[发明专利]一种固液发动机燃烧机理的研究方法及系统

说明书

本发明提供了一种固液发动机燃烧机理的研究方法及系统，方法为基于安装在前燃烧室和后燃烧室的合束成像光纤，多角度采集燃烧室内的火焰化学发光成像，针对火焰图像，提炼燃烧室内燃场的火焰模态分布及动态信息，以分析内燃场的流动和燃烧特性。基于该方法提供了一种系统，在前燃烧室和后燃烧室上打孔以安装保护工装和光纤镜头，光纤镜头由合束光纤连接到高速相机，通过高速相机采集主燃烧室内燃场的火焰化学发光成像。本发明提供的方法及系统，能够在高温高压、真实发动机条件下对固液火箭发动机药柱内部封闭空间的扩散燃烧火焰可视化，进而分析其内燃场流动、燃烧特性，以解决现有技术中无法记录固液发动机燃烧室内的完整燃烧过程的问题。

技术领域

本发明实施例涉及固液火箭发动机领域，尤其涉及一种固液发动机燃烧机理的研究方法及系统。

背景技术

固液火箭发动机结合了固体火箭发动机和液体火箭发动机的特点，通常使用固体燃料和液体氧化剂的组合。固液火箭发动机的燃烧方式为封闭空间内的扩散燃烧，位于发动机主燃烧室，亦即药柱内部，是一个复杂的物理-化学耦合机制。

工作时燃烧区火焰通过辐射、对流换热加热固体燃料，固体燃料表面在将热量传导至更深处的燃料之外受热热解、气化，然后在主燃烧室内与氧化剂掺混发生燃烧。

这种封闭空间内的燃烧方式导致对固液火箭发动机的燃烧机理进行研究非常困难，首先是对火焰进行直接观测非常困难；另外高温高压的苛刻环境对诊断方法的隔热性能提出了很高的要求。目前的研究主要局限于两种方法：一种是在发动机后燃烧室开凿大面积光学窗口，但是由于火焰到了后燃烧室已经完全发展，因此这种方法往往无法体现出固液火箭发动机扩散燃烧的特点，且由于光学窗口直径通常大于50mm，与发动机后燃烧室的直径相当，这种大尺度光学窗口会改变发动机后燃烧室的形状，另外这种窗口由于尺寸太大，往往只能使用石英进行热防护，承压能力有限，也会对发动机结构强度造成影响。另一种是放弃真实发动机外型使用平板燃烧器，这种方法虽然可以部分反映发动机的燃烧特点，但是由于结构和实际有显著区别，无法体现真实发动机内部燃烧的三维效应。两种方法均不能得到燃烧室内完整的燃烧过程，进而无法反映发动机的燃烧特点。

发明内容

本发明提供了一种固液发动机燃烧机理的研究方法及系统，以解决现有技术中无法记录固液发动机燃烧室内的完整燃烧过程的问题。

在本发明的第一个方面，提供了一种固液发动机燃烧机理的研究方法，包括如下内容：

基于安装在前燃烧室和后燃烧室的合束成像光纤，多角度采集燃烧室内的火焰化学发光成像，根据采集的火焰图像，提炼燃烧室内燃场的火焰模态分布及动态信息，以分析内燃场的流动和燃烧特性。

进一步地，在不影响固液发动机结构强度的前提下，在前燃烧室和后燃烧室的壁面上打孔，用于安装所述合束成像光纤的光纤镜头。

进一步地，火焰图像采集过程中，同时采集发光组分，通过发光组分的采集，所得所述火焰图像能够指示火焰的锋面位置。

进一步地，所述研究方法还包括，使用图像切割方法和本征特征值分析方法分析所述火焰图像，以提炼燃烧室内燃场的火焰模态分布及动态信息。

在本发明的第二个方面，提供一种上述方法的系统，

固液发动机的燃烧室包括前燃烧室、主燃烧室和后燃烧室，燃料药柱位于所述主燃烧室内，

在前燃烧室和后燃烧室的壁面上打孔以安装保护工装，所述保护工装内安装有光纤镜头，所述光纤镜头由合束光纤连接到高速相机，通过所述高速相机采集固液发动机的燃烧室内燃场的火焰化学发光成像，以研究固液发动机的燃烧机理。

进一步地，在所述前燃烧室的壁面上打孔安装有一个所述光纤镜头，所述前燃烧室壁面上孔的中轴线与所述燃料药柱的中轴线成30度角，该孔的中轴线与所述燃料药柱的中轴线相交的位置为所述燃料药柱的前端面，使得安装为该孔内的光纤镜头能够捕捉到燃烧室边界层内火焰的动态特性；