CN111551667A

CN111551667A - 基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法

Info

Publication number: CN111551667A
Application number: CN202010458118.4A
Authority: CN
Inventors: 徐文江; 蔡江淮; 尤延铖
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-08-18

Abstract

基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法，涉及燃烧光学测量领域。包括以下步骤，1)通过不同频率和振幅的正弦波信号，同步控制第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统，三次反射后使激光随时间均匀扫描通过被测量燃烧流场，并同步利用图像增强相机记录受到激光激发的流场中不同组分的拉曼散射信号；2)读取图像增强相机记录的拉曼光谱散射信号，利用消除法从拉曼光谱散射信号中消除背景噪声；3)根据拉曼散射的物理背景和成像系统确定各组分在图像增强相机上的位置，计算组分浓度和气体温度。通过三组不同频率和振幅的运动伺服器控制三个平面反射镜同步旋转，实现燃烧中主要组分浓度和温度的二维分布测量。

Description

基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法

技术领域

本发明涉及燃烧光学测量领域，尤其涉及基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法。

背景技术

近年来，随着超燃冲压发动机、火箭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。由于燃烧火焰的温度/组分浓度，与燃烧反应的进行程度、燃烧效率、动力系统的做工能力以及污染物的排放等都有着直接的联系，因而对温度/组分浓度进行定量的测量有着极为重要的意义。

拉曼散射技术，由于可以用一个波长的激光器对火焰中的各种组分进行测量，同时在等压燃烧的火焰中还可以测量出温度，因而多年来受到研究者和工业界的关注。拉曼测量技术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拉曼技术可以测量燃烧产物组分的一维分布数据。但是对于二维或三维的数据，则完全没有办法实现。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，仅仅获得燃烧的一维信息是不够的。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中二维空间中温度、组分浓度场的测量问题，提供基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法，通过三组不同频率和振幅的运动伺服器控制三个平面反射镜同步旋转，实现燃烧中主要组分(CH₄,H₂O,O₂,N₂,CO,CO₂,H₂等)浓度和温度的二维分布测量，从而获得火焰在空间的二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的实验工具。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量装置，包括激光器、第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统、聚焦凸透镜、图像增强相机、延时发生器、数据采集计算机；所述第一运动反射镜系统与激光器的出光方向相对设置，第二运动反射镜系统和第三运动反射镜系统依次沿着激光的反射路线设置；所述聚焦凸透镜位于第三运动反射镜系统的反射光前方，被测量燃烧流场位于聚焦凸透镜轴线的前方，聚焦凸透镜用于将平行且等间隔的激光光束通过聚焦凸透镜聚焦到被测量燃烧流场；所述图像增强相机位于被测量燃烧流场的外周且与激光光束垂直；所述延时发生器连接第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统、图像增强相机和数据采集计算机，用于协调激光、图像增强相机、数据采集程序能够同步运行，保证激光照射到火焰时，发出的拉曼散射光能够被相机及时捕捉到。

所述第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统均包括平面反射镜和运动伺服器，所述运动伺服器连接平面反射镜，用于控制平面反射镜的转动频率和转动振幅。

所述第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统均包括平面反射镜均为高反射率的平面反射镜。

所述图像增强相机的镜头加装有与激光束同波长的高通滤镜。

所述激光器采用脉冲激光器。

基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法，包括以下步骤：

1)激光器发射激光，通过不同频率和振幅的正弦波信号，同步控制第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统，三次反射后使激光随时间均匀扫描先通过聚焦凸透镜再通过被测量燃烧流场，并同步利用图像增强相机记录受到激光激发的流场中不同组分的拉曼散射信号；

2)数据采集计算机读取图像增强相机记录的拉曼光谱散射信号，利用消除法从拉曼光谱散射信号中消除背景噪声；

3)根据拉曼散射的物理背景和成像系统确定各组分在图像增强相机上的位置，计算组分浓度，再运用气体状态方程，计算气体温度。

所述激光器的重频不小于10kHz。

所述激光器的重频为10kHz，第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统的振动频率为分别为1kHz、3kHz、5kHz，且振幅比例为25:2.78:1。

所述聚焦凸透镜将激光束聚焦到0.5mm左右的直径。

本发明中，燃烧流场的化学反应当量比范围为Φ＝0.5～1.5。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明利用三反射镜激光扫描系统和拉曼测量技术，在空间内均匀扫描激光束使其在二维平面内等间隔分布，在每一个空间位置进行拉曼线测量温度和组分浓度，再将所有位置的空间温度和浓度参数组合，最终得到瞬态燃烧场中二维温度和组分浓度的分布信息，该方法可以有效克服当前拉曼技术存在的由于信号值较弱只能进行一维燃烧场测量的缺陷。

2、本发明可广泛应用于各种流场和燃烧过程中温度和各种组分的诊断，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为本发明的结构示意图。

附图标记：脉冲激光器1，运动伺服器2，平面反射镜3，聚焦凸透镜4，图像增强相机5，延时发生器6，数据采集计算机7，被测量燃烧流场8，第一运动反射镜系统A，第二运动反射镜系统B，第三运动反射镜系统C。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本实施例包括脉冲激光器1、第一运动反射镜系统A、第二运动反射镜系统B、第三运动反射镜系统C、聚焦凸透镜4、图像增强相机5、延时发生器6、数据采集计算机7；

运动伺服器2和平面反射镜3连接组成一组运动反射镜系统，通过控制运动伺服器2的振动频率和振幅实现平面反射镜3的旋转控制；第一运动反射镜系统A与脉冲激光器1的出光方向相对设置，第二运动反射镜系统B和第三运动反射镜系统C依次沿着激光的反射路线设置；具体地，平面反射镜3为高反射率的平面反射镜；

所述聚焦凸透镜4位于第三运动反射镜系统C的反射光前方，将激光束直径聚焦到0.5mm左右；被测量燃烧流场8位于聚焦凸透镜4轴线的前方，燃烧流场的化学反应当量比范围为Φ＝0.5～1.5；聚焦凸透镜4将平行且等间隔的激光光束通过聚焦凸透镜4聚焦到被测量燃烧流场8；激光通过被测量燃烧流场8后，激发火焰中主要产物(水,氧气,氮气,一氧化碳,二氧化碳等)的拉曼散射光；

所述图像增强相机5位于被测量燃烧流场8的外周且与激光光束垂直；图像增强相机5的镜头加装有与激光束同波长的高通滤镜，其目的是过滤掉反射和散射的激光原本波段的光干扰同时保护相机感光器件不被破坏；

所述延时发生器6连接第一运动反射镜系统A、第二运动反射镜系统B、第三运动反射镜系统C、图像增强相机5和数据采集计算机7，用于协调激光、图像增强相机、数据采集程序能够同步运行，保证激光照射到火焰时，发出的拉曼散射光能够被相机及时捕捉到；

所述数据采集计算机7用于记录并储存图像增强相机5采集得到的拉曼散射信号。

本实施例中，所述脉冲激光器1的重频为10kHz，第一运动反射镜系统A、第二运动反射镜系统B、第三运动反射镜系统C的振动频率为分别为1kHz、3kHz、5kHz，且振幅比例为25:2.78:1；上述频率和振幅的比例关系由三角波的傅里叶级数确定，在实施中必须满足。频率的具体取值由激光频率和一个周期内的采样数量决定，本实施例中采用10kHz的脉冲激光器1，一个周期内10个采样点，从而第一运动反射镜系统A的频率为10kHz/10＝1kHz，依次类推；振幅的具体取值根据实际操作中测量区域的大小调整；

本实施例中，光路方向如图1中黑色箭头所示，经过三组运动反射镜系统后，得到不同时刻的激光光束平行且等间隔。

本实施例中，基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法，包括以下步骤：

1)脉冲激光器1发射激光，通过不同频率和振幅的正弦波信号，同步控制三组运动伺服器2，运动伺服器2驱动平面反射镜3，三次反射后使激光随时间均匀扫描通过先通过聚焦凸透镜4再通过被测量燃烧流场8，并同步利用图像增强相机5记录受到激光激发的流场中不同组分的拉曼散射信号；

2)数据采集计算机读取图像增强相机5记录的拉曼光谱散射信号，利用消除法从拉曼光谱散射信号中消除背景噪声；

3)根据拉曼散射的物理背景和成像系统确定各组分在图像增强相机5上的位置，计算组分浓度，再运用气体状态方程，计算气体温度。

本发明的工作原理为：在燃烧流场常规线性拉曼散射测量方法基础上，利用三组运动反射镜系统，通过控制运动反射镜系统的振动频率和振幅，实现线性激光在被测量流场中随时间平行扫描，得到二维平面上不同空间位置的线性拉曼散射信号，在测量结束后，通过数据处理，最终得到被测量流场在二维平面上的主要组分(水、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳等)的空间分布和温度空间分布。

Claims

1.基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量装置，其特征在于：包括激光器、第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统、聚焦凸透镜、图像增强相机、延时发生器、数据采集计算机；所述第一运动反射镜系统与激光器的出光方向相对设置，第二运动反射镜系统和第三运动反射镜系统依次沿着激光的反射路线设置；所述聚焦凸透镜位于第三运动反射镜系统的反射光前方，被测量燃烧流场位于聚焦凸透镜轴线的前方，聚焦凸透镜用于将平行且等间隔的激光光束通过聚焦凸透镜聚焦到被测量燃烧流场；所述图像增强相机位于被测量燃烧流场的外周且与激光光束垂直；所述延时发生器连接第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统、图像增强相机和数据采集计算机，用于协调激光、图像增强相机、数据采集程序能够同步运行，保证激光照射到火焰时，发出的拉曼散射光能够被相机及时捕捉到。

2.如权利要求1所述的基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量装置，其特征在于：所述第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统均包括平面反射镜和运动伺服器，所述运动伺服器连接平面反射镜，用于控制平面反射镜的转动频率和转动振幅。

3.如权利要求2所述的基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量装置，其特征在于：所述第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统均包括平面反射镜均为高反射率的平面反射镜。

4.如权利要求1所述的基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量装置，其特征在于：图像增强相机的镜头加装有与激光束同波长的高通滤镜。

5.如权利要求1所述的基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量装置，其特征在于：所述激光器采用脉冲激光器。

6.基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法，其特征在于包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法，其特征在于：激光器的重频不小于10kHz。

8.如权利要求7所述的基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法，其特征在于：激光器的重频为10kHz，第一运动反射镜系统、第二运动反射镜系统、第三运动反射镜系统的振动频率为分别为1kHz、3kHz、5kHz，且振幅比例为25:2.78:1。

9.如权利要求6所述的基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法，其特征在于：聚焦凸透镜将激光束聚焦到0.5mm左右的直径。

10.如权利要求6所述的基于三反射镜扫描的瞬态燃烧场二维温度和浓度测量方法，其特征在于：燃烧流场的化学反应当量比范围为Φ＝0.5～1.5。