[发明专利]一种流场和火焰结构同步探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种流场和火焰结构同步探测方法，特别涉及一种用于碳氢燃料超声速燃烧过程的流场和火焰结构同步探测方法。

背景技术

碳氢燃料的超声速燃烧流场极为复杂，涉及激波/膨胀波系、化学反应、剪切层、大尺度分离流和漩涡流动、超声速气流压力传播以及燃烧火焰传播等多种复杂现象，是一个流动与化学反应高度耦合的过程。因此，深入探索碳氢燃料超声速燃烧机理，需对超声速燃烧场的流场和火焰结构以及相互作用过程进行全面研究。

针对碳氢燃料的超声速燃烧场，目前主要是将流场结构和火焰结构分离出来单独进行实验研究。

流场结构探测方面，纹影是常用的流场结构显示方法。而脉冲纹影技术和激光纹影技术则能够有效抑制燃烧室背景光的影响，从而得到清晰的超声速燃烧场瞬态流场结构图像。

火焰结构探测方面，OH-PLIF常用来标识超声速燃烧场的火焰结构。然而超声速燃烧室中温度较高，OH自由基不仅存在于化学反应区域，也存在于空气来流当中，因此无法准确标识火焰结构。在碳氢燃料化学反应过程中，CH自由基只产生于碳氢燃料反应分解消耗的区域，因此采用CH-PLIF能够更加准确的标识碳氢燃料燃烧的火焰结构。

单独利用纹影或PLIF均无法同时获取流场结构和火焰结构两方面的信息，这样获得的结果无法说明碳氢燃料超声速燃烧场中流动与化学反应的耦合过程。

发明内容

针对上述现状，本发明提供了一种用于超声速燃烧室碳氢燃料燃烧过程的流场和火焰结构同步探测方法。具体地，该同步探测方法包括脉冲纹影探测和CH自由基的平面激光诱导荧光(CH-PLIF)探测两部分，所述脉冲纹影探测超声速燃烧场的流场结构，所述CH-PLIF探测超声速燃烧场的火焰结构，二者进行同步控制，上述同步探测方法具体包括以下步骤：

(1)将CH自由基荧光的激发光通过柱面镜系统整形为片光，通过石英观察窗引入超声速燃烧室的探测区域，片光垂直于纹影的平行光光路；

(2)通过调整脉冲纹影光路中高速相机前的透镜和CH-PLIF光路中像增强型CCD相机(ICCD)前的镜头，将脉冲纹影和CH-PLIF的探测焦平面分别聚焦到燃烧室内片光上的相同探测区域；

(3)测量同步测量系统的电子延时和光学延时，根据测量结果设置同步脉冲发生器，使纹影脉冲光源的脉冲与CH自由基荧光的片状激发光到达所述探测区域的时间间隔不超过500ns,，所述纹影光源的脉冲与所述片状激发光频率相同；

(4)将所述ICCD设置为双图像模式，第一次快门开启时拍摄燃烧室内燃烧背景图像，第二次快门开启时拍摄燃烧室内火焰结构图像，两次快门宽度相同，由于CH自由基荧光信号较弱，快门宽度应大于10ns并小于40ns，两次快门时间间隔小于500ns；

(5)设置所述ICCD的快门延时和脉冲同步发生器，使第二次快门开启与所述片状激发光同步，所述高速相机的快门与脉冲纹影光源的脉冲同步；

(6)将所述ICCD第二次快门开启时拍摄的火焰结构图像与第一次快门开启时拍摄的燃烧背景图像作差，扣除背景噪声的影响；

(7)将扣除背景噪声的所述火焰结构图像与所述脉冲纹影拍摄的所述流场结构图像叠加，最终得到同步测量结果。

进一步地，利用示波器和光电探测器对所述同步测量系统的电子延时和光学延时进行测量。

该方法所解决的问题是：为研究碳氢燃料超声速燃烧过程中流动与化学反应相互作用机理，提供了同步获取燃烧场同一瞬态流场和火焰结构信息的实验探测方法。

附图说明

图1为超声速燃烧场流场结构与火焰结构同步测量光路。

图2为脉冲纹影与CH-PLIF同步测量时序。

图3为乙烯在超声速燃烧室内燃烧时同一瞬态的流场和火焰结构图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的用于超声速燃烧室碳氢燃料燃烧过程的流场和火焰结构同步探测方法的具体实施方式做详细说明。