CN114577485B - 超燃冲压发动机示踪plif多参数分布测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置及方法，通过构建燃冲压发动机喷注示踪PLIF多参数分布同步测量装置，利用多个CCD相机获取模拟燃料喷注条件时的示踪PLIF图像以及定温变压图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度比值I 1/I 2与压强P的关系f(P)、定压变温图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度比值I 3/I 4与温度T的关系f(T)、定压定温变组分浓度的图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度I 5与腔体内示踪物质浓度n的关系f(n)，能够直接获取得到超燃冲压发动机喷注燃料浓度、压强和温度场定量分布结果。本发明可实现超燃冲压发动机内组分、压强和温度场同步测量。

Description

超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置及方法
技术领域
本发明涉及超燃冲压发动机技术领域，尤其涉及一种超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置及方法。
背景技术
实现超燃冲压发动机喷注燃料浓度、温度和压强场的定量测量，对于揭示发动机内部燃料喷注混合、输运过程，探究燃料掺混增强机理具有十分重要的意义。传统的燃气分析法在燃气接触取样后可以实现燃气组分、温度的定量分析，但该种接触式测量方法受复杂、恶劣发动机实验工况（高速、高湍流）限制，使其应用范围有限，同时也只能进行单点测量。
基于分子示踪的激光诱导荧光（PLIF）技术是发动机流场可视化诊断中一种较为先进的测量技术。该技术是在混合燃气中加入示踪物质（如酮类、苯类、NO等），利用特定波长的激光将示踪物质激发到激发态，处于激发态的示踪物质组分向下跃迁并辐射荧光。利用图像采集设备对荧光进行记录并分析，可以实现对被测流场截面上的流场结构，组分浓度、温度和压强场分布等信息的可视化。此外由于该技术具有高灵敏度、高时空分辨率、非接触测量等优势，因此受到人们的广泛关注，并在发动机流场诊断中得到大量应用。但是，由于超燃冲压发动机内部热载荷条件极其恶劣，如高湍流、高速、激波干扰、受限空间等特征，示踪物质谱线会受到压强、温度变化的影响而产生谱线线型、强度的变化。若无法准确掌握分子谱线线型的压强、温度依赖关系，则会导致示踪PLIF技术在超燃冲压发动机测试环境下的测量精度急剧下降，甚至无法进行定量测试。示踪PLIF技术涉及多个物理过程，机理比较复杂，同时PLIF光谱特性与测试环境压强和温度密切相关。因此，示踪PLIF技术在超燃冲压发动机湍流多变流场组分浓度、温度和压强场定量测量中难度较大，目前暂无该领域的工作报道。
为了实现超燃冲压发动机喷注燃料浓度、温度和压强场定量测量，首先需要构建可在宽泛操作条件下稳定运行，压强、温度连续可调的校准设备。目前，国内外多采用Mckenna平面火焰炉来产生一个层流稳定流场，示踪物质摩尔分数和组分浓度可以通过预混气体比例进行精细调节，但该种方法不能对环境温度和压强参数进行调节。此外，密闭定容装置也被用来产生多参数可调的稳定流场函数，环境压强可通过填充气体来控制，环境温度通过外置加热体来调节，但该方式温度调节范围较窄，目前文献报道最高温度常低于800K，同时调节时间较长（温度稳定时间常超过1小时）。此外传统密闭定容装置压强调节范围多为1atm以上，目前未见负压实验标定。然而超燃冲压发动机内部测量环境恶劣，超声速气流的静温常在常温—1000K内变化，压强多为负压实验条件。因此上述标定装置不能达到超燃冲压发动机环境指标要求，亟需适用于超燃冲压发动机试验工况的可变压变温定容校准装置。
此外，示踪PLIF技术已经应用到航空发动机、内燃机等的组分浓度、温度场测量中，但受限于超燃冲压发动机的恶劣试验环境，目前暂无示踪PLIF技术在超燃冲压发动机定量测量中的应用工作报道。主要问题在于：
(1) 示踪PLIF信号与组分浓度、温度和压强均相关，而示踪PLIF光谱与组分浓度、温度和压强的关系不清晰；
(2) 超燃发动机试验环境温度和压强范围较广，PLIF图像的后期标定至关重要，目前还没有针对该试验环境的示踪PLIF测量和标定的方法。
(3) 示踪PLIF后期校准设备至关重要，但目前已有的标定校准设备在温度和压强设置方面不能满足超燃冲压发动机试验工况。
因此亟需建立一种可用于超燃冲压发动机喷注燃料浓度、温度、压强场同步定量测量与标定的示踪PLIF方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置及方法。
为实现本发明的技术目的，采用以下技术方案：
超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，包括燃烧室以及示踪物质供应模块；所述示踪物质供应模块用于向燃烧室内供应混合有示踪物质的高压空气，示踪物质供应模块与燃烧室内的喷注模块连接，混合有示踪物质的高压空气经喷注模块喷注到燃烧室内，用来模拟超燃冲压发动机的空气燃料喷注，所述燃烧室的一侧壁上开设有激光入射窗口，激光产生单元出射的激光片光经激光入射窗口照射到燃烧室内的待测截面以激发示踪物质产生荧光信号；所述燃烧室的另一侧壁上设有光学观察窗口，光学观察窗口前布置有相机单元，所述相机单元用于获取模拟燃料喷注条件时的示踪PLIF图像。
进一步地，所述相机单元包括五分幅镜头和5个CCD相机，第一CCD相机和第二CCD相机前分别布置有滤波片F1和滤波片F2，用来对压强分布进行PLIF图像测量；第三CCD相机和第四CCD相机前分别布置有滤波片F3和滤波片F4，用来对温度分布进行PLIF图像测量；第五CCD相机前布置有滤波片F5，用来对喷注出的示踪物质浓度进行PLIF图像测量，其中滤波片F1的带宽在荧光信号与压强敏感的光谱波段内，滤波片F2的带宽在荧光信号与压强不敏感的光谱波段内，滤波片F3的带宽在荧光信号与温度敏感的光谱波段内，滤波片F4的带宽在荧光信号与温度不敏感的光谱波段内，滤波片F5的带宽在荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段内。
进一步地，所述示踪物质为酮类、苯类或NO等。
另一方面，本发明还提供一种超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量方法，包括：
选定示踪物质；
构建超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置：包括一密闭的腔体；所述腔体内设置有加热模块，用于对腔体内的气体加热升温，实现对腔体内的温度进行调节控制；所述腔体连接有抽/充气模块，通过抽/充气模块对腔体内的压强进行调节控制；所述腔体内设置有温度传感器和压力传感器，对腔体内的温度和压强进行精确测量，使腔体内环境满足超燃冲压发动机试验工况；所述腔体前侧壁上开设有激光入射窗，腔体的后侧壁上开设有与激光入射窗相对的激光出射窗；腔体连接有示踪物质供应模块，由示踪物质供应模块向腔体内注入示踪物质，并通过示踪物质供应模块控制腔体内示踪物质的浓度；所述腔体中部的外侧壁上开设有至少两个光学观测窗口，其中一个光学观测窗口外对应设置有光谱测量装置，一个光学观测窗口外对应设置有相机；激光入射到腔体内，将腔体内的示踪物质激发到激发态，处于激发态的示踪物质向下跃迁并辐射荧光信号，相机和光谱测量装置分别对荧光信号及其光谱进行测量；
通过示踪PLIF标定装置进行定温变压光谱标定：利用光谱仪获取腔体内恒定示踪物质浓度、恒定温度、恒定激光波长、不同压强条件下的荧光信号光谱，根据荧光信号光谱随压强的变化关系，找到荧光信号与压强敏感的光谱波段以及与压强不敏感的光谱波段，分别在荧光信号与压强敏感的光谱波段内以及与压强不敏感的光谱波段内选定带宽小于10nm的滤波片F1和滤波片F2；
通过示踪PLIF标定装置进行定温变压图像强度标定：分别将滤波片F1和滤波片F2置于相机镜头前端，在腔体内恒定示踪物质浓度、恒定温度、恒定激光波长、不同压强条件下，通过相机分别获取透过滤波片F1的第一激光诱导荧光图像I 1以及透过滤波片F2的第二激光诱导荧光图像I 2，进而获取激光诱导荧光图像强度比值I 1 / I 2与压强P的关系f (P)；
通过示踪PLIF标定装置进行定压变温光谱标定：利用光谱仪获取腔体内恒定示踪物质浓度、恒定压强、恒定激光波长、不同温度条件下的荧光信号光谱，根据荧光信号光谱随温度的变化关系，找到荧光信号与温度敏感的光谱波段以及与温度不敏感的光谱波段，分别在荧光信号与温度敏感的光谱波段内以及与温度不敏感的光谱波段内选定带宽小于10nm的滤波片F3和滤波片F4；
通过示踪PLIF标定装置进行定压变温图像强度标定：分别将滤波片F3和滤波片F4置于相机镜头前端，在腔体内恒定示踪物质浓度、恒定压强、恒定激光波长、不同温度条件下，通过相机分别获取透过滤波片F3的第三激光诱导荧光图像I 3以及透过滤波片F4的第四激光诱导荧光图像I 4，进而获取激光诱导荧光图像强度比值I 3/ I 4与温度T的关系f (T)；
根据定温变压光谱标定过程中得到的荧光信号光谱随压强的变化关系以及定压变温光谱标定过程中得到的荧光信号光谱随温度的变化关系，找到荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段，并在荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段内选择带宽小于10nm的滤波片F5；
通过示踪PLIF标定装置进行定压定温变组分浓度的图像强度标定：将滤波片F5置于相机镜头前端，在腔体内恒定温度、恒定压强、恒定激光波长、不同示踪物质浓度条件下，通过相机获取透过滤波片F5的激光诱导荧光图像I 5，进而获取到激光诱导荧光图像强度I 5与腔体内示踪物质浓度n的关系f (n)；
构建所述超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，所述超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置中的相机单元包括五分幅镜头和5个CCD相机，第一CCD相机和第二CCD相机前分别布置有滤波片F1和滤波片F2，用来对压强分布进行PLIF图像测量；第三CCD相机和第四CCD相机前分别布置有滤波片F3和滤波片F4，用来对温度分布进行PLIF图像测量；第五CCD相机前布置有滤波片F5，用来对喷注出的示踪物质浓度进行PLIF图像测量；
启动所述超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，即开启超声速主流、示踪物质供应模块、激光产生单元和各CCD相机，利用各CCD相机获取模拟燃料喷注条件时的示踪PLIF图像；
基于各CCD相机获取模拟燃料喷注条件时的示踪PLIF图像以及定温变压图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度比值I 1 / I 2与压强P的关系f (P)、定压变温图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度比值I 3/ I 4与温度T的关系f (T)、定压定温变组分浓度的图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度I 5与腔体内示踪物质浓度n的关系f (n)，能够直接获取得到超燃冲压发动机喷注燃料浓度、压强和温度场定量分布结果。
相对于现有技术，本发明能够产生的技术效果是：
本发明可以实现超燃冲压发动机内组分、压强和温度场同步测量。本发明提供的超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置能够完全满足超燃冲压发动机试验工况。基于本发明所提供的超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置，能够完成定温变压光谱标定、定温变压图像强度标定、定压变温光谱标定、定压变温图像强度标定以及定压定温变组分浓度的图像强度标定，适应于研究示踪PLIF技术的各种特征。
附图说明
图1为本发明一实施例中采用的超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例中腔体的结构示意图；
图3为本发明一实施例中采用的超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置的结构示意图；
图4为本发明一实施例的结构示意图；
图中标号：
图1至3中标号：100、腔体；101、腔体后侧壁；102、腔体前侧壁；103、激光入射窗；104、激光出射窗；105、光学观测窗口；106、出气接口；107、进气接口；200、加热模块；300、抽/充气模块；301、抽气管路；302、抽气泵；303、截止阀；400、压力传感器；500、温度传感器；600、示踪物质供应模块；700、激光；800、光谱测量装置；801、光谱仪；802、短焦透镜；900、相机。
图4中标号：1、超声速气流；2、燃烧室；3、光学观察窗口；4、激光片光；5、相机单元；6、五分幅镜头；7、时序控制器；8、混合罐；9、示踪物质注入接口；10、高压空气注入接口；11、电子截止阀；12、管路。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本发明一实施例中提供一种超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置，包括一密闭的腔体100；所述腔体100内设置有加热模块200，用于对腔体100内的气体加热升温，实现对腔体100内的温度进行调节控制；所述腔体100连接有抽/充气模块300，通过抽/充气模块300对腔体100内的压强进行调节控制；所述腔体100内设置有温度传感器500和压力传感器400，对腔体100内的温度和压强进行精确测量，使腔体100内环境满足超燃冲压发动机试验工况。
所述腔体100连接有示踪物质供应模块600，由示踪物质供应模块600向腔体100内注入示踪物质，示踪物质被注入到腔体100内与腔体内的气体充分混合。本发明可以通过示踪物质供应模块600控制注入腔体100内示踪物质的量，进而控制腔体内的示踪物质的浓度。所述腔体前侧壁102上开设有激光入射窗103，腔体后侧壁101上开设有与激光入射窗103相对的激光出射窗104；所述腔体100中部的外侧壁上开设有至少两个光学观测窗口105，其中一个光学观测窗口105外对应设置有光谱测量装置800，一个光学观测窗口105外对应设置有相机900。激光器发出的激光700入射到腔体100内，将腔体100内的示踪物质激发到激发态，处于激发态的示踪物质向下跃迁并辐射荧光信号，相机900和光谱测量装置800分别对荧光信号及其光谱进行测量。
本发明的加热模块200能够对腔体进行高效、快速的加热。在本发明另一实施例中，所述加热模块200为内嵌式加热模块，其内嵌于腔体100内，使得加热更高效。
本发明中的光谱测量装置800包括光谱仪801和短焦透镜802，短焦透镜802设置在光学观测窗口105和光谱仪801之间，通过光谱仪对荧光信号光谱进行测量。
在本发明另一实施例中，参照图2，腔体所述加热模块200为内嵌于腔体100内的电加热体。腔体100为长方体腔体，腔体前侧壁102和腔体后侧壁101的内侧设置有伸入腔体内的电加热体，能够对腔体内的空气进行直接的加热。
在本发明另一实施例中，参照图3，所述温度传感器500为热电偶。在本发明中，所述电加热体功率可达到2000W以上，能够实现将腔体内气体加温至1000 K，同时能够实现10min内将腔体内的气体温度迅速升至1000K。通过抽/充气模块对腔体内的压强在10 kPa到1 MPa范围内进行精细调节控制。热电偶和压力传感器可对腔体内温度和压强进行精确测量，进而该装置可以完全满足超燃冲压发动机试验工况。
参照图1和图3，所述抽/充气模块800包括抽气单元和充气单元，其中抽气单元包括抽气泵302、抽气管路301，所述抽气管路301的一端连接腔体100上的出气接口106，另一端连接抽气泵302，所述抽气管路301上设置有截止阀303；腔体上的进气接口107用于连接充气单元（图中未示出）。所述充气单元包括充气管路、充气气源，充气管路的一端连接腔体上的进气接口107，另一端连接充气气源，由充气气源通过充气管路向腔体内供气，所述充气光路或充气气源设置有流量调节阀。
在本发明另一实施例中，基于上述任一实施例提供的超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置，提供一种超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定方法，包括一下步骤：
选定示踪物质，所述示踪物质不限，可以为酮类、苯类或NO等。
进行定温变压光谱标定：通过超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置中示踪物质供应模块向腔体内注入示踪物质，通过加热模块调节腔体内的温度，使腔体内的示踪物质浓度、腔体内的温度分别达到相应的设定值（腔体内的示踪物质浓度以及温度的设定值不限，根据需求设定。）并保持；激光将腔体内的示踪物质激发到激发态，处于激发态的示踪物质向下跃迁并辐射荧光信号；通过抽/充气模块调节腔体内的压强，通过光谱测量装置获取在不同压强条件下的荧光信号光谱，根据荧光信号光谱随压强的变化关系，找到荧光信号与压强敏感的光谱波段以及与压强不敏感的光谱波段，其中荧光信号光谱随压强变化的变化率大于设定值（如20%）的光谱波段为荧光信号与压强敏感的光谱波段，荧光信号光谱随压强变化的变化率小于设定值（如5%）的光谱波段为荧光信号与压强不敏感的光谱波段。在荧光信号与压强敏感的光谱波段以及与压强不敏感的光谱波段内分别选定带宽小于10nm的滤波片F1（对应荧光信号与压强敏感的光谱波段）和滤波片F2（对应荧光信号与压强不敏感的光谱波段）。
进行定温变压图像强度标定：通过超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置中示踪物质供应模块向腔体内注入示踪物质，通过加热模块调节腔体内的温度，使腔体内的示踪物质浓度、腔体内的温度分别达到相应的设定值并保持；激光将腔体内的示踪物质激发到激发态，处于激发态的示踪物质向下跃迁并辐射荧光信号；分别将滤波片F1和滤波片F2置于相机镜头前端，通过抽/充气模块调节腔体内的压强，通过相机获取不同压强条件下的透过滤波片F1的第一激光诱导荧光图像I 1以及透过滤波片F2的第二激光诱导荧光图像I 2，进而获取激光诱导荧光图像强度比值I 1 / I 2与压强P的关系f (P)：
Figure 902737DEST_PATH_IMAGE001
。
进行定压变温光谱标定：通过超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置中示踪物质供应模块向腔体内注入示踪物质，通过抽/充气模块调节腔体内的压强，使腔体内的示踪物质浓度、腔体内的压强分别达到相应的设定值并保持；激光将腔体内的示踪物质激发到激发态，处于激发态的示踪物质向下跃迁并辐射荧光信号；通过加热模块调节腔体内的温度，通过光谱测量装置获取在不同温度条件下的荧光信号光谱，根据荧光信号光谱随温度的变化关系，找到荧光信号与温度敏感的光谱波段以及与温度不敏感的光谱波段，其中荧光信号光谱随温度变化的变化率大于设定值（如20%）的光谱波段为荧光信号与温度敏感的光谱波段，荧光信号光谱随温度变化的变化率小于设定值（如5%）的光谱波段为荧光信号与温度不敏感的光谱波段。在荧光信号与温度敏感的光谱波段以及与温度不敏感的光谱波段内分别选定带宽小于10nm（的滤波片F3（对应荧光信号与温度敏感的光谱波段）和滤波片F4（对应荧光信号与温度不敏感的光谱波段）。
进行定压变温图像强度标定；通过超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置中示踪物质供应模块向腔体内注入示踪物质，通过抽/充气模块调节腔体内的压强，使腔体内的示踪物质浓度、腔体内的压强分别达到相应的设定值并保持；激光将腔体内的示踪物质激发到激发态，处于激发态的示踪物质向下跃迁并辐射荧光信号；分别将滤波片F3和滤波片F4置于相机镜头前端，通过加热模块调节腔体内的温度，通过相机获取不同温度条件下的透过滤波片F3获取的第三激光诱导荧光图像I 3以及透过滤波片F4获取的第四激光诱导荧光图像I 4，进而获取激光诱导荧光图像强度比值I 3 / I 4与温度T的关系f (T)；
Figure 836189DEST_PATH_IMAGE002
。
根据定温变压光谱标定过程中得到的荧光信号光谱随压强的变化关系以及定压变温光谱标定过程中得到的荧光信号光谱随温度的变化关系，找到荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段，即荧光信号光谱随压强、温度变化的变化率均小于设定值（如5%）的光谱波段，并在荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段内选择带宽小于10nm的滤波片F5；
进行定压定温变组分浓度的图像强度标定：通过加热模块调节腔体内的温度，通过抽/充气模块调节腔体内的压强，使腔体内的温度、腔体内的压强分别达到相应的设定值并保持；通过示踪物质供应模块向腔体内注入示踪物质，激光将腔体内的示踪物质激发到激发态，处于激发态的示踪物质向下跃迁并辐射荧光信号；将滤波片F5置于相机镜头前端，相机透过滤波片F5获取腔体内具有不同示踪物质浓度条件下的激光诱导荧光图像I 5，进而获取到激光诱导荧光图像强度I 5与腔体内示踪物质浓度n的关系f (n)：
Figure 147085DEST_PATH_IMAGE003
。
至此，完成整个标定过程，通过上述标定过程得到的标定结果，可以直接应用于超燃冲压发动机喷注燃料浓度、压强和温度场定量分布测量中。
参照图4，本发明一实施例中的超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，燃烧室2以及示踪物质供应模块，超声速气流1进入燃烧室2。所述示踪物质供应模块用于向燃烧室内供应混合有示踪物质的高压空气，示踪物质供应模块与燃烧室内的喷注模块连接，混合有示踪物质的高压空气经喷注模块喷注到燃烧室2内，用来模拟超燃冲压发动机的空气燃料喷注，所述燃烧室2的一侧壁上开设有激光入射窗口，激光产生单元出射的激光片光4经激光入射窗口照射到燃烧室内的待测截面以激发示踪物质产生荧光信号；所述燃烧室的另一侧壁上设有光学观察窗口3，光学观察窗口3前布置有相机单元5，所述相机单元5用于获取模拟燃料喷注条件时的示踪PLIF图像。
所述相机单元5包括五分幅镜头6和5个CCD相机，第一CCD相机C1和第二CCD相机C2前分别布置有滤波片F1和滤波片F2，用来对压强分布进行PLIF图像测量；第三CCD相机C3和第四CCD相机C4前分别布置有滤波片F3和滤波片F4，用来对温度分布进行PLIF图像测量；第五CCD相机C5前布置有滤波片F5，用来对喷注出的示踪物质浓度进行PLIF图像测量，其中滤波片F1、滤波片F2、滤波片F3、滤波片F4、滤波片F5即分别是前述实施例中利用定温变压光谱标定、定压变温光谱标定结果而选定的滤波片F1、滤波片F2、滤波片F3、滤波片F4、滤波片F5，具体的选取过程、依赖的标定装置以及具体的标定方法在前面已经详细介绍，在此不再赘述。滤波片F1的带宽在荧光信号与压强敏感的光谱波段内，滤波片F2的带宽在荧光信号与压强不敏感的光谱波段内，滤波片F3的带宽在荧光信号与温度敏感的光谱波段内，滤波片F4的带宽在荧光信号与温度不敏感的光谱波段内，滤波片F5的带宽在荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段内。
超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置还包括时序控制器7，时序控制器7与各CCD相机和激光产生单元连接，利用时序控制器7来保证各CCD相机和激光产生单元时序同步。
示踪物质供应模块包括混合罐8以及管路12，混合罐8上设置有示踪物质注入接口9和高压空气注入接口10。将定量的示踪物质（如丙酮、3-戊酮等）预先注入混合罐8中，再通过压气机向混合罐中混入高压空气（高于1MPa，低于5MPa），混合比低于5%，大于1%，再将混合有示踪物质的高压气体通过管路12输送到燃烧室中的燃料喷注模块用来模拟空气燃料喷注，混合罐和燃料喷注模块间的管路上设置有电子截止阀11用来控制混合有示踪物质的高压气体的通断。
所述激光产生单元将激光器产生的设定波长（该设定波长对应示踪物质的吸收波长）Nd: YAG脉冲激光整形成1mm厚、100mm宽的激光片光，再将该激光片光照射燃烧室内待测截面来激发燃烧室内的示踪物质（如丙酮、3-戊酮等）。
打开示踪物质供应模块中的电子截止阀，对管道进行预先吹除，避免残留的微粒对测量实验的干扰，吹除完毕关闭电子截止阀。
本发明一实施例中，提供一种超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量方法，包括：
构建超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置，标定装置的结构如图1所示，其结构在前述实施例中详细描述，不再赘述；
通过所述超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置进行定温变压光谱标定、定温变压图像强度标定、定压变温光谱标定、定压变温图像强度标定、定压定温变组分浓度的图像强度标定，选定滤波片F1、滤波片F2、滤波片F3、滤波片F4、滤波片F5，获得激光诱导荧光图像强度比值I 1 / I 2与压强P的关系f (P)、激光诱导荧光图像强度比值I 3/ I 4与温度T的关系f (T)、激光诱导荧光图像强度I 5与腔体内示踪物质浓度n的关系f (n)。上述各标定过程的标定方法在前面实施例中已详细描述，不再赘述；
构建图4所示超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，所述超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置中的相机单元包括五分幅镜头和5个CCD相机，第一CCD相机和第二CCD相机前分别布置有滤波片F1和滤波片F2，用来对压强分布进行PLIF图像测量；第三CCD相机和第四CCD相机前分别布置有滤波片F3和滤波片F4，用来对温度分布进行PLIF图像测量；第五CCD相机前布置有滤波片F5，用来对喷注出的示踪物质浓度进行PLIF图像测量；
启动所述超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，即开启超声速主流、示踪物质供应模块、激光产生单元和各CCD相机，利用各CCD相机获取模拟燃料喷注条件时的示踪PLIF图像；
基于各CCD相机获取模拟燃料喷注条件时的示踪PLIF图像以及定温变压图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度比值I 1 / I 2与压强P的关系f (P)、定压变温图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度比值I 3/ I 4与温度T的关系f (T)、定压定温变组分浓度的图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度I 5与腔体内示踪物质浓度n的关系f (n)，能够直接获取得到超燃冲压发动机喷注燃料浓度、压强和温度场定量分布结果。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，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 (10)

1.超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，其特征在于：包括燃烧室以及示踪物质供应模块；所述示踪物质供应模块用于向燃烧室内供应混合有示踪物质的高压空气，示踪物质供应模块与燃烧室内的喷注模块连接，混合有示踪物质的高压空气经喷注模块喷注到燃烧室内，用来模拟超燃冲压发动机的空气燃料喷注，所述燃烧室的一侧壁上开设有激光入射窗口，激光产生单元出射的激光片光经激光入射窗口照射到燃烧室内的待测截面以激发示踪物质产生荧光信号；所述燃烧室的另一侧壁上设有光学观察窗口，光学观察窗口前布置有相机单元，所述相机单元用于获取模拟燃料喷注条件时的示踪PLIF图像；所述相机单元包括五分幅镜头和5个CCD相机，第一CCD相机和第二CCD相机前分别布置有滤波片F1和滤波片F2，用来对压强分布进行PLIF图像测量；第三CCD相机和第四CCD相机前分别布置有滤波片F3和滤波片F4，用来对温度分布进行PLIF图像测量；第五CCD相机前布置有滤波片F5，用来对喷注出的示踪物质浓度进行PLIF图像测量；所述滤波片F1、滤波片F2、滤波片F3、滤波片F4和滤波片F5的选取方法如下：
构建超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置；
基于所述示踪PLIF标定装置进行定温变压光谱标定，得到荧光信号光谱随压强的变化关系，获取荧光信号与压强敏感的光谱波段以及与压强不敏感的光谱波段，分别在荧光信号与压强敏感的光谱波段内以及与压强不敏感的光谱波段内选定带宽小于10nm的滤波片F1和滤波片F2；
基于所述示踪PLIF标定装置进行定压变温光谱标定，得到荧光信号光谱随温度的变化关系，获取荧光信号与温度敏感的光谱波段以及与温度不敏感的光谱波段，分别在荧光信号与温度敏感的光谱波段内以及与温度不敏感的光谱波段内选定带宽小于10nm的滤波片F3和滤波片F4；
根据定温变压光谱标定过程中得到的荧光信号光谱随压强的变化关系以及定压变温光谱标定过程中得到的荧光信号光谱随温度的变化关系，找到荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段，并在荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段内选择带宽小于10nm的滤波片F5。
2.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，其特征在于：定温变压光谱标定中，荧光信号光谱随压强变化的变化率大于20%的光谱波段为荧光信号与压强敏感的光谱波段，荧光信号光谱随压强变化的变化率小于5%的光谱波段为荧光信号与压强不敏感的光谱波段。
3.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，其特征在于：定压变温光谱标定中，荧光信号光谱随温度变化的变化率大于20%的光谱波段为荧光信号与温度敏感的光谱波段，荧光信号光谱随温度变化的变化率小于5%的光谱波段为荧光信号与温度不敏感的光谱波段。
4.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，其特征在于：荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段即荧光信号光谱随压强、温度变化的变化率均小于5%的光谱波段。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，其特征在于：所述示踪PLIF标定装置包括一密闭的腔体；所述腔体内设置有加热模块，用于对腔体内的气体加热升温，实现对腔体内的温度进行调节控制；所述腔体连接有抽/充气模块，通过抽/充气模块对腔体内的压强进行调节控制；所述腔体内设置有温度传感器和压力传感器，对腔体内的温度和压强进行精确测量，使腔体内环境满足超燃冲压发动机试验工况；所述腔体前侧壁上开设有激光入射窗，腔体的后侧壁上开设有与激光入射窗相对的激光出射窗；腔体连接有示踪物质供应模块，由示踪物质供应模块向腔体内注入示踪物质，并通过示踪物质供应模块控制腔体内示踪物质的浓度；所述腔体中部的外侧壁上开设有至少两个光学观测窗口，其中一个光学观测窗口外对应设置有光谱测量装置，一个光学观测窗口外对应设置有相机；激光入射到腔体内，将腔体内的示踪物质激发到激发态，处于激发态的示踪物质向下跃迁并辐射荧光信号，相机和光谱测量装置分别对荧光信号及其光谱进行测量。
6.超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量方法，其特征在于，包括：
选定示踪物质；
构建超燃冲压发动机试验条件下的示踪PLIF标定装置：包括一密闭的腔体；所述腔体内设置有加热模块，用于对腔体内的气体加热升温，实现对腔体内的温度进行调节控制；所述腔体连接有抽/充气模块，通过抽/充气模块对腔体内的压强进行调节控制；所述腔体内设置有温度传感器和压力传感器，对腔体内的温度和压强进行精确测量，使腔体内环境满足超燃冲压发动机试验工况；所述腔体前侧壁上开设有激光入射窗，腔体的后侧壁上开设有与激光入射窗相对的激光出射窗；腔体连接有示踪物质供应模块，由示踪物质供应模块向腔体内注入示踪物质，并通过示踪物质供应模块控制腔体内示踪物质的浓度；所述腔体中部的外侧壁上开设有至少两个光学观测窗口，其中一个光学观测窗口外对应设置有光谱测量装置，一个光学观测窗口外对应设置有相机；激光入射到腔体内，将腔体内的示踪物质激发到激发态，处于激发态的示踪物质向下跃迁并辐射荧光信号，相机和光谱测量装置分别对荧光信号及其光谱进行测量；
通过所述示踪PLIF标定装置进行定温变压光谱标定：利用光谱仪获取腔体内恒定示踪物质浓度、恒定温度、恒定激光波长、不同压强条件下的荧光信号光谱，根据荧光信号光谱随压强的变化关系，找到荧光信号与压强敏感的光谱波段以及与压强不敏感的光谱波段，分别在荧光信号与压强敏感的光谱波段内以及与压强不敏感的光谱波段内选定带宽小于10nm的滤波片F1和滤波片F2；
通过所述示踪PLIF标定装置进行定温变压图像强度标定：分别将滤波片F1和滤波片F2置于相机镜头前端，在腔体内恒定示踪物质浓度、恒定温度、恒定激光波长、不同压强条件下，通过相机分别获取透过滤波片F1的第一激光诱导荧光图像I 1以及透过滤波片F2的第二激光诱导荧光图像I 2，进而获取激光诱导荧光图像强度比值I 1 / I 2与压强P的关系f (P)；
通过所述示踪PLIF标定装置进行定压变温光谱标定：利用光谱仪获取腔体内恒定示踪物质浓度、恒定压强、恒定激光波长、不同温度条件下的荧光信号光谱，根据荧光信号光谱随温度的变化关系，找到荧光信号与温度敏感的光谱波段以及与温度不敏感的光谱波段，分别在荧光信号与温度敏感的光谱波段内以及与温度不敏感的光谱波段内选定带宽小于10nm的滤波片F3和滤波片F4；
通过所述示踪PLIF标定装置进行定压变温图像强度标定：分别将滤波片F3和滤波片F4置于相机镜头前端，在腔体内恒定示踪物质浓度、恒定压强、恒定激光波长、不同温度条件下，通过相机分别获取透过滤波片F3的第三激光诱导荧光图像I 3以及透过滤波片F4的第四激光诱导荧光图像I 4，进而获取激光诱导荧光图像强度比值I 3/ I 4与温度T的关系f (T)；
根据定温变压光谱标定过程中得到的荧光信号光谱随压强的变化关系以及定压变温光谱标定过程中得到的荧光信号光谱随温度的变化关系，找到荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段，并在荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段内选择带宽小于10nm的滤波片F5；
通过所述示踪PLIF标定装置进行定压定温变组分浓度的图像强度标定：将滤波片F5置于相机镜头前端，在腔体内恒定温度、恒定压强、恒定激光波长、不同示踪物质浓度条件下，通过相机获取透过滤波片F5的激光诱导荧光图像I 5，进而获取到激光诱导荧光图像强度I 5与腔体内示踪物质浓度n的关系f (n)；
构建如权利要求1所述超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，所述超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置中的相机单元包括五分幅镜头和5个CCD相机，第一CCD相机和第二CCD相机前分别布置有滤波片F1和滤波片F2，用来对压强分布进行PLIF图像测量；第三CCD相机和第四CCD相机前分别布置有滤波片F3和滤波片F4，用来对温度分布进行PLIF图像测量；第五CCD相机前布置有滤波片F5，用来对喷注出的示踪物质浓度进行PLIF图像测量；
启动所述超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量装置，即开启超声速主流、示踪物质供应模块、激光产生单元和各CCD相机，利用各CCD相机获取模拟燃料喷注条件时的示踪PLIF图像；
基于各CCD相机获取模拟燃料喷注条件时的示踪PLIF图像以及定温变压图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度比值I 1 / I 2与压强P的关系f (P)、定压变温图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度比值I 3/ I 4与温度T的关系f (T)、定压定温变组分浓度的图像强度标定得到的激光诱导荧光图像强度I 5与腔体内示踪物质浓度n的关系f (n)，能够直接获取得到超燃冲压发动机喷注燃料浓度、压强和温度场定量分布结果。
7.根据权利要求6所述的超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量方法，其特征在于，所述示踪物质为酮类、苯类或NO。
8.根据权利要求6所述的超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量方法，其特征在于，所述定温变压光谱标定中，荧光信号光谱随压强变化的变化率大于20%的光谱波段为荧光信号与压强敏感的光谱波段，荧光信号光谱随压强变化的变化率小于5%的光谱波段为荧光信号与压强不敏感的光谱波段。
9.根据权利要求6所述的超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量方法，其特征在于，所述定压变温光谱标定中，荧光信号光谱随温度变化的变化率大于20%的光谱波段为荧光信号与温度敏感的光谱波段，荧光信号光谱随温度变化的变化率小于5%的光谱波段为荧光信号与温度不敏感的光谱波段。
10.根据权利要求6所述的超燃冲压发动机示踪PLIF多参数分布测量方法，其特征在于，所述荧光信号与压强、温度均不敏感的光谱波段即荧光信号光谱随压强、温度变化的变化率均小于5%的光谱波段。
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