CN114970030A - 一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法 - Google Patents

一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学透镜的气体隔热防尘方法领域，具体为一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法，其包括以下步骤：S1、确定待测气体温度T、气体流速V、所需测量孔的边长D0及高度h0、冷却气体出入口的边长h1、入口间隔高度h2、以及冷却气体出口扩张量dh数据的范围，创建流场的数值仿真方案，对相应测量情况进行数据仿真与优选；S2、基于S1中的最佳方案，结合现场情况进行隔热系统的部件设计制造与气路搭建。本发明可以使得光学透镜维持320K以下的表面温度，并显著消除冷却气流对待测流场的影响。同时，用纯净的冷却气体填充透镜与待测气体之间的空间，保持了整个流场的封闭状态，有益于保持透镜表面光洁度，使得激光测量在高温气体的测量方面获得更广的应用空间与更高的准确度。

Description

一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法
技术领域
本发明涉及光学透镜的气体隔热防尘方法领域，具体是一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法。
背景技术
目前，燃烧反应被广泛运用于电力生产与动力推进等领域，对燃烧反应的研究与设计优化在科学界与工程界都具有极其重要的意义。研究与优化燃烧反应时，需要对燃烧产生的高温废气的各项物理化学参数进行即时、全面的检测。在检测流场温度、流速、组分等物理化学参数的诸多方法中，激光光谱技术因其无需与待测气体直接接触、响应快、精度高、适用范围广等优势，得到了广泛的使用。但是，受限于高精度光学透镜严苛的使用温度和光洁度限制，激光光谱法在燃烧反应产生的高温、含碳烟或灰尘颗粒气体检测中的应用尚存困难；在这一领域，目前常见的利用传感器(如热电偶)直接进行检测的方法和抽样检测方法也存在响应不及时、无法对整个流场进行检测的固有局限性。因此，如何克服高温气体和颗粒物对高精度光学透镜的不利影响，将激光光谱技术引入对高温流场的检测当中，对研究燃烧反应、及其他涉及高温气体检测的领域具有重大意义。
气体隔热方法是使用冷却气体阻隔高温气体对光学透镜或窗口的热传递并对其进行冷却，是将光学透镜应用在高温环境的常见方法。
授权公告号为CN113894449A的中国专利公开了一种镀锌钢板激光焊接保护气装置，提高了实际到达焊缝区域的保护气流量，使焊缝区域形成稳定的焊接环境。授权公告号为CN112448253A的中国专利公开了一种使用超声速低温气体冷却的固体激光增益模块及激光器，具有换热设备结构简单，使用方便等优点。
但是上述已公开方案存在如下不足之处：激光焊接的保护气方法中冷却气流对接触流场的冲击极大，固体激光增益器的气体冷却技术无需考虑高温热源对光学透镜的影响，都无法直接应用在高温、含碳烟灰尘颗粒气体检测的激光光谱技术当中。
发明内容
本发明目的是针对背景技术中存在的高温恶劣环境对高精度光学透镜存在较大影响的问题，提出一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法。
本发明的技术方案：一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法，包括以下步骤：
S1、确定待测气体温度T、气体流速V、所需测量孔的边长D0及高度h0、冷却气体出入口的边长h1、入口间隔高度h2、以及冷却气体出口扩张量dh数据的范围，创建流场的数值仿真方案，对相应测量情况进行数据仿真与优选；
S2、基于S1中的最佳方案，结合现场情况进行隔热系统的部件设计制造与气路搭建。
优选的，S1中，对相应测量情况进行数据仿真与优选包括以下步骤：
S11、所有冷却气体出入口和测量孔均为矩形，光学透镜安装口为圆型，矩形冷却气体出入口通过转换接头与气体圆管相连；
S12、冷却气体的流速根据待测气体的流速V选择，一般通过计算吹风比M得到，吹风比M的计算方式为；M＝ρV/ρcVc，公式中，ρ代表待测气体的密度，ρc代表冷却气体的密度，Vc代表冷却气体的流速，吹风比越大，冷却能力越强，一般选取吹风比M≥1即可；
S13、根据实际选用的光学透镜直径确定测量孔的边长D0，其数值大于光学透镜的直径以满足透镜安装要求；
S14、测量孔高度h0的初始数值一般比安装此装置的壁面的厚度大10mm以上任意值即可，为后续对冷却气体出口扩大量进行的数值仿真提供余量；
S15、冷却气体出入口边长h1根据现场设备情况选择；
S16、将冷却气体出口进行适量扩张，分别使用SST k-omega湍流模型进行数值模拟，然后比较模拟结果；
S17、在优选冷却气体出口的扩张量dh时，以冷却气体入口的尺寸作为基准，视实际情况将所有冷却气体出口同时向下进行不同程度的扩大，以S11-S16中得到的方案及待测气体温度T与流速V作为条件，利用商业流场仿真工具分别建立模型进行数值仿真，选取光学透镜表面温度最低的方案，其中入口间隔高度h2视情况取大于冷却气体入口边长h1的任意数值即可；
S18、在优选入口间隔高度h2时，以S17中得到的方案为基础，对冷却气流的间隔高度h2的不同数值分别建立模型进行仿真，选取满足透镜工作要求的间隔高度h2的最小数值作为最终设计。
优选的，S11中，转换接头根据需要设计，不做具体形状限制。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：使用单层或多层冷却气体，通过合理地设计冷却装置内部空间及测量孔的各项尺寸、以及冷却气流的流速，可以使得临近高温气体的光学透镜维持320K以下的表面温度水平，并显著消除冷却气流对待测流场的影响。同时，本发明用纯净的冷却气体填充透镜与待测气体之间的空间，并且保持了整个流场的封闭状态，隔绝了待测气流中可能含有的碳烟颗粒和灰尘颗粒的沉积或对镜片的损害，使得激光测量在高温气体的测量方面获得更广的应用空间与更高的准确度，有助于提升光学分析方法在不同科学与工业领域的应用范围。
附图说明
图1为本发明实施例一的原理图；
图2为本发明应用于高温气体测量的气体隔热时冷却气流出口扩大量的优选结果示意图；
图3为本发明应用于高温气体测量的气体隔热时冷却气流间隔的优选结果示意图；
图4为本发明应用于高温气体测量的气体隔热时使用单层冷却气流与双层冷却气流的对比结果；
图5为图4中使用的单层冷却气流的方案结构图；
图6为本发明应用于高温气体测量的气体隔热时采用不扩大冷却气体出口的设计与扩大冷却气体出口的设计时的流场仿真结果示意图。
附图标记：1、冷却气体出入口a；2、冷却气体出入口b；3、冷却气体出入口c；4、冷却气体出入口d；5、光学透镜；6、光路通道；71、两层冷却气流之间高度a；72、两层冷却气流之间高度b；81、下层冷却气流与待测流场之间高度a；82、下层冷却气流与待测流场之间高度b；9、冷却气流；10、待测流场；11、激光器。
具体实施方式
实施例一
如图1-6所示，本发明提出的一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法，包括以下步骤：
S1、确定待测气体温度T、气体流速V、所需测量孔的边长D0及高度h0、冷却气体出入口的边长h1、入口间隔高度h2、以及冷却气体出口扩张量dh数据的范围，创建流场的数值仿真方案，对相应测量情况进行数据仿真与优选；
S2、基于S1中的最佳方案，结合现场情况进行隔热系统的部件设计制造与气路搭建。
S1中，对相应测量情况进行数据仿真与优选包括以下步骤：
S11、所有冷却气体出入口和测量孔均为矩形，光学透镜5安装口为圆型，矩形冷却气体出入口通过转换接头与气体圆管相连；转换接头根据需要设计，不做具体形状限制；
S12、冷却气体的流速根据待测气体的流速V选择，一般通过计算吹风比M得到，吹风比M的计算方式为；M＝ρV/ρcVc，公式中，ρ代表待测气体的密度，ρc代表冷却气体的密度，Vc代表冷却气体的流速，吹风比越大，冷却能力越强，一般选取吹风比M≥1即可；
S13、根据实际选用的光学透镜5直径确定测量孔的边长D0，其数值大于光学透镜5的直径以满足透镜安装要求；
S14、测量孔高度h0的初始数值一般比安装此装置的壁面的厚度大10mm以上任意值即可，为后续对冷却气体出口扩大量进行的数值仿真提供余量；
S15、冷却气体出入口边长h1根据现场设备情况选择；
S16、将冷却气体出口进行适量扩张，分别使用SST k-omega湍流模型进行数值模拟，然后比较模拟结果；
S17、在优选冷却气体出口的扩张量dh时，以冷却气体入口的尺寸作为基准，视实际情况将所有冷却气体出口同时向下进行不同程度的扩大，以S11-S16中得到的方案及待测气体温度T与流速V作为条件，利用商业流场仿真工具分别建立模型进行数值仿真，选取光学透镜5表面温度最低的方案，其中入口间隔高度h2视情况取大于冷却气体入口边长h1的任意数值即可；
S18、在优选入口间隔高度h2时，以S17中得到的方案为基础，对冷却气流的间隔高度h2的不同数值分别建立模型进行仿真，选取满足透镜工作要求的间隔高度h2的最小数值作为最终设计。
本实施例具有如下优点：1、使用气体隔热方法，以实验室与工业生产中常见的常温常压的空气、二氧化碳、氮气等作为冷却气体，可以在激光检测中显著降低临近高温气体的光学透镜5的表面温度，满足高精度光学透镜5的使用要求，方法简单高效；2、为激光测量在高温气体实时检测中的应用提供了一种解决方案，可以在高温气体检测中发挥激光检测方法响应快、适用范围广、非接触式测量的优势，实现对高温气体全流场的原位实时检测；3、可以依据实际情况选用单层或多层冷却气流设计，冷却效果好；4、多层冷却气流设计还可以有效限制不均匀区域在光路通道6中的分布；5、采用了扩大冷却气体出口的设计，可以极大地改善测量窗口附近的流场分布，从而提高了整体的隔热效果，同时最大程度地消除了冷却气体对待测气体流场的影响；6、冷却气体可以同时充当隔绝灰尘的作用，避免了待测气流中碳烟和灰尘颗粒在光学镜片表面造成沉积或损害等问题；7、所有气体全部封闭于气路中，可以满足封闭气体的实时检测需求，同时最大限度地降低了环境气体对测量结果的干扰；8、结构简单小巧，可以直接安装在原有气体管路壁面，同时相关仪器均可以远离测量地点，可以满足较为严苛的测量环境要求。
实施例二
如图1-6所示，基于上述一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法实施例，列举一个具体分析案例：按照上述一种针对高温气体激光测量的气体隔热方法的实时步骤，首先对待测气体的温度、流速，以及所需测量孔及内部空间的尺寸进行估算。在工业生产中，烟气的温度在500K左右、流速在0.5m/s附近，烟道隔热层厚度在10mm之上，激光测量常用光学透镜5直径在20-30mm范围，在应用中一般认为气体出入口处压力为一个大气压。因此，本实施例建立如图1所示的流场数值仿真方案时，最终选取温度500K、流速0.5m/s的烟气作为待测气体。选用双层冷却气流设计，冷却气体出入口a1、冷却气体出入口b2、冷却气体出入口c3和冷却气体出入口d4的边长均选用10mm，同时选用20mm作为两层冷却气流之间高度a71和两层冷却气流之间高度b72的初始数值。选用纯净的二氧化碳作为冷却气体，选用吹风比M＝2并算得冷却气体的入口流速应为0.3852m/s，冷却气体出入口a1、冷却气体出入口b2、冷却气体出入口c3和冷却气体出入口d4的压力均为1atm。考虑到后续研究的便捷度，选用20mm作为光学透镜5的直径和光路通道6的边长，20mm作为下层冷却气流与待测流场之间高度a81和下层冷却气流与待测流场之间高度b82的初始数值。然后选取SST k-omega湍流模型，将冷却气体出入口b2和冷却气体出入口d4扩大10mm进行网格独立性检验，优选得到网格尺寸为1mm。之后，以未扩大时冷却气体出入口b2和冷却气体出入口d4的原始边长为起始，将冷却气体出入口b2和冷却气体出入口d4同时向下扩大2mm建模，即把两层冷却气流之间高度b72和下层冷却气流与待测流场之间高度b82同时降低2mm，按照上述边界条件进行数值模拟。将上述冷却气体出入口b2和冷却气体出入口d4扩大并进行数值模拟的操作步骤再重复4次，最终结果如图2所示，将扩大6mm作为最终的扩大方案。在此之后，将两层冷却气流之间高度a71和两层冷却气流之间高度b72同时扩大10mm建模，保持边界条件不变进行数值模拟。将上述两层冷却气流之间高度a71和两层冷却气流之间高度b72扩大并进行数值模拟的操作再重复2次，最终结果如图3所示，将扩大30mm作为最终方案。图5所示为使用单层冷却气流的仿真结果，图4对比了使用单层冷却气流与双层冷却气流的仿真结果，其中横坐标为光学透镜5表面点的位置，纵坐标为光学透镜5表面点的温度，两个方案中光路通道6长度、冷却气体出入口a1的边长均相同，双层冷却气流方案中两层冷却气流之间高度a71、冷却气体出入口c3的边长、下层冷却气流与待测流场之间高度a81三者相加的结果与单层冷却气流方案中下层冷却气流与待测流场之间高度a81相同，双层冷却气流方案中两层冷却气流之间高度b72、冷却气体出入口d4的边长与下层冷却气流、待测流场之间高度b82三者相加的结果与单层冷却气流方案中下层冷却气流与待测流场之间高度b82相同，边界条件均相同。可以看出在本发明中，使用双层冷却气流在减小了冷却气体用量的同时显著提高了冷却能力。图6对比了采用不扩大冷却气体出口的设计与扩大冷却气体出口的设计时的流场仿真结果。可以看出在本发明中，扩大冷却气体出入口b2和冷却气体出入口d4可以大幅度消除冷却气流对待测流场的影响。同时在气流出口扩大量的优选步骤中也可以看出，适度扩大冷却气流出口有益于提高冷却能力，如图2所示。此外，高速冷却气流具有的颗粒物隔离吹洁能力众所周知。由此可见，本发明可以满足高精度光学透镜在恶劣环境高温气体的激光检测中所需的严苛表面温度条件和光洁度限制，最大限度地消除冷却气流对待测流场的扰动以及环境气体对测量结果的干扰，同时维持流场的全封闭条件。并且，本发明无需改动激光检测的光路设计，也无需复杂的机械结构，在工业加工与使用中具有极大的便利性和可靠性。在待测流场温度较低的情况下，可以仅使用单层冷却气体结构并结合扩大冷却气体出口的设计，也可以达到上述效果，如图6所示；在待测流场温度较高的情况下，可以在冷却气体入口处使用收缩设计以便于达到更高的吹风比，在双层冷却气流效果不佳时也可以视实际情况增加冷却气流层数，本实施例不再一一列举。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

Claims (3)

1.一种针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定待测气体温度T、气体流速V、所需测量孔的边长D0及高度h0、冷却气体出入口的边长h1、入口间隔高度h2、以及冷却气体出口扩张量dh数据的范围，创建流场的数值仿真方案，对相应测量情况进行数据仿真与优选；
S2、基于S1中的最佳方案，结合现场情况进行隔热系统的部件设计制造与气路搭建。
2.根据权利要求1所述的针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法，其特征在于，S1中，对相应测量情况进行数据仿真与优选包括以下步骤：
S11、所有冷却气体出入口和测量孔均为矩形，光学透镜(5)安装口为圆型，矩形冷却气体出入口通过转换接头与气体圆管相连；
S12、冷却气体的流速根据待测气体的流速V选择，一般通过计算吹风比M得到，吹风比M的计算方式为；M＝ρV/ρcVc，公式中，ρ代表待测气体的密度，ρc代表冷却气体的密度，Vc代表冷却气体的流速，吹风比越大，冷却能力越强，一般选取吹风比M≥1即可；
S13、根据实际选用的光学透镜(5)直径确定测量孔的边长D0，其数值大于光学透镜(5)的直径以满足透镜安装要求；
S14、测量孔高度h0的初始数值一般比安装此装置的壁面的厚度大10mm以上任意值即可，为后续对冷却气体出口扩大量进行的数值仿真提供余量；
S15、冷却气体出入口边长h1根据现场设备情况选择；
S16、将冷却气体出口进行适量扩张，分别使用SST k-omega湍流模型进行数值模拟，然后比较模拟结果；
S17、在优选冷却气体出口的扩张量dh时，以冷却气体入口的尺寸作为基准，视实际情况将所有冷却气体出口同时向下进行不同程度的扩大，以S11-S16中得到的方案及待测气体温度T与流速V作为条件，利用商业流场仿真工具分别建立模型进行数值仿真，选取光学透镜(5)表面温度最低的方案，其中入口间隔高度h2视情况取大于冷却气体入口边长h1的任意数值即可；
S18、在优选入口间隔高度h2时，以S17中得到的方案为基础，对冷却气流的间隔高度h2的不同数值分别建立模型进行仿真，选取满足透镜工作要求的间隔高度h2的最小数值作为最终设计。
3.根据权利要求2所述的针对高温恶劣环境激光测量的气体隔热方法，其特征在于，S11中，转换接头根据需要设计，不做具体形状限制。
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