[發明專利]用于兩相流動同場測試的光學診斷裝置

在審

• 申請號: 201410085949.6
• 申請日: 2014-03-10
• 公開（公告）號: CN103900788A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 張銘;許敏
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及全局流場的測試，具體地，涉及一種用于兩相流動同場測試的光學診斷裝置。

背景技術

PIV（Particle?Image?Velocimetry，粒子圖像測速）技術的應用實現了平面上全局流場的高效、瞬時測試，可以有效分析全局流場的瞬時運動。PIV的全稱為Particle?Image?Velocimetry，即粒子圖像測速，是一種利用片光源在極短時間內進行兩次成像以記錄流場中粒子群的位置，通過對所測得的粒子群前后時刻的位置關系進行相關性算法分析計算全局流動速度的測試方法。目前，這一光學測試技術在流動相關的工程及研究問題中得到了廣泛的應用。但是常規的PIV測試系統難以用于相對復雜的兩相流動問題，特別是流速相差較大兩相流動問題的測試與研究。

為了解決上述問題，一些研究機構開發了基于激光誘導熒光技術的PIV，即LIF（Laser?Induced?Fluorescence，激光誘導熒光）-PIV，通過往環境氣體熒光示蹤粒子或同時往噴霧燃油及環境氣體熒光示蹤粒子添加不同的熒光物質，實現噴霧燃油和環境氣體兩相之間光信號的分離以及兩相流動的同場測試。LIF的全稱為Laser?Induced?Fluorescence，即激光誘導熒光，當處于基態的熒光物分子吸收了入射激光的能量并被激發到高能態，由于其不穩定性高能態分子又會在較短的時間內（通常為納秒級別）返回基態并發出熒光，這一過程稱為激光誘導熒光。一般而言，熒光的波長相對入射激光的波長會發生“紅移”，即波長變長。但是這些測試技術需要用到兩套激光器、兩套相機等設備，導致測試系統價格昂貴并且光路布置極為復雜，不利于這一測試技術的推廣、使用以及相關研究領域的發展。

以燃油噴霧及相應的環境氣體流動研究問題為例，傳統的基于散射光的Mie-scattering（米氏散射）PIV技術在實際噴霧環境流場的測試應用中由于油束發出的散射光過強，容易導致噴霧油束氣液交界面處的環境氣體流場信息的缺失。Mie-scattering即米氏散射，當米氏散射用于粒子成像時，不同大小的粒子對入射光的散射特性與散射顆粒的粒徑大小、入射光強、波長以及相對觀察方向（散射角）等均有關系，但一般散射光的波長相對入射光不發生改變。通過基于激光誘導熒光技術的LIF-PIV技術能夠解決以上問題，但能夠進行噴霧流場及環境氣體流場同場測試的Mie-scattering/LIF-PIV或LIF/LIF-PIV相對較少見報，主要由于這些技術對硬件水平、光路布置等的要求極高。此外，絕大多數相關的兩相流場技術方法多限于低速測試系統，因而無法滿足高度瞬變的直噴噴霧的實際使用需求。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種用于兩相流動同場測試的光學診斷裝置。

根據本發明的一個方面，提供的用于兩相流動同場測試的光學診斷裝置，包括：高速激光器、高速相機、液體射流發生裝置、熒光示蹤粒子發生裝置、測試區單元以及時序控制裝置；

所述液體射流發生裝置和熒光示蹤粒子發生裝置用于分別在測試區單元內產生待測的液體射流粒子和熒光示蹤粒子以形成流動介質；所述高速相機的鏡頭朝向測試區單元的一個面；所述高速激光器為測試區單元提供光源；所述時序控制裝置通過信號線與所述高速激光器、高速相機及液體射流發生裝置均連接且保持通信。

優選地，所述熒光示蹤粒子均勻分布在測試區單元內，并跟隨測試區單元內的環境氣體運動。

優選地，還包括第一光學濾波片和第二光學濾波片，所述第一光學濾波片和所述第二光學濾波片均設置在所述高速相機和所述測試區單元之間。

優選地，還包括圖像分離器，所述圖像分離器安裝在高速相機的鏡頭前端。

優選地，所述圖像分離器包括平行的第一光學通道和第二光學通道；所述第一光學通道安裝有僅能透過散射光的第一光學濾波片；所述第二光學通道安裝有僅能透過熒光且濾除散射光的第二光學濾波片。

優選地，時序控制裝置用于實現對兩相流動動態特性的同時兼顧，具體地，在所述時序控制裝置的控制下，使用高速激光器單次發光的前后脈沖時間間隔用做液體射流粒子圖片拍攝的幀間時差，使用高速激光器前后兩次激光出光的時間間隔用作熒光示蹤粒子圖片拍攝的幀間時差。

優選地，所述高速激光器和所述高速相機的數量均為一個。

優選地，所述圖像分離器用于液體射流粒子和熒光示蹤粒子兩相流動信號的同時采集，并保存于同一相機芯片的不同像素區域上，并通過矯正第一光學通道和第二光學通道由于觀測視角區別引起的圖像畸變以保證測試結果的準確性。