组分和燃烧火焰结构分布特性的试验研究。

Description

一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的装置及方法

技术领域

本发明属于燃油喷雾、燃烧可视化技术领域，尤其涉及一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的装置及方法。

背景技术

作喷雾燃烧过程是动力机械工作循环中的重要环节，直接决定着动力机械污染物的排放特性和经济性，因此，弄清动力机械的喷雾和燃烧过程对于动力机械的节能减排具有重要的影响，对国民经济的发展具有重大的支撑作用。因此，科研工作者对于动力机械装置的喷雾燃烧过程做了大量的研究。

但是在前人研究中，科研工作者把喷雾和燃烧过程都是分开来研究，这主要是因为在研究喷雾过程中，需要外来光源，而在燃烧过程研究中，如果采用外来光源，这样光源强度加上火焰自身辐射光强会非常容易损坏测试相机，为了测试设备的安全，科研工作者将喷雾和燃烧过程分别测试，这就导致了喷雾过程和燃烧过程并非一次喷油燃烧过程，测试结果准确性有待商榷。

发明内容

为了克服上述的技术难点，保证试验测试准确性，更好的研究动力机械喷雾与燃烧特性。本发明提供了一种在燃烧情况下实现对喷雾液相和燃烧过程同时测量的试验方法及装置。

本发明所采用的技术方案如下：

一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的装置，包括定容燃烧弹系统、激光系统、燃油供给系统、信号同步系统和信号采集系统；

所述定容燃烧弹系统包括定容燃烧弹主体，所述定容燃烧弹主体上设有视窗；

所述激光系统包括YAG-激光器、染料激光器；

所述燃油供给系统包括高压油泵、高压共轨管和喷油器，所述高压油泵配套设有电机；所述喷油器设于定容燃烧弹主体上端部；

所述信号采集系统包括相机及计算机；所述相机为HCCD相机、ICCD相机、CCD相机；所述HCCD相机、ICCD相机、CCD相机分别与信号同步器连接，计算机连接信号同步器和喷油器；

所述信号同步系统包括信号同步器；所述信号同步器连接喷油器、YAG-激光器、染料激光器、ICCD相机和HCCD相机。

进一步，所述CCD相机的镜头前设有532nm带通滤光片；

进一步，所述ICCD相机的镜头前设有OH带通滤光片；

进一步，所述ICCD相机的镜头朝向定容燃烧弹主体的一个视窗设置，HCCD相机的镜头垂直于ICCD相机的镜头朝向；所述ICCD相机与HCCD相机的正交交点上设有分光镜II，所述分光镜II分别与两相机的夹角呈45°角；

进一步，所述YAG-激光器设有2个，一个直接发出的532nm的激光，另外一个连接染料激光器，发出的激光经过染料激光器调谐后发出的283nm波长的激发光，束激光经过反光镜合束；

进一步，所述分光镜I与定容燃烧弹主体的视窗之间设有片光棱镜系统，YAG-激光器和染料激光器发出的激光合束后，通过片光棱镜系统转化为一束片光射入定容燃烧弹主体。

一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的方法，包括以下步骤：

步骤1，燃油供给系统工作并且在定容燃烧弹主体内喷雾和燃烧；

步骤2，信号同步器7控制YAG-激光器工作，一个发出532nm波长的激光，另一个经过染料激光器调谐后发出的283nm波长的激发，两束激光经过反光镜合束后通过片光棱镜系统，形成一束激光片光后进入定容燃烧弹主体；

步骤3，同时，信号同步器控制HCCD相机、ICCD相机、CCD相机同时工作，采集经过定容燃烧弹主体后的喷雾和燃烧图像。

进一步，所述CCD相机用于采集得激光米散射信号；所述ICCD相机对激光诱导的OH基进行捕捉实现对燃烧中间组分的捕捉；所述HCCD相机通过自发火焰辐射光法获得整个燃烧过程信号。

本发明的有益效果：

本发明公开了一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的方法及装置，其利用532nm波长的激光的米氏散射技术来测量燃烧情况下的喷雾液相，有效解决了燃烧条件下喷雾特性无法测量难题；利用激光诱导荧光技术(OH-PLIF)和发自火焰辐射光法实现对燃油燃烧过程中中间组分和整个燃烧过程的同步测量。该方法实现了对燃油一次喷雾燃烧过程中喷雾和燃烧的同步测量，解决了喷雾和燃烧分开测量问题，有益于动力机械燃烧装置的开发和优化。

附图说明

图1是本发明同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的试验装置的布置示意图；

图2是本发明同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的试验装置的光路示意图；

图中，1、YAG-激光器I，2、YAG-激光器II，3、染料激光器，4、分光镜I，5、片光棱镜系统，6、定容燃烧弹主体，7、信号同步器，8、计算机，9、CCD相机，10、532nm带通滤光片，11、高压油泵，12、电机，13、喷油器，14、高压共轨管，15、HCCD相机，16、分光镜II，17、OH带通滤光片，18、ICCD相机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的装置，包括定容燃烧弹系统、激光系统、燃油供给系统、信号同步系统和信号采集系统；定容燃烧弹系统包括定容燃烧弹主体6，定容燃烧弹主体6上设有4个沿轴向均匀分布的视窗A、视窗B、视窗C、视窗D。定容燃烧弹6由外控制系统来给定容燃烧弹加热和供气，提供试验所需高温高压环境，并通过供气系统配置不同氧浓度环境。

激光系统包括YAG-激光器I1、YAG-激光器II2和染料激光器3；上述激光器分别连接信号同步器7，由信号同步器7控制他们同时工作；YAG-激光器I1发出532nm的激光，YAG-激光器II2连接染料激光器3，经染料激光器3倍频调谐后发出的283nm波长的激发，YAG-激光器I1发出的激光和染料激光器3发出的激发经过分光镜I4后穿过片光棱镜系统5转化为一束激光片光，从视窗照入定容燃烧弹6内，并垂直照射在燃油喷雾。

燃油供给系统包括高压油泵11、高压共轨管14和喷油器13，通过低压油泵将油箱的燃油泵出送给高压油泵11，高压油泵11在电机12带动下，将低压油转换成高压油并通过高压油管送给高压共轨管14，高压共轨管14与喷油器13相连，通过计算机8控制高压共轨管14的轨压，也控制喷油器13的喷油脉宽、喷油间隔、喷油次数；且喷油器13与计算机8连接，控制喷油器13喷油，随后喷油器13发送信号给信号同步器7。

信号采集系统包括相机及计算机8；相机为HCCD相机15、ICCD相机18、CCD相机9，CCD相机9的镜头前设有532nm带通滤光片10，ICCD相机18的镜头前设有OH带通滤光片17；ICCD相机18的镜头朝向定容燃烧弹主体6的一个视窗设置，HCCD相机15的镜头垂直于ICCD相机18的镜头朝向；所述ICCD相机18与HCCD相机15的正交交点上设有分光镜II14，所述分光镜II14分别与两相机同时呈45°角。所述HCCD相机15、ICCD相机18、CCD相机9分别与信号同步器7连接，计算机8连接信号同步器7和喷油器13；

信号同步系统包括信号同步器7；信号同步器7连接喷油器13、YAG-激光器、染料激光器3、ICCD相机18和HCCD相机15。

一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的方法，包括以下步骤：

步骤1，燃油供给系统工作并且在定容燃烧弹主体6内喷雾和燃烧；

步骤2，信号同步器7控制YAG-激光器工作，一个发出532nm波长的激光，另一个经过染料激光器3调谐后发出的283nm波长的激发，两束激光经过反光镜合束后通过片光棱镜系统5，形成一束激光片光后进入定容燃烧弹主体6；

步骤3，同时，信号同步器7控制HCCD相机15、ICCD相机18、CCD相机9同时工作，采集经过定容燃烧弹主体6后的喷雾和燃烧图像。

如图2所示，激光器经过片光棱镜系统5，形成一束激光片光后进入定容燃烧弹主体6后，垂直照射在燃油喷雾上，经OH带通滤光片17后，最后由ICCD相机18获得激光诱导荧光信号，实现对燃料燃烧中间组分OH基的测量；经过分光镜16，HCCD相机通过自发火焰辐射光法获得整个燃烧过程信号，经过532nm带通滤光片10，CCD相机9用于采集得激光米散射信号。

本发明利用YAG-激光器I1发出的532nm波长的激光开展米氏散射技术的测量，获得燃烧情况下的喷雾液相，同时利用激光诱导荧光技术OH-PLIF和自发火焰辐射光法实现对燃油燃烧中间组分和燃烧过程的测量。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的装置，其特征在于，包括定容燃烧弹系统、激光系统、燃油供给系统、信号同步系统和信号采集系统；所述定容燃烧弹系统包括定容燃烧弹主体(6)，所述定容燃烧弹主体(6)上设有视窗；所述激光系统包括YAG-激光器、染料激光器(3)；所述燃油供给系统包括高压油泵(11)、高压共轨管(14)和喷油器(13)，所述喷油器(13)设于定容燃烧弹主体(6)上端部；所述信号采集系统包括相机及计算机(8)；所述信号同步系统包括信号同步器(7)；所述信号同步器(7)分别连接喷油器(13)、YAG-激光器、染料激光器(3)和相机；所述计算机(8)连接信号同步器(7)和喷油器(13)；ICCD相机(18)的镜头朝向定容燃烧弹主体(6)的一个视窗设置，HCCD相机(15)的镜头垂直于ICCD相机(18)的镜头朝向；所述ICCD相机(18)与HCCD相机(15)的正交交点上设有分光镜II(16)，所述分光镜II(16)分别与两相机同时呈45°角；所述YAG-激光器设有2个，一个直接发出的532nm的激光，另外一个连接染料激光器(3)，发出的激光经过染料激光器(3)调谐后发出的283nm波长的激发光，2束激光经过分光镜I(4)合束；所述CCD相机(9)的镜头前设有532nm带通滤光片(10)；所述ICCD相机(18)的镜头前设有OH带通滤光片(17)。

2.根据权利要求1所述的一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的装置，其特征在于，所述相机为HCCD相机(15)、ICCD相机(18)、CCD相机(9)。

3.根据权利要求1所述的一种同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的装置，其特征在于，所述分光镜I(4)与定容燃烧弹主体(6)的视窗之间设有片光棱镜系统(5)，通过片光棱镜系统(5)将激光束转化为一束激光片光。

4.一种如权利要求1所述的同步测量瞬态燃油喷雾及燃烧过程的方法，包括以下步骤：

步骤1，燃油供给系统工作并且在定容燃烧弹主体(6)内喷雾和燃烧；

步骤2，信号同步器(7)控制YAG-激光器工作，一个发出532nm波长的激光，另一个经过染料激光器(3)调谐后发出的283nm波长的激发，两束激光经过反光镜合束后通过片光棱镜系统(5)，形成一束激光片光后进入定容燃烧弹主体(6)；

步骤3，同时，信号同步器(7)控制HCCD相机(15)、ICCD相机(18)、CCD相机(9)同时工作，采集定容燃烧弹主体(6)内的喷雾和燃烧图像；所述CCD相机(9)用于采集得激光米散射信号；所述ICCD相机(18)对激光诱导的OH基进行捕捉实现对燃烧中间组分的捕捉；所述HCCD相机(15)通过自发火焰辐射光法获得整个燃烧过程信号。

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