[發明專利]同步測量火焰形態和溫度的裝置及方法

有效

• 申請號: 201711249888.2
• 申請日: 2017-12-01
• 公開（公告）號: CN107782463B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 王國情;齊飛;劉訓臣;張國勇;李玉陽
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01K11/00
• 分類號: G01K11/00;G01N21/39;G01B11/00;G01B11/24
• 代理公司: 上海上谷知識產權代理有限公司 31342
• 代理人: 蔡繼清

本發明公開了一種同步測量火焰形態和溫度的裝置及方法。該方法采用高速紋影探測瞬態火焰形態，采用TDLAS探測火焰溫度。將高速紋影和TDLAS的探測區域分別聚焦到定容燃燒彈內相同探測區域，通過數字延遲發生器對高速紋影和TDLAS進行同步控制，實現對瞬態火焰傳播過程的火焰形態和溫度同步探測。該裝置包括可視化定容燃燒彈、光源、針孔光闌、消色差傅里葉變換透鏡、可調光闌、高速攝像機、激光器、激光驅動器、函數發生器、標準具、反射鏡、光電探測器和數據采集單元等。本發明解決了同步測量瞬態火焰形態和溫度的問題，利用高速紋影獲得清晰的火焰形態，利用TDLAS獲得高時間分辨火焰溫度，綜合兩者結果以研究瞬態火焰的燃燒特性。

技術領域

本發明涉及光學檢測領域，特別涉及一種結合高速紋影技術及TDLAS技術的同步測量方法在瞬態燃燒過程監測領域的應用。

背景技術

發動機內部燃燒過程將燃料中化學能轉換為熱能和機械能，提供了當前人類社會的主要動力。提高發動機燃燒效率，降低污染物排放一直是科學研究和工業生產的不懈追求目標。發動機內部燃燒是瞬態過程，其時間尺度通常為毫秒量級。為在這種時間尺度上模擬發動機內部的瞬態燃燒過程，研究其燃燒效率和污染物生成，國內外知名機構如清華大學、西安交通大學、美國Princeton大學發展了可視化定容燃燒彈和光學發動機裝置，并廣泛采用高速紋影技術探測火焰在點火、傳播、熄火階段的傳播速度和形態變化。高速紋影技術利用燃燒中火焰面前后冷態未燃氣和熱態已燃氣的密度差異，使得穿過火焰的平行光發生折射，通過刀片或光闌在下游遮擋住部分光線，而實現對燃燒場中密度變化的反映。

前人基于紋影技術進行了大量瞬態燃燒過程的研究，如可視化定容燃燒彈球形火焰傳播速度的測量。這些研究中均假設球形火焰具有準一維火焰形態，處于絕熱狀態，并發展了一系列基于絕熱球形火焰的理論。然而瞬態球形火焰內部的溫度還沒有任何技術實現對其的測量，球形火焰基于絕熱假設的理論體系的準確性亟需更豐富準確的火焰診斷數據進行驗證。

此外，發動機內部燃燒中火焰的熱損失也直接同燃燒效率相關，瞬態火焰中由于火焰鋒面能夠脫離壁面傳播，熱對流和熱擴散帶來影響可以被大大的限制，從而輻射效應被凸顯出來，非常適宜研究輻射熱損失對燃燒的影響。北京大學進行了大量瞬態球形火焰的熱輻射理論和數值研究，其進行了一維火焰直接數值模擬，對比了絕熱和考慮輻射效應對火焰溫度的影響。然而目前沒有任何實驗技術對熱輻射影響的球形火焰溫度進行測量，無法直接衡量現有理論和數值計算的準確程度。

在前人工作中，少部分專利和文獻采用粒子圖像測速(Particle ImageVelocimetry，PIV)技術和平面激光誘導熒光(Planar Laser-Induced Fluorescence，PLIF)技術研究瞬態火焰，PIV技術可以反映瞬態燃燒中的流場結構，PLIF技術則用于定性的反映瞬態燃燒中OH等自由基組分的分布?，F有的這些方法均沒有對瞬態燃燒中的火焰溫度進行高速、精確測量?；鹧鏈囟戎苯臃从沉巳剂匣瘜W反應進行的程度和燃燒效率的高低，對瞬態火焰還能反映燃燒狀態的動態特性，影響發動機壽命和可靠性，同時火焰溫度也決定了生成污染物的溫度工況，會顯著影響NOx等污染物的生成量。

在測量溫度的技術中，可調諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy,TDLAS)技術測量待探測組分的單條或多條吸收線，通過分析吸收譜線的物理參數可實現探測組分的溫度的測量，是一種高選擇性、高靈敏度、高精度的快速在線檢測技術，已經廣泛使用于大氣化學，環境監測，特別適用于探測燃燒過程中火焰溫度。優點是測量重復頻率高(約kHz)，缺點是路徑積分測量。

為了獲得更為全面的瞬態火焰信息，亟需發展一種能夠同步測量毫秒量級瞬態火焰形態和溫度的診斷方法，以便于學術研究完善球形火焰、火焰熱輻射理論，乃至于工業生產實時監測瞬態火焰燃燒效率和污染物生成工況，為發動機燃燒室設計提供參考，進而改善發動機的燃燒狀況，提高燃燒效率，降低污染物排放。

發明內容