CN117929340A - 一种掺混燃烧过程同时可视化装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
一种掺混燃烧过程同时可视化装置及探测方法，涉及面向能源与动力装置多场多参数同步可视化技术领域。燃烧装置的燃气供给管线设置丙酮发生装置，两套激光系统布置在燃烧装置两侧，通过布置倍频输出激光，两套结构光调制整形系统布置在激光系统与燃烧装置之间，依次布置有孔径光阑、扩束镜、光栅、准直镜和聚焦镜，光栅选择不同刻线数，ICMOS相机加装带通滤光片与燃烧场对应设置，通过计算机生成PLIF图像，触发器控制两个数字信号发生器实现PLIF系统和两套激光系统的同步信号控制。基于空间结构光调制的思想，通过信息的编码和解码，采用一台ICMOS相机即可实现三种组分的同时可视化，简单合理，有助于节约成本，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及面向能源与动力装置多场多参数同步可视化技术领域，具体是一种掺混燃烧过程同时可视化装置及探测方法。
背景技术
航空发动机的设计重点是提升发动机自身性能，使发动机燃烧室内燃料燃烧更为充分，以在降低污染物排放的同时提高燃料的燃烧效率。发动机的燃料燃烧过程分为喷注、雾化、蒸发、掺混、燃烧等过程，而燃料与氧化剂掺混及燃烧过程的好坏直接影响点火过程、火焰的传播速度、燃烧稳定性及燃料的燃烧效率，甚至会进一步则影响燃烧装置的性能及自身可靠性，因此，研究发动机的掺混和燃烧过程是详细了解其工作性能的有效手段。
平面激光诱导荧光技术(Planar Laser-induced Fluorescence，PLIF)是目前燃烧诊断领域前沿的光学测量技术，具有较高的时空分辨率和高灵敏度，可实现多组分同步测量，但对于多组分的同步测量需要采用多台激光和探测设备。另外，在掺混和燃烧过程研究方面，通过丙酮分子可表征未燃区域流场结构，燃烧中间产物OH自由基分布可表征燃尽区，燃烧中间产物CH自由基可表征燃烧反应区，因此，同时激发丙酮分子和OH/CH自由基则可以深入分析发动机掺混和燃烧过程。然而，掺混和燃烧过程同时可视化研究往往需要多台激光器和探测器设备，例如：丙酮分子测量通常采用266nm激光，OH自由基测量通常采用283nm，而CH自由基通常采用310nm激光，需要三台激光和探测设备同时工作，不仅系统复杂，而且也导致了成本较高。
因此，考虑激发和探测策略，运用先进结构光编码思想，在减少实验设备和降低系统复杂度的基础上，使用少量设备同时激发丙酮分子、OH自由基和CH自由基，实现对火焰反应区、燃尽区以及燃料分布区域火焰结构的瞬时测量及可视化，对于分析掺混燃烧过程、提高探测效率和控制实验成本具有重要意义。
发明内容
为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种掺混燃烧过程同时可视化装置及探测方法，它基于空间结构光调制的思想，通过信息的编码和解码，采用一台ICMOS相机即可实现三种组分的同时可视化，简单合理，有助于节约成本，提高效率。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
一种掺混燃烧过程同时可视化装置，包括燃烧装置、时序控制系统、PLIF系统、两套激光系统以及两套结构光调制整形系统，所述燃烧装置连接有燃气供给管线和空气供给管线，所述燃气供给管线上设置丙酮发生装置，所述两套激光系统分别布置在燃烧装置两侧发射两束激光，且两套激光系统的输出端分别布置第一倍频和第二倍频使两束激光分别输出为310.690nm激光和283.553nm激光，所述两套结构光调制整形系统分别布置在两套激光系统与燃烧装置之间，结构光调制整形系统沿激光路径方向依次布置有孔径光阑、扩束镜、光栅、准直镜和聚焦镜，从而将两束激光调制整形为片光后与燃烧装置的燃烧场共焦设置，其中，两套结构光调制整形系统的光栅选择不同刻线数使两束激光具有不同调制周期，所述PLIF系统包括ICMOS相机和计算机，所述ICMOS相机加装有带通滤光片并与燃烧装置的燃烧场对应设置，同时捕获丙酮分子、CH自由基和OH自由基辐射的荧光并通过所述计算机生成采集到的PLIF图像，所述时序控制系统包括触发器和两个数字信号发生器，所述触发器控制所述两个数字信号发生器实现PLIF系统和两套激光系统的同步信号控制。
进一步的，所述燃气供给管线和所述空气供给管线上分别设置流量计。
进一步的，所述两套激光系统均由固体激光器和染料激光器组成，所述固体激光器用于发射激光，所述染料激光器将激光改变为不同颜色加以区分。
进一步的，所述第一倍频和所述第二倍频输出端分别设置反射镜组将310.690nm激光和283.553nm激光引入对应的结构光调制整形系统。
一种掺混燃烧过程同时可视化探测方法，包括以下步骤：
步骤一：激光系统的搭建和调试
在燃烧装置两侧搭建和调试两套激光系统，由其中一套激光系统通过第一倍频输出310.690nm激光用于激发CH自由基，另一套激光系统通过第二倍频输出283.553nm激光用于同时激发丙酮分子和OH自由基；
步骤二：结构光调制整形系统的搭建和信息的编码
将两套结构光调制整形系统搭建在两套激光系统与燃烧装置之间，使310.690nm激光和283.553nm激光分别通过两套结构光调制整形系统，调制整形成片光后入射到燃烧装置的燃烧场同一位置，在相同的空间位置对OH自由基/丙酮分子和CH自由基进行编码；
步骤三：丙酮发生装置和燃烧装置的搭建
将燃气供给管线与丙酮发生装置连接，丙酮发生装置和空气供给管线与燃烧装置连接，组织燃烧装置内的燃气进行燃烧；
步骤四：时序控制系统的搭建
通过触发器控制两个数字信号发生器使两套激光系统与PLIF系统进行同步信号控制；
步骤五：PLIF系统的搭建和信息的解码
通过加装有带通滤光片的ICMOS相机同时收集丙酮分子、OH自由基和CH自由基辐射的荧光信息，其中丙酮分子和OH自由基信息依靠空间位置进行区分，通过多重曝光频率识别算法进行荧光信息的解调。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于空间结构光调制的思想，克服传统掺混燃烧过程可视化研究需要采用多套激发探测设备的弊端，利用两套激光系统和结构光调制整形系统结合一台ICMOS相机进行探测，通过信息的编码和解码，实现丙酮分子、OH自由基和CH自由基三种组分的同时可视化，可用于深入分析掺混燃烧过程，解析复杂湍流燃烧规律，而且结构更加简单合理，有助于节约成本，提高效率，对于理解掺混燃烧机理具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的掺混燃烧过程同时可视化装置的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种掺混燃烧过程同时可视化装置，包括燃烧装置1、时序控制系统、PLIF系统、两套激光系统以及两套结构光调制整形系统。
所述燃烧装置1连接有燃气供给管线1-1和空气供给管线1-2，所述燃气供给管线1-1上设置丙酮发生装置1-3，保证燃气在进入燃烧装置1前与丙酮充分混合，可在燃气供给管线1-1和空气供给管线1-2上分别设置流量计以监测燃气和空气的流量。通过所述丙酮发生装置1-3和燃烧装置1的搭建，可利用鼓泡法通过丙酮发生装置1-3得到携带丙酮分子的燃气通入到燃烧装置1，点燃火焰后通过PLIF系统的ICMOS相机12对三种组分进行PLIF测量，实现对掺混燃烧过程同时可视化。
所述两套激光系统分别布置在燃烧装置1两侧发射两束激光，两套激光系统均由固体激光器2和染料激光器3组成，所述固体激光器2用于发射激光，所述染料激光器3将激光改变为不同颜色，这样便于对两束激光加以区分。而在两套激光系统的输出端分别布置第一倍频4和第二倍频5使两束激光分别输出为310.690nm激光和283.553nm激光，通过310.690nm激光实现CH-PLIF的激发和探测，通过283.553nm激光实现丙酮和OH-PLIF的同时激发和探测，其中丙酮分子和OH自由基通过所处空间位置的不同进行区分，丙酮分子更靠近燃烧装置1的出口。
所述两套结构光调制整形系统分别布置在两套激光系统与燃烧装置1之间，可在第一倍频4和第二倍频5输出端分别设置反射镜组6将310.690nm和283.553nm激光激光引入对应的结构光调制整形系统。结构光调制整形系统沿激光路径方向依次布置有孔径光阑7、扩束镜8、光栅9、准直镜10和聚焦镜11，从而将两束激光调制整形为片光后与燃烧装置1的燃烧场共焦设置。其中，两套结构光调制整形系统的光栅9选择不同刻线数使两束激光具有不同调制周期，以便于对丙酮分子、OH自由基和CH自由基三种组分进行编码。所述PLIF系统包括ICMOS相机12和计算机，所述ICMOS相机12加装有带通滤光片并与燃烧装置1的燃烧场对应设置，同时捕获丙酮分子、CH自由基和OH自由基辐射的荧光并通过所述计算机生成采集到的PLIF图像。所述时序控制系统包括触发器14和两个数字信号发生器13，所述触发器14控制所述两个数字信号发生器13实现PLIF系统和两套激光系统的同步信号控制。
如图1所示，一种掺混燃烧过程同时可视化探测方法，包括以下步骤：
步骤一：激光系统的搭建和调试
在燃烧装置1两侧搭建和调试两套激光系统，由其中一套激光系统通过第一倍频4输出310.690nm激光用于激发CH自由基，另一套激光系统通过第二倍频5输出283.553nm激光用于同时激发丙酮分子和OH自由基。为进一步区分两束激光，两套激光系统均由固体激光器2和染料激光器3组成，所述固体激光器2可采用Nd：YAG激光器，由Nd：YAG激光器输出532nm激光泵浦染料激光器3，通过不同的两个染料激光器3将两束激光改变为不同颜色。
步骤二：结构光调制整形系统的搭建和信息的编码
将两套结构光调制整形系统搭建在两套激光系统与燃烧装置1之间，使310.690nm激光和283.553nm激光分别通过两套结构光调制整形系统，调制整形成片光后入射到燃烧装置1的燃烧场同一位置，在相同的空间位置对OH自由基/丙酮分子和CH自由基进行编码；
步骤三：丙酮发生装置和燃烧装置的搭建
将燃气供给管线1-1与丙酮发生装置1-3连接，丙酮发生装置1-3和空气供给管线1-2与燃烧装置1连接，组织燃烧装置1内的燃气进行燃烧；
步骤四：时序控制系统的搭建
通过触发器14控制两个数字信号发生器13使两套激光系统与PLIF系统进行同步信号控制；
步骤五：PLIF系统的搭建和信息的解码
通过加装有带通滤光片的ICMOS相机12同时收集丙酮分子、OH自由基和CH自由基辐射的荧光信息，其中丙酮分子和OH自由基信息依靠空间位置进行区分，通过多重曝光频率识别算法进行荧光信息的解调。
本发明对信息的编码和解码原理为：光栅位于激光传输路径上，当激光通过光栅会发生多缝衍射，衍射光通过会聚透镜，将衍射光场聚集到近场，这样在衍射平面上会产生0级、±1级、±2级等更高级次的光，如果在衍射平面处放置滤波器过滤掉0级衍射光，而保留±1级光，两激光透过滤波器后会发生双光束干涉，形成调制条纹，拟采用激光“编码”和多重曝光频率识别(FRAME)方案，将两路激光进行空间强度调制(即“编码”)，CH自由基和OH自由基/丙酮分子被编码后的激光激发后将分别辐射带有与激发激光同样编码信息的荧光信号，被编码的荧光信号被同一台高帧频增强型ICMOS相机捕获，通过“解码”过程即可从原始PLIF图像中分别提取三种组分的信息。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种掺混燃烧过程同时可视化装置，其特征在于：包括燃烧装置(1)、时序控制系统、PLIF系统、两套激光系统以及两套结构光调制整形系统，所述燃烧装置(1)连接有燃气供给管线(1-1)和空气供给管线(1-2)，所述燃气供给管线(1-1)上设置丙酮发生装置(1-3)，所述两套激光系统分别布置在燃烧装置(1)两侧发射两束激光，且两套激光系统的输出端分别布置第一倍频(4)和第二倍频(5)使两束激光分别输出为310.690nm激光和283.553nm激光，所述两套结构光调制整形系统分别布置在两套激光系统与燃烧装置(1)之间，结构光调制整形系统沿激光路径方向依次布置有孔径光阑(7)、扩束镜(8)、光栅(9)、准直镜(10)和聚焦镜(11)，从而将两束激光调制整形为片光后与燃烧装置(1)的燃烧场共焦设置，其中，两套结构光调制整形系统的光栅(9)选择不同刻线数使两束激光具有不同调制周期，所述PLIF系统包括ICMOS相机(12)和计算机，所述ICMOS相机(12)加装有带通滤光片并与燃烧装置(1)的燃烧场对应设置，同时捕获丙酮分子、CH自由基和OH自由基辐射的荧光并通过所述计算机生成采集到的PLIF图像，所述时序控制系统包括触发器(14)和两个数字信号发生器(13)，所述触发器(14)控制所述两个数字信号发生器(13)实现PLIF系统和两套激光系统的同步信号控制。
2.根据权利要求1所述的一种掺混燃烧过程同时可视化装置，其特征在于：所述燃气供给管线(1-1)和所述空气供给管线(1-2)上分别设置流量计。
3.根据权利要求1所述的一种掺混燃烧过程同时可视化装置，其特征在于：所述两套激光系统均由固体激光器(2)和染料激光器(3)组成，所述固体激光器(2)用于发射激光，所述染料激光器(3)将激光改变为不同颜色加以区分。
4.根据权利要求1所述的一种掺混燃烧过程同时可视化装置，其特征在于：所述第一倍频(4)和所述第二倍频(5)输出端分别设置反射镜组(6)将310.690nm激光和283.553nm激光引入对应的结构光调制整形系统。
5.一种掺混燃烧过程同时可视化探测方法，其特征在于：根据权利要求1所述的同时可视化装置，其探测方法包括以下步骤：
步骤一：激光系统的搭建和调试
在燃烧装置(1)两侧搭建和调试两套激光系统，由其中一套激光系统通过第一倍频(4)输出310.690nm激光用于激发CH自由基，另一套激光系统通过第二倍频(5)输出283.553nm激光用于同时激发丙酮分子和OH自由基；
步骤二：结构光调制整形系统的搭建和信息的编码
将两套结构光调制整形系统搭建在两套激光系统与燃烧装置(1)之间，使310.690nm激光和283.553nm激光分别通过两套结构光调制整形系统，调制整形成片光后入射到燃烧装置(1)的燃烧场同一位置，在相同的空间位置对OH自由基/丙酮分子和CH自由基进行编码；
步骤三：丙酮发生装置和燃烧装置的搭建
将燃气供给管线(1-1)与丙酮发生装置(1-3)连接，丙酮发生装置(1-3)和空气供给管线(1-2)与燃烧装置(1)连接，组织燃烧装置(1)内的燃气进行燃烧；
步骤四：时序控制系统的搭建
通过触发器(14)控制两个数字信号发生器(13)使两套激光系统与PLIF系统进行同步信号控制；
步骤五：PLIF系统的搭建和信息的解码
通过加装有带通滤光片的ICMOS相机(12)同时收集丙酮分子、OH自由基和CH自由基辐射的荧光信息，其中丙酮分子和OH自由基信息依靠空间位置进行区分，通过多重曝光频率识别算法进行荧光信息的解调。
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- 2024-01-24 CN CN202410099727.3A patent/CN117929340A/zh active Pending
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