发动机测试技术（第2版）课件：火焰传播测量

火焰传播测量主要内容一、电离隙法二、高速摄影和高速摄像法三、高速纹影摄影法四、激光光源和全息摄影法主要内容一、电离隙法电离隙法基本原理基本原理：火焰前锋面有显著的导电性，在燃烧室内设置施加直流电压的电极，在电极间形成所谓电离隙。当火焰前锋面通过该间隙时，就会在电极间产生电流，将此电流记录下来，就可以测定火焰的传播。离子浓度的最大值出现在最大温度梯度的附近，也就是在火焰前锋面上。可以认为所得到的离子电流的最大值表示出具有一定宽度的火焰带的平均位置。一般只能测出沿壁面分布的二维的火焰传播火焰核心的位置很难确定测量系统组成电离隙电极离子电流回路离子电流指示装置测量系统组成（一）电离隙电极针状电极，愈细愈好，布置成迎着火焰传播面，并且向外伸出一点。可采用一般的火花塞作为电离隙。火花塞的电气绝缘性、气密性和耐热性等方面都符合要求，使用简便。但由于尺寸较大，安装数量有限。若要测定燃烧容积随时间的变化，或火焰前锋面的形状，就必须在在燃烧室中布置10~20个测量点。离子塞产品中有螺纹直径为6mm、螺距为0.75

mm的，布置的最小间距仅为12mm，应用很方便。测量系统组成图14.1.1电离隙电极的构造及其在发动机燃烧室中的布置测量系统组成（二）离子电流回路

火焰前锋→导电离子↑→电离隙处离子电流↑串联电阻与电离隙等效电阻值相等时，示波器输入电压的灵敏度达到最大，串联电阻值一般应在0.3~1M

左右。绝缘电阻小，灵敏度就要下降，信噪比减小，需要增大直流电源电压。图14.1.2离子信号电路测量系统组成（三）离子电流的指示装置

一般可用示波器指示离子电流。由点火脉冲触发扫描还可以在示波器上直接得到从点火开始到火焰到达电离隙的时间。一般示波器所能同时测定的信号数目是有限的，如果必须用许多电离隙同时进行测定时，则必须使用高速多线示波器，或者采用计算机多路高速数据采集装置。汽油机循环变动较大，要想得到火焰传播的平均情况，至少需要50~100个循环的连续记录后平均。主要内容二、高速摄影和高速摄像法高速摄影和高速摄像法高速摄影或高速摄像法是研究发动机燃烧室内燃烧的主要方法，属于发动机研究中的可视化技术。该方法要在燃烧室上安装透明观察窗，用照相记录火焰的进展情况，从而测定火焰传播时间、火焰传播速度和火焰前锋面的形状。它不仅对于基础研究具有深远意义，而且对于提高发动机的性能以及排气净化等都有很大作用。要进行这样的高速摄影，需考虑以下几个方面的问题：（1）装置适当的观察窗（2）拍摄照片的方法（3）照明与光学系统高速摄影和高速摄像法（一）观察窗基础研究可在定容弹上进行。燃烧的爆发压力、温度非常高，大都采用石英玻璃。在发动机的燃烧室上安装观察窗，是高速摄影的关键。要避免对进、排气门产生影响。在进行黑白照片的拍摄时，由于火焰是亮色的，因此在照相机对面的部位应涂黑，以尽量增大拍摄的反差，获得更为清晰的图片。由于燃烧而产生的炭烟会很快使观察窗遭受污染而变得不透明，因而要求摄影的采样时间很短，应尽快完成，下次试验之前应清洁观察窗，以保证拍摄图片的清晰度。观察窗的设置办法有：在燃烧室的侧面开设石英观察窗；采用简化形状的定容弹，如立方型或圆柱型石英玻璃定容弹；采用多层叠加组合安装的石英玻璃气缸盖定容弹；采用石英玻璃活塞顶等。高速摄影和高速摄像法（二）摄影机及感光材料燃烧的时间属于毫秒数量级使用高速摄影机或高速摄像机才能拍摄出合适的影像。高速摄影的速度可达每秒10,000帧左右。在特殊的情况下，如在研究汽油机的爆燃时，就需要每秒能拍摄40,000帧，甚至200,000帧的摄影机。现在已有每秒拍摄500,000帧的高速摄影机。摄影胶片一般采用高感光度的35

mm胶片在进行拍摄之前，要先拍摄数帧标尺照片，以便于在胶片上读取火焰传播的实际距离。高速摄影和高速摄像法图14.2.1旋转棱镜式高速摄影机1-U形棱镜2-第二棱镜3-旋转棱镜4-扇形快门5-第一棱镜高速摄像系统高速摄像系统目前使用最多的是高速摄像系统，高速摄像机的拍摄速度已可达到每秒100,000帧以上，拍摄速度可达微秒级。高速摄像可以将拍摄的图片直接送入计算机中进行图像处理、分析、并显示结果，使用方便。高速摄影和高速摄像法（三）照明与光学系统

光源：1~2个500~1000W氙气灯、卤素灯、水银灯等。当从燃烧室侧面观察时，可使用透过光，照明比较简单；从燃烧室上面或下面观察时，照明方向必须根据摄影机的位置不同而采用适当的平面镜或棱镜以改变光路进行观察。使用旋转棱镜式高速摄影机时，从影像振动与光量方面考虑，曝光时间与胶片输送周期之比，多设计在1/3~1/2.5之间，每张照片的曝光时间只有30~40

s。在柴油机中，主要部分是白色的碳焰，亮度是足够的，可以直接摄影研究它的进展情况。为了拍摄燃烧初期出现的蓝色预混火焰，可以在燃料中添加2%能溶于燃料的油酸铜，铜的焰色反应把预混火焰染成绿色。这种绿色约在1800℃以下时出现，在胶卷上很容易感光。对于气体燃料，可采用TiCl4蒸汽作为火焰的示踪物。在激光的照射下，TiCl4会形成大量的散射中心，随气体燃料喷入空气介质中时，就会在胶片上留下气体燃料的流场图像。当气体燃料被点燃时，TiCl4蒸汽与水蒸汽反应，在火焰的反应区中生成TiO2

气体，会产生辉光，从而被胶片或录像带捕捉到。主要内容三、高速纹影摄影法在普通高速摄影法中，对于从点火到火焰传播结束整个过程中所有火焰的亮度均进行合适的曝光是十分困难的，所以火焰的亮度实际上限制了高速摄影的画幅数。而采用高速彩色纹影摄影，由于利用的是光源的亮度，所以曝光是一定的，能够比较容易地实现10000帧／秒以上的高速摄影。高速彩色纹影摄影法主要用于汽油机的研究中，由于燃烧室内气体的密度梯度，使火焰传播、混合气体、紊流等可视化。这种方法除了能拍摄蓝色预混火焰外，还能对燃料蒸汽的分布状况以及涡流、尤其是小尺度紊流进行观察。但是，高速彩色纹影摄影法必须使光线透过被观察的部位，而且需要设置两个面对面的平面石英玻璃窗口，所以在燃烧室的形状上受到限制。高速纹影摄影法高速纹影摄影法纹影摄影术它的原理是利用气流对光波的扰动（折射），将不可被肉眼看见的气流的变化，转化成可以被看见的图像。需要一个明亮的光源，精确放置的镜片，一块弯曲的镜子，一个刀口挡住部分的光线，还有其他一些设备用以观测到空气中的波动并将其拍摄成像。纹影摄影技术是近几年逐渐被大家认识的一种摄影技术，这项技术最初被应用于风洞的气流研究，特别是高速激波的研究。这种技术可以应用于反隐身飞机。纹影摄影术光源纹影摄影法可采用激光作为光源。激光光源的优点：一是激光的平行性好，光轴的对中性好，可以大大减少光路的调整时间；二是光的亮度足够高，因而无需增感处理。缺点是由于激光的相干性太好，燃烧室两侧面的石英玻璃观察窗内外表面的干涉条纹往往十分显著，从而对火焰图像造成干扰。防止措施是提高石英玻璃观察窗平面的平整度和采用激光器的全线振荡等。纹影法的光学系统还有各种各样的变型，光线不一定使用平行光束。也可以不用连续光，而设置间隔火花或闪光管进行照明，采用短时间曝光的方法。纹影摄影术（一）基本光路图14.3.1高速纹影摄影法的基本光路图1-光源2-聚光透镜3-狭缝4-光源侧透镜5-观察物6-摄影机侧透镜7-刀口8-摄影机纹影摄影术基本光路：光源1发出的照明光，在聚光透镜2处聚光，成像点3处设有狭缝，这个狭缝位于光源侧透镜4的焦点上，从而使光线平行通过被观察部分5，在摄影机侧透镜6的焦点7处设有刀口，在刀口后面设置摄影机8。在设置这个光学系统时，为了使各光轴重合，并且使透镜4、6之间的光线在透过燃烧室两侧的观察窗时仍然保持平行，可以用激光进行校准。校准方法是：从激光器发出的光线在通过各个透镜、玻璃之后，其反射光要能回到激光器的发光点。假如被观察部分不存在密度梯度，则在k1、l1间通过的光在摄像机上拍摄出的亮度就一样。但若被观察部分存在密度梯度，则在该点光就要发生折射，光线不再平行，并在刀口7处发生偏移，如图中从i2偏移到

i2’。偏移的距离与摄影机侧透镜6的焦距成正比，所以透镜6的焦距越大，纹影法的灵敏度也就越高。纹影摄影术（二）各种刀口图14.3.2纹影法的各种刀口（a）直线形刀口（b）圆孔形刀口（c）圆板形刀口纹影摄影术设在透镜6的焦点7处的刀口，如果使用图（a）所示的直线形状刀口，则当被观察部分无密度梯度时，进入摄影机的光量为a。但若被观察部分有密度梯度，光线就折射成j2’

i2，进入摄影机的光量就变为b，光线的亮度就会发生变化，从而被摄影机捕捉到。当密度分布很复杂时，采用图（b）所示的圆孔形刀口和图（c）所示的圆板形刀口比较合适。不管光在哪个方向折射，用图（b）所示的圆孔形刀口则光量减少，火焰面变暗；用图（c）所示的圆板形刀口则光量增加，火焰面变亮。与密度梯度方向无关，各方向都能得到均匀的灵敏度。用图（b）的刀口，圆孔的边缘部分会产生衍射，引起成像模糊，所以其直径不能太小。在发动机连续燃烧的情况下，由于构成燃烧室的玻璃的热变形，焦点位置可能发生变化，所以必须前后移动刀口进行调整。纹影摄影术彩色纹影法但由于人的视觉对色彩变化比对明暗变化更敏感，所以彩色纹影法也得到大量应用。在刀口处设置滤色片，折射光就会变成红色、黄色或其中间色彩，所以根据颜色也能感知折射方向，即密度梯度方向。若进一步在各个方向用不同颜色的话，就能详细地掌握密度梯度方向。在发动机的火焰面上，由于存在非常大的密度梯度，所以不需要很高的灵敏度。但当拍摄混合气流、紊流时，就必须要有很高的灵敏度。为了使火焰面与紊流的纹影像分离，可以采用图14.3.3b所示的同心圆滤色片。彩色纹影摄影法可以在极短的时间内获得鲜明的燃烧图像。纹影摄影术图14.3.3彩色纹影摄影法的滤色片（a）普通滤色片（b）高灵敏度滤色片主要内容四、激光光源和全息摄影法纹影摄影术（一）激光光源激光的特点：一是激光的可干涉长度长，相干性能好，可用于全息摄影。二是平行性能无可比拟，可获得很高的输出功率。三是激光器能发出时间为毫微秒数量级的极短脉冲光，所以能将变化速度很快的瞬变现象“冻结”，即可作为超高速摄影光源。氦-氖激光器的输出功率范围为1~50mW。由于其效率高，所以电源的体积小，光的相干性和平行性都很好。氩离子激光器：能够得到6W左右的输出功率，单位输出功率所需的等离子管的长度小，结构比较紧凑，可以形成短脉冲的高频交变振荡器。红宝石激光器可作为高功率脉冲激光器使用。因为红宝石激光器的连续交变脉冲周期长达1s左右，所以不适于高速连续摄影。但由于输出功率高，常用于高速现象的全息摄影，也可用于拍摄喷油器的喷雾等。纹影摄影术（二）全息摄影法全息摄影是指一种记录被摄物体反射波的振幅和位相等全部信息的摄影技术。普通摄影只是记录物体面上的光强分布，它不能记录物体反射光的位相信息，因而失去了立体感。全息摄影采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。人眼直接去看这种感光的底片，只能看到像指纹一样的干涉条纹，但