[发明专利]一种基于光子时域滤波技术的喷注雾化全场测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于激光测量学领域，涉及一种基于光子时域滤波技术的发动机喷注器喷注雾化全场测量装置及方法。

背景技术

液体燃料(碳氢)具有易储存、携带、密度高、单位体积热值高、便于实际应用等优点，被广泛应用于冲压发动机、涡轮发动机、爆震发动机、火箭发动机和汽车发动机等。发动机液体燃料喷注雾化过程在整个发动机工作过程中起着十分关键的作用，对发动机燃烧效率、点火性能以及燃烧稳定性都有十分显著的影响。此外，现代发动机的设计技术主要应用计算流体动力学(CFD)，但是由于燃烧过程的复杂性和缺乏实验数据，CFD模型存在诸多不足，其中一个主要不足就是很难准确的模拟液体燃料雾化过程，进而影响到整个燃烧过程模拟仿真的准确性。

喷注雾化过程大致可以分为近场区、二次雾化区和蒸发区，如图1所示。燃料在近场区发生液体破碎和初次雾化，该区液滴尺寸大、密度高，光子在该区会发生非常严重的吸收和散射现象，因此常规的光学测量手段都不能获得近场区的信息。目前，对于近场区，基于弹道光子时间选通技术(光子时域滤波技术)成像测量方法是一种十分有潜力的测量方法。这里需要说明：当激光束通过流场时，由于散射次数不同，大致可分为三类，其一是弹道光子，直接穿过流场，没有发生散射，与入射光传播方向一致，携带了流场信息。其二是蛇光子，通过流场时，一般经历1到4次散射，它们沿着入射光子方向出射，但是其发散角要大于弹道光子。还有一种光子叫扩散光子，通过流场时经历5次以上的散射，其出射方向与入射方向无关，以4π发散角出射，没有携带流场信息，属于噪声。当入射光通过流场时，在时序排列上，弹道光子在最前面，其后是蛇光子，最后是扩散光子，利用其时间特性即可将携带流场信息的弹道光子选择出来。

二次雾化区(稀疏雾化区)和蒸发区液滴尺寸小、密度低，常规的光学测量手段，如阴影法、PLIF、Mie散射技术和激光相位多普勒粒子分析技术等，都可以用于这两个区域的测量。

由于近场区光学透过率大约为10^-210^-5，弹道光子数密度远小于扩散光子。二次雾化区光学透过率大于0.1，蒸发区光学透过率大于0.8，而且以弹道光子为主。由于上述原因，目前雾化测量面临两个难点，第一，对于近场区，喷雾区中心和边缘光学透过率相差大约10²～10⁵倍，因此测量时很难同时获得近场区清晰的全场结构图。第二，由于近场区和其它区域的光学透过率相差太大，因此无法使用同一种测量手段，目前都是采用不同的测量方法分别测量，然而由于喷注雾化过程是一个时空变化非常剧烈的过程，因此通过不同手段测得的近场区和其它区域的流场结构没有相关性。基于上述难题，目前的雾化测量手段无法同时获得喷注雾化过程的全场瞬态结构，无法反映真实的喷注雾化过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光子时域滤波技术的喷注雾化全场测量装置及方法，利用弹道光子时间选通技术、透过率与透过率空间分布结构可变的衰减技术实现喷注雾化全场测量，用于获得发动机喷注雾化全场瞬态结构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光子时域滤波技术的喷注雾化全场测量装置，包括飞秒激光器、分束镜、起偏器、可变矩形光阑、扩束系统、目标喷注器、第一凸透镜、光克尔介质、检偏器、第二凸透镜、透过率及其空间分布结构可变的衰减器、ICOMS相机、半波片、光路延时器、第一反射镜、第二反射镜、光束收集器、时序控制系统、计算机，时序控制系统控制飞秒激光器和ICOMS相机，计算机控制ICMOS相机采集存储图像数据和控制光路延时器，飞秒激光器输出的飞秒激光经分束镜分为两束，分别作为成像光束和门控光束，门控光束依次通过半波片、光路延时器、第一反射镜、第二反射镜和光克尔介质，最后到达光束收集器，成像光束依次通过起偏器、可变矩形光阑、扩束系统、目标喷注器、第一凸透镜、光克尔介质、检偏器、第二凸透镜、透过率及其空间分布结构可变的衰减器，最后达到ICOMS相机。

利用上述装置获得喷注雾化流场全场图像信息的方法，由以下步骤实现：

步骤一：利用飞秒激光器输出800nm飞秒激光。

步骤二：利用分束镜将飞秒激光按1∶1分为两束，分别作为成像光束和门控光束，成像光束用于喷雾场成像，门控光束用于触发光克尔门。

步骤三：门控光束依次通过半波片、光路延时器、第一反射镜、第二反射镜和光克尔介质，最后到达光束收集器。