CN119290185B 一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统及试验方法 （中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所）

(12)发明专利(10)授权公告号CN119290185B(65)同一申请的已公布的文献号(73)专利权人中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所地址621000四川省绵阳市涪城区二环路南段6号专利权人中国科学院合肥物质科学研究院US2021396853A1,2021.审查员李佳锐殷一民陈爽(74)专利代理机构成都云纵知识产权代理事务所(普通合伙)51316专利代理师熊曦陈婉鹃一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统及试验方法本发明公开了一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统及试验方法，涉及燃烧流场测二全反射平面镜、电脑、ICCD、可调谐激光二极视器；本发明基于非接触的光学测试技术，在不破坏燃烧流场流动结构和燃烧状态的前体下，通过同时测量燃烧流场速度和静温的方式获取当地总温，不会对超声速燃烧流场结构的造成明显21.一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统，其特征在于，所述系统包括：其中，超声速燃烧来流流向预设区域形成被测燃烧流场，用于提供试验测量对象；时序同步器用于控制系统中各部件之间的时序关系；第一激光器用于产生第一脉冲激光，第一脉冲激光经过第一聚焦透镜聚焦后射向第一全反射平面镜，经过第一全反射平面镜反射后的激光射入被测燃烧流场；第二激光器用于产生第二脉冲激光，第二脉冲激光经过第二聚焦透镜聚焦后射向片光透镜，片光透镜将聚焦后的激光处理为片光，片光经过第二全反射平面镜反射后射入被测燃烧流场；ICCD记录已知时间内被标记物质的位移，通过电脑查看和记录ICCD和示波器的结果；可调谐激光二极管，用于产生在预设范围内以固定频率扫描的近红外激光；激光器控制器，用于控制可调谐激光二极管的输出波长和频率；光电探测器，用于接收可调谐激光二极管发射的激光穿过被测燃烧流场后的信号；工控机，用于控制激光器控制器，以及采集并存储光电探测器传输的信号信息，以及处理信号信息中的近红外波段吸收光谱试验数据；信号监视器，用于监视近红外波段吸收光谱试验数据；电脑基于ICCD和示波器记录的结果计算获得燃烧流场流速；工控机和信号监视器用于获得燃烧流场静温；基于燃烧流场流速和燃烧流场静温获得燃烧流场总温。2.根据权利要求1所述的一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统，其特征在于，所述系统还包括：示波器，所述示波器用于检查第一激光器、第二激光器、ICCD和可调谐激光二极管之间的时序关系。3.根据权利要求2所述的一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统，其特征在于，时序同步器用于控制系统中各部件之间的时序关系，具体为：时序同步器用于控制第一激光器和可调谐激光二极管同时在t0时刻开启和同时在t1时刻关闭，以及用于控制第二激光器和ICCD同时在t2时刻开启和同时在t3时刻关闭。4.根据权利要求1所述的一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统，其特征在于，第一激光器用于产生波长为193nm的脉冲激光，该脉冲激光用于将被测燃烧流场中的H₂0裂5.根据权利要求1所述的一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统，其特征在于，第二激光器用于产生波长为282nm的脉冲激光，该脉冲激光用于将被测燃烧流场中的OH基团激发到预设状态，ICCD用于记录OH基团从预设状态向初始状态的回归过程中产生的荧光辐射。6.根据权利要求5所述的一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统，其特征在于，电脑用于基于ICCD的记录结果确定被标记的OH基的位置。7.根据权利要求1所述的一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统，其特征在于，燃烧流场总温的计算方式为：通过燃烧流场静温与声速的关系计算出声速，通过声速、燃烧流场流速与马赫数的关系计算出燃烧流场马赫数，通过燃烧流场马赫数、燃烧流场静温与燃烧流场总温之间的关系计算获得燃烧流场总温。8.一种基于权利要求1-7中任意一个所述的一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验3步骤1:搭建光学试验系统；步骤2:对光学试验系统中的各部件进行连接；步骤3:开启光学试验系统中的设备；步骤4:调整光学试验系统中个设备的位置和方向；步骤5:开启燃烧流场；步骤6:开启光学试验系统，并根据预设的时序关系对光学试验系统中的设备进行相应的控制；步骤7:一段时间后依次关闭光学试验系统和燃烧流场；步骤8:结果处理，基于燃烧流场流速和燃烧流场静温获得燃烧流场总温。4技术领域[0001]本发明涉及燃烧流场测量领域，具体地，涉及一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统及试验方法。背景技术[0002]总温在超声速燃烧领域可以用来反映燃烧效率这个重要参数，对于发动机而言可以进一步反映燃烧室性能，因此，总温是燃烧基础科学和工程应用领域关键的试验参数。如今，测量总温的方式总温探针的接触式测量技术为主。如德国宇航院(DLR)2023年报道的下一代风洞试验设备(NG-Turb)以质量流量、总温和总压3个参数反映该设备的全部边界条件，其中提到的总温测量方法依然是浸入式的气动探针(pneumaticprobe),详细信息见文献AndreasPahs,Anna-SamiraSöhngen,Franz-XaverKönig,TorstenWolf,TurbineoperationandmeasurementatProceedingsofASMETurboExpo2023,GT2023-102118.气动探针这种接触式的方式对超声速流场结构的影响十分明显，会引起不必要的斜激波，进而影响探针所在当地和下游的发明内容[0003]本发明基于非接触的光学测试技术，在不破坏燃烧流场流动结构和燃烧状态的前体下，通过同时测量燃烧流场速度和静温的方式获取当地总温，为超声速燃烧流场总温测量提供新思路，进一步为量化燃烧效率、评估发动机燃烧室性能提供新的试验装置和方法。[0004]为实现上述发明目的，本发明提供了一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系[0006]其中，超声速燃烧来流流向预设区域形成被测燃烧流场，用于提供试验测量对象；时序同步器用于控制系统中各部件之间的时序关系；第一激光器用于产生第一脉冲激光，第一脉冲激光经过第一聚焦透镜聚焦后射向第一全反射平面镜，经过第一全反射平面镜反射后的激光射入被测燃烧流场；第二激光器用于产生第二脉冲激光，第二脉冲激光经过第二聚焦透镜聚焦后射向片光透镜，片光透镜将聚焦后的激光处理为片光，片光经过第二全反射平面镜反射后射入被测燃烧流场；可调谐激光二极管，用于产生在预设范围内以固定频率扫描的激光；激光器控制器，用于控制可调谐激光二极管的输出波长和频率；光电探测器，用于接收可调谐激光二极管发射的激光穿过被测燃烧流场后的信号；工控机，用于控制激光器控制器，以及采集并存储光电探测器传输的信号信息，以及处理信号信息中的近红外波段吸收光谱试验数据；信号监视器，用于监视近红外波段吸收光谱试验数据。[0007]其中，本发明原理为：燃烧流场中的水分子可以被激光标记，标记后通过记录被标5记分子在已知的时间内的位移计算燃烧流场流速；水分子可以对某一红外波段的激光进行能量吸收，通过被吸收的红外光的吸收强度，能够计算出吸收区域的燃烧流场静温；获得燃燃烧流场的马赫数和总温这两个超声速燃烧流场关键参数。[0008]其中，在本发明实施例中，所述系统还包括：示波器，所述示波器用于检查第一激[0009]其中，在本发明实施例中，时序同步器用于控制系统中各部件之间的时序关系，具体为：时序同步器用于控制第一激光器和可调谐激光二极管同时在t0时刻开启和同时在t1时刻关闭，以及用于控制第二激光器和ICCD同时在t2时刻开启和同时在t3时刻关闭。沿时[0010]其中，在本发明实施例中，第一激光器用于产生波长为193nm的脉冲激光，该脉冲激光用于将被测燃烧流场中的H₂O裂解为0H和H。[0011]其中，在本发明实施例中，第二激光器用于产生波长为282nm的脉冲激光，该脉冲激光用于将被测燃烧流场中的OH基团激发到预设状态，ICCD用于记录OH基团从预设状态向初始状态的回归过程中产生的荧光辐射。[0012]其中，在本发明实施例中，电脑用于基于ICCD的记录结果确定被标记的OH基的位[0013]本发明还提供了一种基于所述的一种超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统[0014]步骤1:搭建光学试验系统；[0015]步骤2:对光学试验系统中的各部件进行连接；[0016]步骤3:开启光学试验系统中的设备；[0017]步骤4:调整光学试验系统中个设备的位置和方向；[0018]步骤5:开启燃烧流场；[0019]步骤6:开启光学试验系统，并根据预设的时序关系对光学试验系统中的设备进行相应的控制；[0020]步骤7:一段时间后依次关闭光学试验系统和燃烧流场；[0021]步骤8:结果处理，基于燃烧流场流速和燃烧流场静温获得燃烧流场总温。[0022]本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：[0023]本发明能够基于非接触的光学测试技术，在不破坏燃烧流场流动结构和燃烧状态的前体下，通过同时测量燃烧流场速度和静温的方式获取当地总温，不会对超声速燃烧流场结构的造成明显的影响，也不会引起不必要的斜激波，不会影响被测燃烧流场当地和下附图说明[0024]此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；[0025]图1是本发明中超声速燃烧流场总温测量的光学试验系统的原理示意图；[0026]图2为本发明中一个脉冲时间内的各部件时序关系示意图；6[0027]图3为试验现场测量位置示意图；[0028]图4测量位置速度试验结果示意图；[0029]图5为测量位置温度随时间的变化试验结果示意图；全反射平面镜，6-第二激光器，7-第二聚焦透镜，8-片光透镜，9-第二全具体实施方式[0031]为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0032]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。[0033]实施例一；[0034]请参考图1,本发明所提的总温测量试验装置及方法的原理如图1所示，α表示193nm激光和红外激光经过被测燃烧流场时两束激光之间的夹角；λ表示193nm激光在被测区域聚焦后，能够进行标记水分子测速的具体长度，最后获得的总温即是沿着流动方向矩形区域内的平均总温。整个系统包含若干部件和必要的光纤连接件等配件，各部件的名称和主要功能分别为：超声速燃烧来流1,提供试验测量对象；时序同步器2,控制各部件之间的时序关系；第一激光器3,用于产生波长为193nm的脉冲激光，该激光用于将燃烧流场中的H20裂解为OH和H,这个过程可视为用193nm波长的激光将特定位置的OH进行了标记；第一聚焦透镜4,将193nm激光器出射的激光进行聚焦，使单位空间内的激光能量提升，提高H20的裂解率；第一全反射平面镜5,改变193nm激光的传输方向，使该激光以合适的位置和方向进入被测燃烧流场；第二激光器6,用于产生波长为282nm的脉冲激光，该激光用于将燃烧流场中的OH基团激发到高能态，高能态的OH基不稳定，会向低能态回归，回归过程伴有荧光辐器出射的激光进行聚焦，使单位空间内的激光能量提升，提高OH的激发率；片光透镜8,焦后的282nm波长的激光进行单方向拉长，使激光被整形为一个薄片激光；第二全反射平面镜9,将薄片激光反射进待测位置；示波器10,用于检查部件3、6、12和脑11;ICCD12;可调谐激光二极管13,用于产生可在一定区间范围内以固定频率扫描的激光，该区间和频率根据具体试验对象通过激光器控制器14控制，该波段的激光可被H20吸收，进而引起光电探测器15所采集的信号产生变化，通过具体的变化量可以反算燃烧流场参数；激光器控制器14,控制可调谐激光二极管13的输出波长和频率；光电探测器15,接收可调谐激光二极管13发射的激光穿过燃烧流场后的信号；工控机16,控制激光器控制器14,采集并存储光电探测器15的信息，处理近红外波段吸收光谱试验数据，获得视线积分下的平均静温；信号监视器17,近红外波段吸收光谱试验控制程序可视化介质。其中，部件3-9、11和12用来测量部件5之后经过燃烧流场的那个线段上聚焦区域的小线段上(假设长度是7λ)的流速，得到线段上的流速后，计算它的平均值，部件13-17用来测量光路上视线积分下的静温。再用各个物理量之间的关系计算燃烧流场区域中长度为λ,角度为a所覆盖的矩形区域内的平均马赫数和平均总温。[0035]图2为一个脉冲时间内的各部件时序关系，图2中193nm激光与近红外激光在t时刻同时发出脉冲激光，然后在t1时刻同时结束，近红外探测器同步记录近红外激光，282nm激光和相机在t2时刻同时开启在t3时刻同时关闭。[0036]本发明对图3所示的所示的测试对象开展了测量试验。图3中a为被测对象原始图，b为被测位置示意图，竖直向上的箭头代表193nm激光作用的区域，右下至左上的箭头代表近红外激光作用的区域，平行四边形代表282nm片激光作用的区域；在一个上限的空间中心位置，有一股从左向右喷射的燃气，由燃气的亮度分布可以发现有类似斜激波的强间断燃烧流场存在，由此可判断该燃气为超声速燃气。由于燃烧化学反应，在图3(b)所示的中间被测位置有H₂O存在，图3中由下至上的193nm的激光将H₂0解离为OH和H(图2所示的t。时刻),图3中由左下至右上282nm片光将OH激发到可被ICCD记录的状态(图2所示的t₁时刻);在193nm激光被触发的同时，图3(b)中由右下至左上(试验中与193nm激光方向夹角呈15°)的中红外波段激光吸收H₂0的信号并被光电探测器记录(图2所示的t时刻)。[0037]图4给出了193nm激光和282nm激光记录下来的t₁-t。时间内被测燃烧流场的速度，t。时刻193nm激光作用H₂0产生0H,t₁时刻282nm激光记录OH的位置，通过时间差和两个时刻下的位移可以计算得到速度。试验中记录到了图3竖直方向14.9mm至23.3mm区域内的速度，速度分布如图4所示，燃烧流场平均速度为1000m/s。[0038]图5给出了中红外波段激光吸收H₂0光谱记录下来的光程上的线平均温度，图5中给出的是线平均温度随时间的变化情况。由于超声速燃烧下温度随时间的波动相对较大，图5只截取了较为稳定的一段时间内的温度数据，对该数据进行时均，得到平均温度为[0039]其中，获取燃烧流场的流速与静温后，通过燃烧流场静温与声速的关系计算出声速，通过声速、燃烧流场流速与燃烧流场马赫数的关系计算出燃烧流场马赫数，通过燃烧流场马赫数、燃烧流场静温与燃烧流场总温之间的关系计算出燃烧流场总温。[0040]通过根据燃烧流场的声速计算公式、马赫数计算公式、总温与静温之间的关系式，被测区域