[发明专利]用于两相流动同场测试的光学诊断装置

说明书

技术领域

本发明涉及全局流场的测试，具体地，涉及一种用于两相流动同场测试的光学诊断装置。

背景技术

PIV（Particle Image Velocimetry，粒子图像测速）技术的应用实现了平面上全局流场的高效、瞬时测试，可以有效分析全局流场的瞬时运动。PIV的全称为Particle Image Velocimetry，即粒子图像测速，是一种利用片光源在极短时间内进行两次成像以记录流场中粒子群的位置，通过对所测得的粒子群前后时刻的位置关系进行相关性算法分析计算全局流动速度的测试方法。目前，这一光学测试技术在流动相关的工程及研究问题中得到了广泛的应用。但是常规的PIV测试系统难以用于相对复杂的两相流动问题，特别是流速相差较大两相流动问题的测试与研究。

为了解决上述问题，一些研究机构开发了基于激光诱导荧光技术的PIV，即LIF（Laser Induced Fluorescence，激光诱导荧光）-PIV，通过往环境气体荧光示踪粒子或同时往喷雾燃油及环境气体荧光示踪粒子添加不同的荧光物质，实现喷雾燃油和环境气体两相之间光信号的分离以及两相流动的同场测试。LIF的全称为Laser Induced Fluorescence，即激光诱导荧光，当处于基态的荧光物分子吸收了入射激光的能量并被激发到高能态，由于其不稳定性高能态分子又会在较短的时间内（通常为纳秒级别）返回基态并发出荧光，这一过程称为激光诱导荧光。一般而言，荧光的波长相对入射激光的波长会发生“红移”，即波长变长。但是这些测试技术需要用到两套激光器、两套相机等设备，导致测试系统价格昂贵并且光路布置极为复杂，不利于这一测试技术的推广、使用以及相关研究领域的发展。

以燃油喷雾及相应的环境气体流动研究问题为例，传统的基于散射光的Mie-scattering（米氏散射）PIV技术在实际喷雾环境流场的测试应用中由于油束发出的散射光过强，容易导致喷雾油束气液交界面处的环境气体流场信息的缺失。Mie-scattering即米氏散射，当米氏散射用于粒子成像时，不同大小的粒子对入射光的散射特性与散射颗粒的粒径大小、入射光强、波长以及相对观察方向（散射角）等均有关系，但一般散射光的波长相对入射光不发生改变。通过基于激光诱导荧光技术的LIF-PIV技术能够解决以上问题，但能够进行喷雾流场及环境气体流场同场测试的Mie-scattering/LIF-PIV或LIF/LIF-PIV相对较少见报，主要由于这些技术对硬件水平、光路布置等的要求极高。此外，绝大多数相关的两相流场技术方法多限于低速测试系统，因而无法满足高度瞬变的直喷喷雾的实际使用需求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于两相流动同场测试的光学诊断装置。

根据本发明的一个方面，提供的用于两相流动同场测试的光学诊断装置，包括：高速激光器、高速相机、液体射流发生装置、荧光示踪粒子发生装置、测试区单元以及时序控制装置；

所述液体射流发生装置和荧光示踪粒子发生装置用于分别在测试区单元内产生待测的液体射流粒子和荧光示踪粒子以形成流动介质；所述高速相机的镜头朝向测试区单元的一个面；所述高速激光器为测试区单元提供光源；所述时序控制装置通过信号线与所述高速激光器、高速相机及液体射流发生装置均连接且保持通信。

优选地，所述荧光示踪粒子均匀分布在测试区单元内，并跟随测试区单元内的环境气体运动。

优选地，还包括第一光学滤波片和第二光学滤波片，所述第一光学滤波片和所述第二光学滤波片均设置在所述高速相机和所述测试区单元之间。

优选地，还包括图像分离器，所述图像分离器安装在高速相机的镜头前端。

优选地，所述图像分离器包括平行的第一光学通道和第二光学通道；所述第一光学通道安装有仅能透过散射光的第一光学滤波片；所述第二光学通道安装有仅能透过荧光且滤除散射光的第二光学滤波片。

优选地，时序控制装置用于实现对两相流动动态特性的同时兼顾，具体地，在所述时序控制装置的控制下，使用高速激光器单次发光的前后脉冲时间间隔用做液体射流粒子图片拍摄的帧间时差，使用高速激光器前后两次激光出光的时间间隔用作荧光示踪粒子图片拍摄的帧间时差。

优选地，所述高速激光器和所述高速相机的数量均为一个。

优选地，所述图像分离器用于液体射流粒子和荧光示踪粒子两相流动信号的同时采集，并保存于同一相机芯片的不同像素区域上，并通过矫正第一光学通道和第二光学通道由于观测视角区别引起的图像畸变以保证测试结果的准确性。