[发明专利]一种发动机喷雾流场近场区光学诊断系统

说明书

技术领域

本发明属于超高速流场高分辨成像与测量领域，具体涉及一种发动机喷雾流场近场区光学诊断系统。

背景技术

在液体火箭发动机、汽油机、柴油机等内燃机中，喷注器对燃料进行雾化并与周围的氧化剂混合，其雾化细度和混合均匀性直接影响到内燃机的燃烧性能。燃油的雾化过程和喷射特性受喷射压力、燃油粘度、气缸内压力、温度、气流运动等外在因素以及喷油嘴结构、燃烧室形状等内部结构因素的影响。通过研究燃料喷雾在燃烧室空间的液滴分布、速度分布、流场强度及混合比，可以了解其在燃烧室内的释放程度和向燃烧室传递的热流，对于发展新的燃烧理论和新一代发动机技术，具有重要意义。因此，发展可用于超高速射流场的观测技术，可以加深对高速射流破裂雾化动力学过程的研究，为火箭发动机等引擎设计提供重要的实验数据，具有重要的科学意义和应用价值。

相对于普通流场，火箭发动机等燃料喷雾超高速流场具有如下特点：（1）在近场区，射流湍流强度大、液滴密度最高；（2）燃烧属于湍流燃烧，燃烧过程中存在高速、剧烈的气流运动和各组分间的强烈的扩散运动。因此，火箭发动机等超高速喷雾流场近场区和高温、高压下内燃机燃烧过程的观测中，常规流场测量方法如阴影法、数字全息法、LIF法等光学成像及诊断技术存在如下有待解决的问题：（1）在近场区，用于成像的光子大部分被浓密液滴散射，普通的流场光学观测技术无法适用于此区域的诊断；（2）测量超高速流场中粒子运动速度及加速度时，成像系统的帧频需要达到MHz或数十MHz量级，因此，提高成像系统的帧频及保证帧频可调是测量超高速喷雾场中液相和气相界面之间扩散速度和加速度的关键，获得这些数据是分析液核在外力作用下破裂过程的前提。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发动机喷雾流场近场区光学诊断系统，本发明能够对超高速喷雾流场的近场区成像，同时还能实现超短帧间隔的弹道光成像，使弹道光成像技术的功能扩展至能够测量超高速流场中粒子运动速度和加速度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括沿飞秒脉冲激光入射方向依次放置的分光系统、复用系统、光克尔门选通成像系统以及比较成像系统；复用系统包括宽带分束镜，宽带分束镜的反光路径中依次设有第三双色镜、第三偏振分束棱镜以及第五反射镜，且发动机喷雾流场设于宽带分束镜与第三双色镜之间；宽带分束镜的透光路径中依次设有宽带反射镜、第四双色镜、第四偏振分束棱镜以及第六反射镜；分光系统用于将飞秒脉冲激光转换成由倍频光、水平偏振基频光以及垂直偏振基频光组成的具有纳秒级时间间隔的脉冲串；复用系统用于使脉冲串中的倍频光、水平偏振基频光以及垂直偏振基频光照射发动机喷雾流场同一位置以携带发动机喷雾流场形貌信息，并将倍频光、水平偏振基频光以及垂直偏振基频光入射到光克尔门选通成像系统分别成像；比较成像系统用于比较光克尔门选通成像系统成像所得的三幅流场图中单个粒子轨迹以计算单个粒子的速度和加速度信息。

所述的脉冲串经宽带分束镜分成两束光，一束光作为开关光束被宽带反射镜反射，被反射的开关光束中的倍频光经第四双色镜反射后控制光克尔门选通成像系统中光克尔门的开启和关闭；被反射的开关光束中的垂直偏振基频光依次经第四双色镜透射、第四偏振分束棱镜反射后控制光克尔门选通成像系统中光克尔门的开启和关闭；被反射的开关光束中的水平偏振基频光依次经第四双色镜透射、第四偏振分束棱镜透射、第六反射镜反射后控制光克尔门选通成像系统中光克尔门的开启和关闭；另一束光作为探测光束从发动机喷雾流场透射以使探测光束中的弹道光子携带发动机喷雾流场形貌信息，探测光束中的倍频光被第三双色镜反射后进入光克尔门选通成像系统进行成像；探测光束中的垂直偏振基频光依次经第三双色镜透射、第三偏振分束棱镜反射后进入光克尔门选通成像系统进行成像；探测光束中水平偏振基频光依次经第三双色镜透射、第三偏振分束棱镜透射、第五反射镜反射后进入光克尔门选通成像系统进行成像。

所述的分光系统包括BBO倍频晶体、第一、二双色镜，第一双色镜的反光路径中依次设有第一光学延时器和第一反射镜；第一双色镜的透光路径中依次设有四分之一波片、第一偏振分束棱镜、第二光学延时器以及第二偏振分束棱镜；